石油管道泄漏检测与精确定位

《过程装备腐蚀与防腐》科技论文指导老师：（2010下学期）学院：化学化工学院班级：过程装备与控制工程081班姓名：罗学号:管道泄漏检测与精确定位摘要：本文主要介绍了声波在检测管道泄漏方面的应用。国内外较为广泛应用的管道测漏技术主要为负压波法和新声波法，在介绍声波法原理及发展趋势的基础上，对新声波法测漏技术的原理、系统配置、技术指标、关键技术、现场测漏试验及应注意的问题进行了分析，为国内管道测漏系统的开发提供了技术依据，也在泄露事故和防止盗油有实际意义。Abstract：Thispapermainlydescribestheacousticdetectionapplicationinpipelineleaks.Suctionwaveandsoundwavearewidelyusedfordetectingpipelineleaks.Baseontheprincipleandthedevelopmenttrendofacousticmethod,analysisforacousticleakdetectiontechnologyonthenewprinciples,systemconfiguration,technicalindicators,keytechnologies,videatechnicalbasisonpipelineleakdetectionsystem,anditisalsomeaningfultoleakandpreventtheStolenoilandpipelineleaks.关键词：石油管道 管道泄漏 检测与定位 声发射检测神经网络小波分析SCADA系统一、 管道泄漏检测与定位的意义：管道运输已经是我国的主要运输手段之一，目前全国各地建成的各类输送管道长度已超过70000km。但是由于管道设备老化（腐蚀）和人为原因（施工、盗油和破坏等）还有防腐失效的影响，管道泄漏事故经常发生。比如最近发生的大连新港输油管道爆炸带来重大污染;英国石油公司可能在墨西哥湾出现的海底管道渗漏都是不仅造成大量的损失而已造成了严重的污染。。因此，及时对流体输送管道的泄漏进行检测和泄漏点的定位，防止泄漏事故进一步扩大，具有重要的经济效益和社会效益。二、 泄漏点检测常用方法和评测手段：（1） 目前广泛应用的是基于负压波和基于声波信号的泄漏检测与定位方法。当管道某处突然发生泄漏时，在泄漏处将产生瞬态压力下降，形成一个负压波，该波以1000m/s的速度从泄漏点向两端传播然后根据压力信号分析，但是基于负压波的有几类共性的问题：由于管道都是高压1—5MP，所以对小泄露量和缓慢泄露（压力变化0.01MPa左右）不够灵敏和漏报比较普遍。这类系统抗工况绕道能力比较差，系统误报比较多。如果一味的提高对小泄流量检测的灵敏度，会导致更多的误报，所以需要寻找一种更好的方法。（2） 常用的检测方法。一类是外部环境检测，早期就是用人员的外部巡视法（比较原始）、油气敏线缆、检测光纤（PCS和光纤温度传感器）。另一类是管内流动状态检测，有基于模型、基于信号处理、基于模式和人工神经元网络的方法.（3） 常用的评测方法对一个实际的故障诊断系统，可以用以下性能指标加以评价：泄漏检测的灵敏度、泄漏点的定位精度、抗工况扰动能力、系统响应时间。三、 声发射检测技术的原理和优点：（1） 声发射检测的原理众所周知物体间的相互碰撞均会产生振动发出声音形成声波，声波不但能在空气中传播而且能在液体和固体中传播，声波在空气中传播时其传播速度仅为340m/s，而声波在钢管中传播时其传播速度高达5000m/s以上。通常，当管道内液体发生泄漏的瞬间，管道内的压力平衡被破坏，造成系统流体弹性压力的释放，引起瞬间声波震荡，在管道内形成声场。泄漏产生的声波具有较宽的频谱，分布在6-80kHz之间。声波法是将泄漏时产生的噪声作为信号源，由声波传感器采集该信号，从而确定泄漏位置和泄漏程度。（2） 声发射检测法的优点在管道流量不稳定及停输等状态下，测漏性能不变，误漏报率低，适用于两相（油、水）或三相（油、气、水）流体。这一点就明显好于以广泛应用的负压波，它会造成压强的不稳定而出现过多的信号早上而极容易产生误报。由于声波在钢管中的5000m/s以上的速度决定了这中检测方法的实时性，能在泄露或者是盗油才开始就可以发现，最大程度了保证损失的最小发生。稍加改造可以实施监控，为了保证声波（应力波）信号的强度，可以在长距离管道上设置多分站，数据通过无线电传输，和GPS定位系统，数据经过定向天线处理后可以很容易的传入件事网络（这只是在交通部发达，偏僻的山村）可以不用电缆及光缆，还可以满足现场随时都可以有数据可以分析。可以节约大量的人力，财力，物力。主要的设施安装在站内，安全性好，维护费用低，操作简单，便于管理。而且准确率很高，高达90%，是公认的一种很好的微泄露检测方法。（3） 声发射检测技术的发展前期声波法因监控距离短，管道泄漏时间和发现时间不同步，定位误差较大，难以确定泄漏的程度。另外，操作中需要较多的工作人员，在实际应用中受到很多限制。经改进后的声波法监控长度为60km，使用的GPS接受器具备发现时间和泄漏时间同步的功能。随着传感器灵敏度的提高，定位精度已达到30m以内。该技术使用类似“指纹识别”的方式，可将现场采集的各项参数与真实泄漏信号相对比，大幅度地减少误漏报率。改进后的声波测漏系统具有较高的测漏灵敏性和定位精度，所有参数可先行设定或自动校正得出，而且比前期声波法需用的人员少。四、 声发射检测系统的组成：（1） 系统的体系结构系统的拓扑结构：由检测仪表、信号的采集与传输装置（RTU）、GPS装置、通信网络、主计算机和客户端这五大部分构成。这样就把下游油泵站和上游油泵站和传感器以及客户控制端连接成了一个统一的整体系统的网络结构：a.服务器不在操作站上时采用光纤局域网和无线电话网；电台、微波、和电话线点对点通信。b.服务器在操作站上时采用光纤局域网和无线电话网，用串口直接（232或者485协议）与服务器的RTU连接。（2） 系统的软件构架①RTU程序先有采样程序实时采集各声音信号，然后用RTU通信程序将信号按照传输协议送到服务器程序，

②服务器程序由主控模块、数据库模块、客户端模块、通信模块、组态功能模块、泄漏检测与定位算法模块构成远程客户端程序远程客户端上程序功能和主机服务器上的界面程序一样，可以在主机服务器允许的情况下通过ie浏览器直接访问服务器，可以实现远程控制和实现客户端界面程序所具有的一切功能。（3） 远程数据单元远程数据单元RTU安装在油泵的两端。远程数据单元RTU主要有3个功能：多任务处理、信号采集和通信、对时。（4） 数据通信和GPS对时管道泄漏定位的关键之一是将上下游同时刻的数据汇集到一起，用以得到声波信号的上下沿的准确的时间差，同步程度在一定程度上决定了定位的精度。所以GPS对时的主要目的是为了使上下游的数据得到很好的同步，这也是这一套检测系统比较精确的原因之一。五、信号的采集、分析和准确的定位：（1） 泄漏信号的产生管道受内力或外力作用产生形变或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射。弹性波在结构中传播时携带有大量结构或材料缺陷处的信息，用仪器检测、分析声发射信号和利用声发射信号可以对结构或材料中的缺陷进行检测和定位。从严格意义上来说，泄漏所激发的应力波并不是声发射现象。因为在泄漏过程中，管壁本身不释放能量，但由于泄漏时，泄漏的液体与泄漏孔之间的相互作用也会在管道中激发出应力波，通过该应力波可以描述材料结构上的某种状况。所以从这个意义上说，管道泄漏在管道中激励出应力波也可以认为是一种声发射现象。声发射信号具有很大的动力学范围，其位移幅度可以从10*到10-9，拥有10的六次方量级的变化范围。声发射信号产生的形式也是多种多样的，一般人为地将声发射信号分为突发型和连续型两类。如果信号是由区别于背景噪音的脉冲组成，且在时间上可以分开，那么这种信号就称为突发型信号；如果信号的单个脉冲不可分辨，这些信号就称为连续声发射信号。充液管道泄漏时将在管道上激发连续的声发射信号。（2） 信号的传播①信号在管道壁中的传播可以用圆管中的声波导波理论来描述：Pornloff和Sondhis根据质量、动量和能量守恒定律证明了圆管中声波的传播满足下述偏导方程组：dx(2-7a)dx(2-7a)而1讯湖)dA = —十 —1必*&a以上方程是在假设管壁上都不存在热传导和粘滞带来的损耗的前提下成立，但实际上管道泄漏时，产生的声波不光有轴向（纵向）模式的振波，还包括圆振和横振模式的波动；并且在液体或气体的流动过程中，不但有热能的损失，也有动能的损失，因此需要对方程进行修正。②均匀无损管道泄漏模型可简化成图2—3,当泄漏孔发生泄漏时，声信号分别向泄漏孔的两端传播。

工一二///IW。工 泄漏孔 *图2.3夫损倒管世海模型没岫尸A是常数，则偏微分方程(2.7)nf化简为，(2-8al(2-Sb)(2-鬼)(2-8al(2-Sb)(2-鬼)<2-9b)&A&f如1&pdxpC1di可求出方样组的解具有以下形式：TOC\o"1-5"\h\zLi",r)=[m+(/ -)]c rP(0)-与"。-—)-«'(t+—)]Acc方程中『阳与和U(f+与分别可看成是正向和负向的行波，因为方程已町是线性e c的，所以解与卸十与必有如下形式:罚=)顼-严中C绝大多数对管道泄漏的试验研究都是在这种均匀管上进行的。实际上即便是绝对均匀的圆管，在使用过程中，也会由于压力变形、腐蚀不均等原因而变成非均匀的管，因而，这种模型对等截面的管道泄漏也并非完全的适用，但是我们可以用这种模型去近似实际的管道模型。据此稔们可以画出泄漏检测系统的检测模型如图24所示。由此可见：理想的圆管泄漏模型可近似为时变的线性系统。在实际的检测中，理想的圆管并不存在，由于噪声、圆管的变形、泄漏孔型等因素的影响，使实际的管道模型非常复杂，很难建立其数学形式的模型，因此，现有的泄漏检测与定位方法几乎都是建立在信号的分析与处理基础上。信号的采集信号采集也就是把声音信号转换为电信号。在声学测量中测量精度较高的通常是压强式，压强式传声器对声压的压强发生响应。它的结构很简单：在一密封腔上固定一个受声振膜。空腔上有一小孔，它使腔内平均压强与周围大气压强保持平衡。当此装置放于空间时，如果声场不存在则腔内外压强相同，作用在膜片上的合力等于零，如有声波入射，则振膜在腔外的一面受到声压p的作用，假设振膜的面积为S，接收时对声场扰动不大，而膜片上声压是均匀分布的，则振膜上就产生合力：卜面是个示意图:由下面的公式来完成信号的转换工作r-—jp ,\r/ |_kasin8其中J是一阶贝塞尔函数，这就完成了泄漏信号的采集。（4）信号的分析对采集到的信号准确的分析是判断泄漏是不是发生了的最重要依据。4.1对采集到的信息有以下两种最基本的内容要进行分析：①声发射信号的参数分析（以前使用，现在不常用） 声发射信号简化波形特征参数分析方法目前广泛应用于声发射检测技术。对连续型声发射信号，能量测量是定量研究声发射信号的主要方法之一。声发射信号的能量通常用均方电压Vm。或均方根电压Vm来表征。一个信号V（t）的均方电压Vm。和均方根电压Vm。定义如下：②声发射信号的波形分析（现在主要使用）声发射信号的特征参数分析方法不能充分利用声发射信号中包含的信息。随着计算机技术和传感器技术的发展，声发射检测己经由早期简单参数分析发展到今天的波形分析。波形分析是通过分析所记录的信号的时域波形来获取声发射信号所蕴含信息的一种方法，它能提供更全面更详尽的声发射信号特征信息。从理论上讲，波形分析应当能给出任何所需的信息，因而也是最精确的分析方法，可实现对声发射信号的定量分析。目前人们常用现代信号处理的一些方法对声发射信号的波形进行分析，如小波分析方法、相关分析、频谱分析方法、AR谱分析方法、神经网络识别分析方法等。4.2信号分析具体的手段：声发射检测目前主要用波形分析。波形分析是通过分析所记录的信号时域波形来获取声发射信号中所蕴涵信息的一种方法。在波形分析中，信号处理方法是提取波形信息的重要手段，因此声发射信号的分析是声发射检测方法中重要的一个环节，其目的是获得声发射源的有关信息（如声发射源的特征、位置）。关于声发射信号的分析，近年来学术界发表了大量的论文。内容主要集中在神经元网络、小波分析、相关分析等几个方面。①神经网络唐秀家、颜大椿研究了管道泄漏后形成多相湍流所引发的应力波在管道中的传播机理，分析了泄漏引发的管道横振、纵振和圆环振动，提出了一系列应力波提取指标及离散数据算法。首次提出了以泄漏信号特征指标构造神经网络输入矩阵，建立对管道运行状况进行分类的神

经网络模型以检测管道泄漏事故的发生。IgorGrabec,Tadc!jKosel等人对声发射中的声源定位这类逆问题的经验处理办法进行了阐述，并将其应用到连续声发射信号的源定位中。将连续声发射现象当作一个随机过程处理，这个随机过程可以通过声源坐标和声发射的相关函数来描述。由一系列样本所得到的数据形成声发射现象的经验模型。模型的形成过程中，声发射信号由位于试件特定位置的声源发出，记录的超声信号与声源坐标一起输入到神经网络中，神经网络的第一层决定信号与信号的形式以及源坐标数据向量的相关函数，在网络的第二层，利用输入的数据向量并通过自组织学习过程形成一系列原形向量。为了在学习过程完成之后，网络可以通过检测到的声波信号确定声源位置，传感器提供声发射信号，由神经网络确定相应的相关函数并使之与声源坐标相联系，这种相互关系通过网络第三层的非参数归一化分析方法来实现。根据自适应滤波器的特点以及BP网络的工作原理及应用过程中存在的一些问题，将传统的BP算法进行了适当的改进，用训练好的神经网络对声发射信号进行剔噪处理，效果比较理想。②小波分析小波变换是近20年来发展起来的一种信号处理方法，与信号的时域分析和频域分析不同的是，小波变换具有同时在时域和频域表征信号局部特征的能力，既能够刻划某个局部时间段信号的频谱能力，又可以描述某一频谱信息对应的时域信息。这对于分析含有瞬态信息的声发射信号是最合适的。张平、刘时风、庚荣生、沈功田在综合描述声发射信号的特点和小波变换的基本原理基础上，结合实例介绍了小波变换在声发射信号的特征提取，时域分析和噪声去除等三个方面的应用。李录平、邹新元、刘镇清、黄瑞菊、杨建波等给出了小波分析技术在声波信号分析中的应用，王健等将小波分析技术与人工神经网络技术相结合用于复合材料中波形的模式识别，具有较高的正确识别率。蔡正敏、吴浩江味日用小波变换的方法对泄漏信号进行去噪处，提高了管道泄漏的检测精度。例如，经过处理后能得到如下的图，就可以知道的确是发生了泄漏。概率 NOZ泄漏信号慨率分布曲线顽1.00顽-5.545-3.5 -1,50.04E5.5总之，对信号进行以上分析其目的是获得声发射源的有关声发射源的特征、位置和过滤噪声的相关信息。（5）泄漏源的定位当将信号经过以上步骤处理，滤波后可以确认是真实的有管道发生泄漏，接下来就是要进行精确的定位。常用的声发射源定位方法分为时差定位和区域定位两类。在实际工作中最常用的是时差定位，声发射源的定位需要由多通道的声发射仪器来实现。时差定位方法的基本原理为：首先将几个声发射换能器按一定的几何关系放置在固定点上，组成换能器阵列，测量并计算同一个声发射源发射的声波传播到各换能器的相对时差，将这些相对时差代入满足该换能器阵列几何关系的一组方程中求解，便可得到声源的位置坐标。由于声发射波在传播过程中会有能量损失，即声发射信号的强度随测量点与声发射源距离的增加而衰减。根据这一现象，通过分析换能器接收到声发射信号的强度，可以粗略确定声发射源所在区域;通过分析衰减特性，可以实现声发射源的精确定位。在时差定位方法中，常用的定位技术有：一维定位技术（也叫线定位技术），二维定位技术（包括平面定位，柱面定位，球面定位），三维定位技术。当被检测物体的第三个方向上的尺寸远大于其他两个方向上的尺寸时，可采用线定位进行声发射检测如管道、棒材以及钢梁等。时差线定位时至少需要两个声发射换能器，其定位原理如下图所示。如在传感器l和传感器2之间有一个声发射远产生声发射信号，到达传感器l的时间为t1，到达传感器2的时间为t2,因此，该信号到达两个传感器的时差t1-t2。两如果声波在试件中传播的速度为c，则声发射源距传感器的距离：d可以由以下公式确定:这个一般可以精确到30m以内，有了这个范围到现场简单的通过一些现场的手段就可以很精确的定位了，如DCVG、CIPS、PCM法等，反正可以在很短的时间内确定泄漏的位置。当声发射源在两个传感器之外时，此定位技术失效。声发射源线定位技术的关键是确定两个量：声波在试件中传播的速度C和信号到达两个传感器的时间差At。其中，速度C一般可通过测量的方法或查阅有关资料可以得到。对于时差△《的确定则要视情况而定。当声发射信号为突发声发射信号时，时差At可通过多通道声发射仪器的各通道记录信号的到达时间确定。当声发射信号为连续声发射信号时，时差△《一般通过相关分析的方法确定。实际情况中，由于声发射信号的衰减、声发射信号在结构传播中的频散现象，At的确定更为困难。（6）试验仿真试验仿真可以有自建模型模拟和用仿真软件①自建模型仿真 如下图建立石油管道泄漏声发射检测系统示意图，检测系统主要包括管道泄漏模型和声发射检测装置两个部分。AE登换器前置放大梏 主振幅器带通诡淀器|声发射捡测系统TOC\o"1-5"\h\z\] I压力我 &厂|_岐宠 |出水口I 石油管道成水口 O管道泄漏孔径：1.0mm,1.5mm,2.0mm,2.5mm。管道一端与扬程为55m的自吸泵相连，管道两端进出口处装有球阀，与进、出水管道相连。通过调节球阀开口大小，实现管道内水压的调节。传感器到泄漏孔的距离：50cm、100cm、150cm、200cm、300cm。有了以上试验装置，发射信号收集一信号放大一A/D采样输入计算机一进行波形分析(小波或者神经网络)一滤除杂波、噪声一统计出概率直方图一做出功率谱一泄漏信号时域波形图一泄漏信号奇异性定位一评价正确性。然后通过以上的数据处理的方法，检测一些是不是能都由波形准确的定位出泄漏的位置以及泄流量的大小，让后一此数据为准慢慢修正，找到最合适的数据处理方法。由于没有试验，就不分析了，这本文献上做的是清清楚楚。②SCADA系统模拟仿真系统作为输油管道控制和管理的工具，应完成准确地评价管道的过去、解释管道当前发生的事件、预测管道的未来等任务。采用的软件是专用于管道的实时模拟仿真软件，为操作调度人员提供调度和操作参考，并可为操作员的培训提供平台，以保证管道安全、平稳、高效、经济运行。该系统将在北京调度控制中心和廊坊备用调控中心的一台专用的服务器中运行。本工程中采用一套在线模拟仿真软件，它通过接口直接获取SCADA系统数据库中的实时数据，经计算将结果输出到SCADA系统数据库中，为调度及操作人员和SCADA系统提供所需的数据实际管道检测可以选择实际情况进行检测，这是每一种方法必须要经历的过程，因为最后总是要用到生产实际中去的，要选择一段输油管道，本方法不会对管道造成任何形式的伤害，所以比较容易的做到，可以积累一定数量的数据，来评价系统的可行性。其他定位方法：当然进行准确定位的不止是线定位一种，还有很多种，1基于信号幅度或功率衰减的定位、互相关定位、干涉式定位、神经网络定位、BP网络定位。后面两种都是才研究不久，是运用了人工智能方面的一些技术与成果，因成在智能化、自动化、等等方面有