基于次聲波法的天然氣管道泄漏檢測

郭鵬 趙會軍 慈智 趙東升 彭浩平 周小星

1常州大學江蘇省油氣儲運重點實驗室 2常州大學江蘇省機械工程重點實驗室

1 泄漏檢測原理

當天然氣管道出現破裂時，天然氣會從破裂處泄漏出來，管內氣體的流動參數會隨之發生變化，該點處氣體的壓力降低，密度減小。在壓差的作用下，相鄰泄漏點的兩邊區域內的氣體會向泄漏點處流動，致使該區域內氣體的壓力和密度都會隨之減小，進而傳播到更遠處的區域，并向泄漏的區間補充，如此循環，形成次聲波，次聲波會順著管道向首、末站傳播[1]。將次聲波傳感器安裝在管道兩端，在線實時采集次聲波信號，提取特征量來判斷泄漏發生的位置。當管道發生泄漏時，會產生次聲波信號，此信號和正常信號都會被次聲波傳感器收集到，通過與正常的背景噪音比較，可以判斷泄漏是否發生。

確定泄漏發生后，由于泄漏產生的次聲波信號會向管道兩端傳播，根據次聲波信號傳播到管道起點和終點時間的差值和次聲波信號在管道中傳播的速度即可確定管道泄漏點的具體位置。具體步驟為：假設首站傳感器安放位置為點A，末站傳感器安放的位置為點B，AB點間的距離為L；泄漏點為C，AC點間的間距為x；一個泄漏點引起的次聲波信號從C點傳播到A點所用時間為t1，從C點傳播到B點所用時間為t2；v為次聲波信號在管道中傳播的速度，則可以得到下面的關系式

泄漏點的位置確定公式為

式中Δt是一個泄漏的次聲波信號分別到達首、末站時傳感器的時間差值。

2 檢測系統的硬件組成

次聲波泄漏檢測系統的硬件由次聲波傳感器、次聲測量網絡傳輸儀、GPS接收器和監控主機組成，如圖1所示[2]。

圖1 泄漏檢測系統的硬件組成

（1）次聲波傳感器。設計的泄漏檢測系統傳感器采用電容原理檢測流體管道中的次聲波換能（敏感）元件，具有靈敏度高、頻率響應寬、對振動不敏感等優點。

（2）次聲網絡傳輸儀。設計的泄漏檢測系統包含數字化網絡傳輸儀2臺，主要用于次聲波數據的采集與傳輸。數字化網絡傳輸儀是一個通用網絡遠程信號采集和數據傳輸的設備，其內含GPS模塊，數據采集時鐘與GPS同步，并可提供精確時鐘和經緯度數據。

（3）GPS接收器。用于首站跟末站時間的統一。

（4）監控主機。由計算機和數據采集卡組成，通過設計的檢測軟件對采集到的數據進行處理，判斷泄漏是否發生，并確定泄漏的具體地點。

3 泄漏檢測軟件的開發

Lab VIEW是一種圖形化語言，使用圖示的方式來撰寫程式，與傳統的文字形態語言相比較，Lab VIEW使用“資料流（dataflow）”的概念來呈現程式的執行順序。

在Lab VIEW的環境中，撰寫程式是透過一些工具與物件來完成的。撰寫的環境可以分為兩個部分：第一部分為“人機界面（FrontPanel）”，用來表示與人（操作者）有直接相關和互動關系的界面；第二部分為“程式方塊圖（Block Diagram）”，是用來撰寫程式的地方。

針對天然氣管道的泄漏，開發的泄漏檢測軟件系統包括數據采集模塊、數據預處理模塊、泄漏檢測和定位模塊3部分。Lab VIEW為用戶提供了多種用于數據采集的函數，如VIs和express VIs。其大體可以分為兩類，一類是traditoinalDAQVIs，另外一類是操作更為簡單的NI-DAQmx，這些函數主要位于函數模板中的measuremengI/O，insrrument I/O子模板中，本設計采用NI-DAQmx作為數據采集的函數。其泄漏點定位設計流程如圖2所示。

圖2 泄漏點定位設計流程

利用Lab VIEW的數據采集模塊后，首先對數據進行處理即去噪，Lab VIEW的前面板可以實時顯示原始信號和去噪后的信號，通過比較，實時觀察去噪效果。

處理完數據后，進入泄漏定位模塊。在該模塊中，首先通過檢測上下游信號，并結合相關分析法，得到相關函數，判斷信號中是否有突變的現象，由此判斷是否有泄漏發生。在該模塊中，確定泄漏信號到達上下游傳感器的時間差是一個重點，可通過相關函數求得，其從開始到達幅值的時間在理論上就等于泄漏信號到達上下游傳感器的時間差。然后，結合次聲波傳播速度，求得泄漏點位置。

4 泄漏檢測軟件的實際測試

選取某油田的天然氣管線對泄漏檢測軟件進行測試，確定軟件的實際應用效果。此段天然氣管線長3.13 km，管徑為DN300mm，其中外徑323.8mm，管壁厚為7.2mm，管端的壓力為0.75MPa。次聲波傳感器分別安裝在管線始、末端。在測試中，采取人為放氣來模擬管道的實際泄漏，為了將實際效果放大，放氣點取管道的終點B點，這樣就可以直接將起始點A點傳感器接收到的信號作為導入軟件的信號。

運用開發的泄漏檢測軟件對傳感器接收到的信號進行處理，對管道泄漏點進行定位分析。通過泄漏點的定位距離和泄漏點定位誤差的多組實際測試結果發現，天然氣管道的泄漏監測軟件的定位誤差最大值為60.488m，最小值為17.644m，定位的平均誤差為42.413 5 m，按照軟件設計指標的要求（定位誤差要求：小于等于天然氣管道長度×0.5%±50m）此輸氣管線的定位誤差應當小于等于65.65m，而所有的結果都在該設計指標的指定范圍之內，且效果優良。

5 結語

分析了次聲波法泄漏檢測的基本原理，以Lab VIEW為工具開發了次聲波法泄漏檢測軟件，并用此軟件對某油田的天然氣管線泄漏點進行實際定位。結果表明，通過軟件對采集到的次聲波信號進行處理后能快速而精確地確定泄漏點的具體位置。

[1]鄧文濤，張霆．長輸管道泄漏檢測方法[J]．中國西部科技，2009，8（12）：23-25．

[2]李銀凱，石剛，李劍．輸油管道泄漏檢測與定位系統升級改造[J]．油氣田地面工程，2011，30（11）：53-54.