管道泄漏次声波监测系统开发

朱卫东，蒋晓斌

1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459

2.中海油（天津）管道工程技术有限公司，天津 300452

1 硬件系统组成

管道泄漏次声波泄漏监测系统主要由次声波传感器、现场数据采集处理器、北斗/GPS双模校时模块以及监控主机构成[1-2]，其组成如图1所示。

其中，次声波传感器主要用于接收管道泄漏产生的次声波信号，并将接收到的次声波信号转换为电信号。次声波传感器选型时要考虑带宽、灵敏度、输出类型、量程、分辨率等参数。传感器一般安装在管道的两端，安装位置以及方向需考虑输送介质以及管道路由情况。

图1 管道泄漏次声波泄漏监测系统的组成示意

现场数据采集处理器用于将声波模拟信号转化成数字信号，再通过滤波等信号处理算法进行预处理，除去噪声和干扰信号。处理后的信号最终和GPS时钟信号一起通过网络传给监控主机。现场数据采集处理器通常集成在防爆箱中，由于数据采集处理器功耗很低，现场可以采用太阳能电池供电。

采用北斗/GPS双模校时模块保证了系统校时的可靠性，采用北斗/GPS双模接收器进行连接，通信模块的无线接收器安装在机柜内，数据采集模块采集到的数据通过无线通讯网络发送到监控主机。

监控主机上安装的管道泄漏监测系统为操作人员提供人机操作界面、报警显示和查询、数据存储和回读等功能平台，以声的方式进行泄漏时的报警和定位。

2 泄漏监测系统的开发

2.1 信号处理方法

由于管道泄漏所产生的信号具有一定的信噪比，因此为了提高被检测管道泄漏信号的信噪比，需要通过各种滤波变换对所获取的数据进行预处理，从而使经过处理的数据可以被计算机算法识别[3]。在实际应用中，通常根据管道信号的具体特征，选用一种或多种数据处理方法来达到提高被检测管道泄漏信号信噪比的目的。在本次试验过程中，通过采用声呐处理算法中常用的经验模态分解法，在信噪比较差的原始信号中提取出泄漏产生的次声波信号，为后继泄漏事件的识别定位提供良好的数据基础。

2.1.1 信号预处理方法

在获取数据以后，需要对数据进行预处理，主要是通过不同的算法、参数对数据进行滤波等处理，以找到最佳的信号频带、数据处理参数和算法[4]。

本阶段主要使用Matlab等数据处理平台。常用的数据处理方法有：小波变换能够提供一个随频率改变的“时间-频率”窗口，是进行信号时频分析和处理的理想工具。虽然小波变换可以更好地观察信号的局部特征，可以同时观察信号的时间和频率信息，但是也有冗余度很大的问题。而自适应异常信号检测法可以有效地弥补小波算法的一些不足。和常用的变换方法如FFT相比，小波的多分辨率分析由于具有良好的空间域和频率域局部化特性，因此用于信号处理时效果较好。数据经过预处理之后，根据结果可以选择合适的数据处理算法。预处理使用的算法通常需要根据实际工况设计算法代码，同时需要采集原始数据进行调试，以保证算法的正确性[5]。

通过采用上述算法，自行编制了软件进行信号处理。图2所示是一组预处理前后的次声信号波形对照图，采用算法处理后的次声波形明显比处理前具有更好的信噪比，更利于信号检测。

图2 预处理前后的次声信号波形

2.1.2 信号识别方法

管道在正常运行时，介质流动、工况操作、管道泄漏都会在管道内部产生声波。其中，介质流动产生的次声波信号能量较小，且波动趋近平稳，可视为背景噪声。信号识别的任务就是从管道次声波信号的背景噪声中检测出管道泄漏产生的次声波信号，并把信噪比同样明显的工况信号剔除。事实上，工况信号和泄漏信号在多个特征性能上有差别，因此只要提取出它们的特征参数，就能把工况信号和泄漏信号区分出来，从而提高系统的正确报警率。本系统采用支持向量机算法、朴素贝叶斯分类器，从而使其能够在信号样本数量足够的前提下，自动识别泄漏信号和工况信号，为自学习专家数据库提供数据。

管道内干扰信号较多，根据泄漏次声信号在管道内的传播特点，将异常信号按照检测时间进行排序，从中剔除不满足多分站同源信号关联条件的异常信号，从而提高识别率。根据工况信息，识别管道阀室的工况操作，可有效降低误报率。

系统通过储存各种次声信号，通过分析和归纳，形成专家数据库。专家数据库为信号的识别提供数据支持。

2.2 系统开发

自主编制泄漏监测软件系统，软件设计通过软件需求分析、开发计划、详细设计、代码编写、模块测试、集成调试等设计流程进行设计。在软件设计中采取了模块化的设计思想，将软件主要划分为主界面控制模块、通讯模块、数据处理模块、GIS模块、数据库模块、报警模块、波形数据显示模块等。

3 试验验证

（1）试验环路信息。为了检验开发系统的各项功能，在中海油能源发展股份有限公司装备分公司的试验环路上进行测试。管道试验环路各项信息如表1所示，试验环路如图3所示。

表1 管道试验环路信息

（2）试验测试要求。试验过程中，按照表2中设定的各项要求进行测试。

（3）测试仪器设备。在试验环路上安装φ2 in球阀，安装次声波传感器和布置分析处理装置，而后进行泄放测试。其中次声波传感器性能指标如下：灵敏度≥-195 dB，工作频段为次声频段（20 Hz以下），工作压力≤20 MPa，工作温度为-40～85℃。

图3 试验环路

表2 试验测试要求

（4）测试结果。测试中5 mm泄放孔径产生的次声波处理前及处理后的波形见图4。

经过对测试信号分析处理，并对软件系统进行改进完善，最终在D273 mm试验管道上进行测试，得到在1.5 MPa压力下的测试结果，见表3。

从表3可以看出，针对不同泄放孔径的泄漏测试，软件系统均实现了报警，响应时间小于10 s，定位精度较好，达到±20 m以内。

4 结束语

环路泄漏测试结果表明，管道泄漏次声波监测系统具有误报率低、定位准确等特点。在该系统的监控下，对管道泄漏事件及时采取有效维护措施能够有效避免和减少损失，保障管道生产安全。具体的研究结果及建议如下：

（1）研究的次声波泄漏监测系统可以用于输油或输气管道中，系统监测距离可以达到50 km，误报率、漏报率低，最小可以监测3 mm孔径的泄漏，定位误差可达±20 m以内。

（2）实际应用中可安装2支传感器或者形成传感器阵列，同时引入模式识别处理，加强背景噪声干扰的剔除，可以有效地降低误报率。

图4 5 mm泄放孔径产生的次声波处理前及处理后的波形

表3 水介质下泄漏试验结果

（3）低压力、小泄漏管道是次声波泄漏监测技术后期需要重点关注和攻克的难题。