负压波检漏技术在输气管线中的应用

张智

（中石油管道济南输油分公司，济南250014）

随着国内能源结构的不断优化，清洁高效的天然气在能源结构中所占的比例逐年加大，而天然气的管道输送是实现天然气有效利用的最佳途径。为此，国内近些年先后建设了西气东输、川气东送等大型管线。由于这些管线的跨越距离很长，沿途所经过的地形多变，相当大的一部分地区很难实现人工巡检。同时由于管线的腐蚀、老化及其他自然或人为损坏等原因，管线泄漏时有发生，给国家的财产造成巨大的损失，还会污染环境。因此，及时准确地发现管道的泄漏位置成为各油田及输气公司的重要工作内容之一。管道泄漏的检测方法主要有［1］：

a）基于模型的泄漏检测法。该方法需要建立复杂的管道运行数学模型，模型建立的准确程度将极大地影响泄漏检测和定位的精度。

b）基于信号的泄漏检测法。基于信号的检漏方法是建立在目前管道均采用SCADA系统的基础上，由于SCADA系统可准确地采集管道沿线的运行参数，该方法具有极高的精度和良好的发展前景。笔者所介绍的负压波检漏技术正是一种基于SCADA系统信号的泄漏检测法。

c）基于知识的泄漏检测法。该方法还处于探索阶段，很多检测的机理有待进一步的研究。

1 负压波检漏技术的基本原理

如果管道的某个位置发生了气体泄漏，便会在管道内外形成一定的压差，管道内部流体会迅速流出，在泄漏点位置引起压力突降。泄漏点周围的气体在压差的作用下会向泄漏点流动，形成一个以泄漏点为中心的压力波动，即负压波。负压波以一定的速度向泄漏点的两端传播，利用安装在管道两端的压力传感器可以检测到压力波动的信号，并根据两端传感器接收到负压波的时间差就可以找到泄漏点的位置，基本原理如图1所示。

图1 负压波检测原理

假定ta，tb为负压波传播到上下游传感器的时间，v1为负压波在气体中的传播速度，Δt为首末端传感器接收到负压波的时间差，Δt＝ta－tb，那么泄漏点的定位公式可表达为

由式（1）可以看出，要准确地找到泄漏点，关键在于确定负压波到达传感器两端的时间和对负压波传播时间的精确计算。

2 负压波检漏技术存在的主要问题

a）负压波检漏技术通常将负压波在输气管道中的传播速度确定为一个定值，即认为负压波在输气管道中的传播速度一般为声波在输送气体介质中的传播速度。而在实际运行的管线中，该传播速度与气体介质的密度、压力、比热和管道的材质及传输介质的流速等有关，不是定值。因此，利用式（1）进行定位必然会带来较大的定位误差。

b）管线运行的环境中不可避免地存在一些干扰，如电磁干扰、泵的振动、工况变化等因素。因此，由传感器采集到的压力信号附有大量的噪声，这使得精确识别压力突降点变得非常困难。压力突降点的准确识别一方面决定了泄漏检测的灵敏度和可靠性，另一方面决定了Δt的精度，从而影响定位精度。因此，要做到对泄漏点的准确检测与定位，必须解决以上问题。

3 负压波检漏技术的优化

a）负压波在天然气管道中的传播速度，传统上被认为是声波在介质中的传播速度，它是一个定值。实际中由于系统状态、工况等随时在发生变化，负压波的传播速度绝非一成不变。因此，采用此值进行定位必然会带来较大的定位误差。根据能量守恒原理，负压波传播速度可表示为［2］

式中，v——负压波波速，m／s；αp——气体压缩系数，Pa－1；ρ——气体密度，kg／m3；D——管道内径，m；E——管道弹性模量，Pa；e——管壁厚度，m。对于E很大或e很大的刚性管壁，D／（Eαp·e）一般为10－3甚至更小的数量级，在实际应用中，天然气传输管道恰好具有此特性，故在满足精度要求情况下式（2）又可适当简化为：

由此可见，压力波的传播速度主要与流体密度和压缩系数相关。众所周知，气体密度受压力和温度影响很大，而气体的压缩系数也与这两个物理量有很大关系。随着输气工艺的发展，天然气的管道输送正朝着大口径、高压力的方向发展；加之传输管道距离长，温度变化也不可忽略。因此，压力波速的研究必须考虑压力、温度对流体密度和压缩系数的影响。

b）定位公式的修正。考虑管内气体流速对压力波速的影响，上游实际接收到的压力波传播速度为v－u，下游为v＋u，故：

式中：u——气体流速，m／s，计算时可采用气体的平均流速。由式（1）得修正后的定位公式为

由于系统的所有数据都由计算机进行采集和处理，故式（6）又可写为

式中：ts——采样时间，s；Δd——奇异点的位置差，m。

4 噪声消除及压力突降点的捕捉

4.1 小波消噪

在实际泄漏检测定位中，必须准确地获取到由于管道泄漏所引起的压力突降特征点，才能精确地确定泄漏点，得出负压波传播到首末端传感器的时间差，从而提高负压波检漏技术的可靠性、灵敏性和精确性。但是由于在管道运行的现场必然会存在电磁干扰、泵的振动等影响检测灵敏性的因素，传感器获得的声信号就含有大量噪声。因此，如何在繁复的声信号中准确地找到标识压力突降点的信号是负压波检漏技术的关键点。为了很好地解决这个问题，大多数检漏采用小波变换技术，该技术具有良好的消噪能力和时频局域特性，可以很好地对附加有其他噪声信号的负压波信号进行消噪处理和奇异点的识别。在传感器获得的信号中，有用的负压波等信号通常表现为一些变化比较平稳的信号或者低频信号，而噪声信号则通常表现为高频信号。

小波变换技术的基本消噪原理：可对传感器获取的复合信号进行逐层的小波分解，将高频区域的噪声信号逐渐消除，再以门限阀值等形式对小波系数进行处理，最后对所得到的信号记性重构，从而得到去除了噪声的有用信号。小波变换技术最关键的一环就是如何选取阀值和对阀值进行量化处理，得到显示压力突降的负压波信号，它直接关系到信号处理的质量。

小波降噪处理方法：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。

4.2 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2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Lips2chitz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，而信号边缘对应的Lipschitz指数大于或等于0，因而利用小波变换可以区分噪声和信号边缘，有效地检测出强噪声背景下的信号边缘。

5 仿真验证

采用上述检漏优化算法对某输气管道的漏点进行了仿真计算，管道数据如下：管道全长L＝170km，管道规格650mm×8.8mm，首端压力9MPa，温度为50℃，末端压力为5.6MPa，温度为30℃，假定管道在30.5，100.7，155.2km处发生泄漏，具体的仿真结果见表1所列。

表1 某输气管道检测数据优化比较

由仿真结果可见，与原始算法相比，优化算法明显地提高了漏点定位的精度。

6 结束语

笔者研究了负压波法在天然气输气管道泄漏检测与定位应用中存在的问题，分析了在输气管道中影响负压波传播速度的因素，修正了定位公式，同时利用小波技术对泄漏信号进行了消噪并捕捉了压力突降点，从而提高了检测与定位的精度，仿真实验证明了改进方法的有效性。

［1］ 陈华波，涂亚庆.输油管道泄漏检测方法综述［J］.管道技术与设备，2000，50（01）：38－41.

［2］ 邓鸿英，王毅.负压波管道泄漏检测与定位技术［J］.油气储运，2003，22（07）：30－33.

［3］ 郑杰，吴荔清，刘润华，等.输油管道泄漏自动检测装置的研制［J］.遥测遥控，2001，22（03）：45－47.

［4］ 杨军.油气管道泄漏检测方法研究［D］.北京：清华大学，1994.

［5］ 杨建国，张兆营，鞠晓丽，等.工程流体力学［M］.北京：北京大学出版社，2010.

［6］ 勒世久.瞬态负压波结构模式识别法原油管道泄漏检测技术［J］.电子测量与仪器学报，1998，12（01）：19－23.

［7］ 杨理践，景晓斐，宫照广，等.输气管道音波泄漏检测技术的研究［J］.沈阳工业大学学报，2007，29（01）：70－73.