天然气管道泄漏点的定位检测方法研究

袁小松

摘要

天然气管道输送过程安全问题, 一直是安全生产过程需要考虑的重中之重, 一旦管道出现破损泄漏, 将造成直接的经济损失, 同时诱发一系列的次生危害, 例如火灾和环境污染等。天然气管道泄漏检测技术实施, 显得尤为重要。分析了管道泄漏时声波的传播机理, 并介绍了目前常见的天然气管道泄漏检测方法。并重点阐述了声波检测原理及定位方法, 该方法的应用, 为管道泄漏的检测提供有力的技术保障, 也为提高天然气管道输送自动化管理水平有着重要的意义。

关键词：声波检测;天然气管道;管道泄漏;检测;

有关管道泄漏检测与定位的方法很多,主要可分为基于模型的方法、基于信号处理的方法及基于知识的方法等3类.本文分析了天然气管道泄漏检测与定位存在的问题,研究了影响负压波传播速度的因素,以提高检测与定位的精度.

1 石油天然气管道泄漏因素分析

1.1 质量因素导致管道泄漏

在石油天然气的运输过程中, 管道的材质与质量会影响到运输是否能够顺利进行。石油天然气管道的泄漏, 有很大一部分原因是管道质量不合格而导致的。管道的质量影响因素包含两个方面, 一个是管道材料本身的问题, 另一个是在生产管道中管理方面的问题。管道的生产与施工中, 焊接不严密、安装不规范、施工不安全等现象比比皆是, 给石油天然气的运输带来了一定的隐患。

1.2 腐蚀因素导致管道泄漏

腐蚀因素是石油天然气运输中的管道泄漏的另一个主要原因, 而导致管道腐蚀的因素主要包含以下方面:其管道运输石油与天然气中, 含有硫元素及某些酸性元素, 在特定的环境下, 这些杂质会产生氧化反应, 就容易腐蚀管道的内部。

1.3 阴极保护失效导致管道泄漏

石油天然气管道的防腐蚀工作, 需要通过阴极保护来进行, 这种方式主要是在管道的金属材料外部添加电流, 使管道的金属材料呈现出阴极反应, 从而避免管道的腐蚀。而阴极保护过程中, 诸如管道跨越交通要道的时候, 在其套管内部进行注水等原因, 会很容易使阴极保护失去其应有的效果。其他类似阳极断电流中断等原因, 也会影响阴极保护的效果, 从而造成管道的腐蚀情况。

2管道泄漏声波传播机理

管道内输送的气体泄漏时, 将打破输气管道中正常压力平衡, 管道系统内流体弹性能释放, 将会引起瞬间振荡同时产生声波, 泄漏声波由气体泄漏的激动能量产生, 为持续发射的信号。管道壁破裂而产生的声波激动信号频率最高可达几百千赫。泄漏声波中高频成分绝大多数是在175~750 k Hz之间。泄漏声波信号在以管道为介质传播时能反映管道结构的特征, 能较为敏感的反应出泄漏处孔径、泄漏位置、泄漏流量大小等。因声波能量的传播在固体介质要更容易于液体和气体介质, 因此一般来说, 管道内气体传输信号要比管道壁传输信号的频率低而且速度慢。

声波探测传感器记录和输出的声波电信号波形波动不定, 与源信号真实情况相比差别较大时, 主要受泄漏源到传感器的传播路径、传感器自身质量、泄漏声波特性 (激动信号特征) 、传播过程环境噪声和泄漏检测系统精密度等复杂因素的影响。

3常用监测方法

按照检测方式区别, 管道泄漏的检测方法主要分为直接检测法和间接检测法。

3.1 直接检测法

(1) 检测元件法。利用某些材料随它所接触物质而特性变化的特征, 制作做成敏感检测元件。

(2) 机载红外线法。利用无人机或小型飞机架设红外线探测摄像机沿着输气管道上空飞行, 分析输送管道与周围环境温差成像, 并根据成像结果判断管道是否有破损泄漏。

(3) 气体检测法。沿天然气管道检测有无可燃性气体来判断是否泄漏。短距离输送管道常采用此法检漏, 但需要人员进行时常巡视, 因存在巡视周期, 故不能第一时间发现泄漏。

3.2 间接检测法

(1) 基于声发射检测。声发射是材料或结构受内外力作用产生形变时, 释放出以弹性波形式的应变能的现象。

(2) 基十神经网络的检漏方法。该方法不同于以往的管道流动模型检漏方法, 具有能够利用自适应能力适应管道各种工况的特点, 分析识别管道运行状况。

(3) 负压波检漏法。管道泄漏时泄漏点附近压力下降并向四周扩散, 因此利用管道泄露点附近的压力传感器所检测到的压力变化来进行检漏和定位。

4声波监测定位原理及方法

4.1 声波泄漏检测原理

声波检测的原理是利用声波传感器检测来自以管道为介质传播的声波信号, 进行泄漏信号的检测和泄漏点的定位。实施过程为在管道上相隔一定的距离设置两个声波传感接收器, 当管道某处发生泄漏后, 声波传感接收器分别在T1和T2时刻检测泄漏声波信号, 根据两个时刻所监测到的信号差, 来确定管道是否有泄漏的发生, 以及泄漏发生位置。

4.2 管道泄漏定位方法

假设管道在某处发生泄漏, 出现的泄漏声波以速度v向泄漏点周缘传播, 分别在T1和T2时刻被两个传感器所捕获。

获得检测数据最大值, 就能够确定泄漏信号到达两个传感接收器的时间差。求取函数r12(t) 极大值及极大值对应的to即可进行检漏检测和定位, 目前在计算机内完全可以实现相关模拟分析, 将记录下的声波信号进行相关计算。

5小波消噪及压力突降点的捕捉

准确地捕捉到泄漏引发的压力突降特征点,才能准确地检漏并精确地获得压力波传播到上下游传感器的时间差,从而提高检漏的灵敏性、可靠度及定位的精度.而由于不可避免的工业现场的电磁干扰、泵的震动等因素,使得采集到的压力信号附有大量的噪声,因此如何从噪声中准确地提取信号特征点是定位的关键.对此,作者采用具有良好的消噪能力及时频局域特性的小波变换技术,对附有噪声的负压波分别进行消噪处理和奇异点识别.

5.1 小波消噪

在实际的工程中,有用信号通常表现为低频信号或一些变化比较平稳的信号,而噪声信号则通常表现为高频信号.小波去噪的基本思想是:由于噪声部分通常包含在高频区域,可先对信号进行多层小波分解,再以门限阈值等形式对小波系数进行处理,最后对信号进行重构即可达到消噪的目的.在这一过程中最关键的就是如何选取阈值和如何进行阈值的量化处理,从某种程度上说,它直接关系到信号的质量.从小波降噪处理的方法上说,一般有以下3种处理方法:强制降噪处理、默认阈值降噪处理及给定软(或硬)阈值降噪处理.强制降噪方法简单,但易丢失信号的有用成分;给定软(或硬)阈值降噪需要一定的经验公式.通过仿真实验的对比,本文采用默认阈值降噪的办法,对一组发生泄漏时所得到的带有噪声的原始信号进行了消噪处理.

5.2 压力突降点的捕捉

小波变换由于在时域和频域内同时具有良好的局部化性质,可聚焦到对象的任何细节,而被称为数学分析的“显微镜”.利用连续小波变换的时间-尺度特性,可以有效地检测信号的奇异性.其原理是:引用数学上表征函数局部特征的李氏指数(Lipschitz指数)作为一种度量,当信号在奇异点附近的Lipschitz指数α>0 时,其连续小波变换的模极大值随尺度增大而增大;当α<0时,则随尺度的增大而减小.噪声对应的Lipschitz指数远小于0,而信号边沿对应的Lipschitz指数大于或等于0,因此利用小波变换可以区分噪声和信号边沿,有效地检测出强噪声背景下的信号边沿.

结语

介绍了目前国内常见的天然气管道泄漏检测和定位的方法, 重点分析了声波泄漏定位检测技术原理及方法, 并利用此方法解决天然气管道的泄漏检测与定位问题, 实践应用效果较好, 满足巡检需求。

参考文献

[1]方崇智.基于现代理论的长输管道自动检测[J].油气储运, 2004, (6) :7-10.