天然氣管道泄漏聲波檢測原理及定位方法

崔勛杰

（1. 西安石油大學，陜西 西安 710065； 2. 山西省國新能源發展集團有限公司，山西 太原 030006）

天然氣輸送管道在生產制作過程中難眠會存在一些小的缺陷，使用使用后，在循長時間的運轉荷載作用下，以及在輸送的天然氣高溫和腐蝕的環境中，造成腐蝕并逐漸加重，最終導致管道破損泄漏事故的發生，造成經濟損失，甚至對人民生命安全構成威脅[1]。長距離輸管道輸送天然氣時，由于輸送管線可能在荒野或者居民區，一旦發生管道破損天然氣泄漏事故，除了影響正常的生產外，因天然氣的流失造成直接經濟損失，甚至誘發火災以及環境污染等嚴重后果[2]。因此，管道泄漏檢測是一個持續的、刻不容緩的工作。同時能快速發現天然氣管道泄漏的準確位置，并采取相應的措施來及時控制事故發生。

以往管道泄漏檢測方法側重于硬件方面，如磁力探傷法、管內探測球法、分段試壓法等[3]。隨著計算機技術在各領域的廣泛應用及現代控制理論的進步，近幾年逐步發展到以軟件為主，軟硬件結合的新檢漏方法。例如泄漏聲波法，負壓力法、基于參數估計的方法、互相關法、頻率響應法等[4]。

根據泄漏管道產生的泄漏聲波信號，構建出基于虛擬儀器技術的管道泄漏點檢測定位系統。為了較為準確的實現泄漏點定位，首先分析了輸氣管道泄漏聲波的產生機理以及傳播機理，進一步制定相應的合適的檢測方案，最終根據此方案實現定位。

1 管道泄漏聲波傳播機理

管道內輸送的氣體泄漏時，將打破輸氣管道中正常壓力平衡，管道系統內流體彈性能釋放，將會引起瞬間振蕩同時產生聲波，泄漏聲波由氣體泄漏的激動能量產生，為持續發射的信號。管道壁破裂而產生的聲波激動信號頻率最高可達幾百千赫。泄漏聲波中高頻成分絕大多數是在175～750 kHz之間[5]。泄漏聲波信號在以管道為介質傳播時能反映管道結構的特征，能較為敏感的反應出泄漏處孔徑、泄漏位置、泄漏流量大小等。因聲波能量的傳播在固體介質要更容易于液體和氣體介質，因此一般來說，管道內氣體傳輸信號要比管道壁傳輸信號的頻率低而且速度慢。

聲波探測傳感器記錄和輸出的聲波電信號波形波動不定，與源信號真實情況相比差別較大時，主要受泄漏源到傳感器的傳播路徑、傳感器自身質量、泄漏聲波特性(激動信號特征)、傳播過程環境噪聲和泄漏檢測系統精密度等復雜因素的影響。同時隨著時間的變化，均值、方差、均方根值等泄漏聲波信號的統計參數將會發生改變。因此實際發生過程，泄漏聲波信號為非平穩隨機信號。

波形振幅與輸送的氣體特性、管道內壓力以及漏點孔徑大小有關。泄漏點所產生的泄漏信號壓力如下式1：

式中：ΔP——聲波信號壓力；

Ps——泄漏點靜態壓力；

D1——泄流點孔徑；

D2——管道直徑。

粘滯吸收系數a與頻率的平方成正比，通過管內流動方程組可求出聲波衰減系數（粘滯吸收系數a和音速c）為:

式中：ρ0——不可壓縮氣田密度；

ρ——壓縮后氣田密度；

ω——聲波角頻率；

μ——黏度系數；

r——管道半徑。

低頻聲波能在氣體中傳播距離較遠，聲波管道管壁中傳播的速度由傳播介質的可壓縮性決定。若管道直徑較大，則管壁對聲波的速度的影響較小，聲波的傳播與在開闊地傳播情況基本一樣。

聲波傳播速度與傳播介質的溫度、密度、質點速度和單位面積壓強等因素有關。管道破損突發泄漏時，破損處管道孔內外存在壓差，流體從泄漏段迅速流失，引起管道內破損點附近流體壓力迅速下降，因此破損點附近流體受壓差作用而向泄漏點處補充。此過程逐漸依次傳遞聲波能量，可認為泄漏點處產生的聲波，且聲波在不同傳播介質的傳播速度有明顯差異。同時，聲波在不同介質的傳播過程存在衰減情況不同。在不同的影響因素中，溫度對聲波傳播的影響更為劇烈。據以往統計分析，溫度每上升十攝氏度，聲波在以水為介質的傳播過程，傳播速度每秒增大近4.58 m。

2 常用監測方法

按照檢測方式區別，管道泄漏的檢測方法主要分為直接檢測法和間接檢測法。

2.1 直接檢測法

（1）檢測元件法。利用某些材料隨它所接觸物質而特性變化的特征，制作做成敏感檢測元件。

（2）機載紅外線法。利用無人機或小型飛機架設紅外線探測攝像機沿著輸氣管道上空飛行，分析輸送管道與周圍環境溫差成像，并根據成像結果判斷管道是否有破損泄漏。

（3）氣體檢測法。沿天然氣管道檢測有無可燃性氣體來判斷是否泄漏。短距離輸送管道常采用此法檢漏，但需要人員進行時常巡視，因存在巡視周期，故不能第一時間發現泄漏。

2.2 間接檢測法

（1）基于聲發射檢測。聲發射是材料或結構受內外力作用產生形變時，釋放出以彈性波形式的應變能的現象。

（2）基十神經網絡的檢漏方法。該方法不同于以往的管道流動模型檢漏方法，具有能夠利用自適應能力適應管道各種工況的特點，分析識別管道運行狀況。

（3）負壓波檢漏法。管道泄漏時泄漏點附近壓力下降并向四周擴散，因此利用管道泄露點附近的壓力傳感器所檢測到的壓力變化來進行檢漏和定位。

3 聲波監測定位原理及方法

3.1 聲波泄漏檢測原理

聲波檢測的原理是利用聲波傳感器檢測來自以管道為介質傳播的聲波信號，進行泄漏信號的檢測和泄漏點的定位。實施過程為在管道上相隔一定的距離設置兩個聲波傳感接收器，當管道某處發生泄漏后，聲波傳感接收器分別在T1和T2時刻檢測泄漏聲波信號，根據兩個時刻所監測到的信號差，來確定管道是否有泄漏的發生，以及泄漏發生位置[6]。

3.2 管道泄漏定位方法

假設管道在某處發生泄漏，出現的泄漏聲波以速度v向泄漏點周緣傳播，分別在T1和T2時刻被兩個傳感器所捕獲。根據互相關的公式4：

式中：T——泄漏聲波信號在兩個傳感器之間傳播周期，T=L/v；

q1（t）和q2（t）——兩個傳感器檢測到泄漏的信號。

獲得檢測數據最大值，就能夠確定泄漏信號到達兩個傳感接收器的時間差。求取函數r12（t）極大值及極大值對應的to即可進行檢漏檢測和定位，見式5。

目前在計算機內完全可以實現相關模擬分析，將記錄下的聲波信號進行相關計算。

4 結 語

介紹了目前國內常見的天然氣管道泄漏檢測和定位的方法，重點分析了聲波泄漏定位檢測技術原理及方法，并利用此方法解決天然氣管道的泄漏檢測與定位問題，實踐應用效果較好，滿足巡檢需求。

［1］方崇智.基于現代理論的長輸管道自動檢測[J]. 油氣儲運，2004，(6):7-10.

［2］鄧鴻英，王毅.負壓波管道泄漏檢測與定位技術[J].油氣儲運，2003，22(7) :30-33.

［3］張云飛. 檢漏技術在城市燃氣中的應用[J].上海煤氣，2007 (2):18-19.

［4］聶偉榮，朱繼南. 管道泄漏檢測技術及其發展[J]. 信息與控制，2003(8) :78-80.

［5］王信，劉建國，馬尾東.國內外管道泄漏檢測技術進展[J]. 化工設備與防腐蝕，2003(5): 49-52.

［6］丁輝，王立，張貝克. 現代管道泄漏檢測技術[J]. Modern Scientific Instrnments，2005 (6): 11-13.