原油管道運輸在世界經(jīng)濟中起到重要的作用,但是由于管道老化、泥石流、打孔盜油等諸多原因,輸油管道經(jīng)常發(fā)生泄漏。不管是從社會和經(jīng)濟的角度還是從環(huán)保和能源的角度來看,管道泄漏的監(jiān)測和定位都是非常必要的。

　管道泄漏檢測技術(shù)發(fā)展至今,已經(jīng)涌現(xiàn)出許多方法,大體上可以分成基于硬件的方法和基于軟件的方法兩類。基于硬件的檢測方法主要有:直接觀察法、泄漏檢測電纜法、示蹤劑檢測法和光纖泄漏檢測法,其中基于光纖傳感器的管道泄漏檢測方法越來越受到人們的重視。基于軟件的管道泄漏檢測方法主要有:負(fù)壓波法、壓力梯度法、實時模型法、質(zhì)量平衡法、統(tǒng)計決策法、應(yīng)力波法和聲發(fā)射法,其中,由于負(fù)壓波法只需要在管道兩端安裝壓力變送器,具有儀表施工量小、成本低、安裝、維護方便的特點,因此得到了廣泛應(yīng)用。

　但是,目前各種管道泄漏檢測技術(shù)都沒能很好地解決泄漏檢測響應(yīng)速度、系統(tǒng)魯棒性和可靠性、泄漏檢測靈敏度、定位精度和系統(tǒng)成本之間的關(guān)系,其關(guān)鍵問題是沒能很好地解決泄漏檢測靈敏度和減少泄漏誤報之間的矛盾。究其原因是泄漏檢測和定位技術(shù)缺乏自適應(yīng)性,而且泄漏檢測系統(tǒng)的性能很大程度上取決于數(shù)據(jù)采集儀表 的精度和分辨能力,從而可靠性和魯棒性差。

　但是,在目前的泄漏檢測和定位方法中,尚沒有一種方法既能保留負(fù)壓波法所采用的壓力變送器那樣施工量小、成本低、安裝維護方便的優(yōu)點,又具有泄漏檢測靈敏度高、泄漏點定位,同時具有自適應(yīng)檢測能力的管道泄漏檢測與定位方法。

　只有在保留泄漏檢測儀表施工量小、成本低、安裝、維護方便的前提下,在提高檢測儀表的靈敏度的基礎(chǔ)上,解決了泄漏檢測和定位的自適應(yīng)性問題,才能進一步解決管道泄漏檢測靈敏度和降低誤報率之間的矛盾,從而使系統(tǒng)穩(wěn)定、魯棒和靈敏。

　基于壓電式動態(tài)壓力變送器信號特征的管道泄漏檢測

　1、基于壓電式動態(tài)壓力變送器的泄漏信號特征

　對實測信號分析表明,基于壓電式動態(tài)壓力變送器的長輸管道泄漏檢測,其泄漏信號的特征主要體現(xiàn)在動態(tài)壓力信號中特定頻率點的功率譜、信號能量及信號幅值3個特征量。因為功率譜和信號能量兩個特征量*可以由動態(tài)壓力信號分析獲得,所以系統(tǒng)僅需要采集動態(tài)壓力信號,無需沿管線逐個安裝測量和通信模塊,不會造成成本的提高。

　這里所指的信號功率譜,是指特定頻率點的功率譜。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時,特定頻率點(0.3904Hz)的信號功率譜會出現(xiàn)異常增大。信號能量是基于壓電傳感器的特性提出來的。當(dāng)壓電傳感器沒有受到外界擾動時,其輸出信號為零,一旦有外界力的作用,其信號會發(fā)生正負(fù)相間的上下波動。對實測信號分析表明,基于壓電傳感器的管道動態(tài)壓力信號的分布大致服從均值為零、方差為o2的高斯分布。

　圖5是管道發(fā)生泄漏前后信號功率譜的對比圖,圖6是一定時間間隔內(nèi)各區(qū)間(256點數(shù)據(jù))特定頻率點的功 率譜極值的對比圖。

　圖7為圖4所示信號泄漏發(fā)生前后的順序能量比率圖。由于動態(tài)壓力信號可以分為正負(fù)相間的上下波動的一個個區(qū)間,定義信號幅值為負(fù)的區(qū)間信號能量之和為負(fù),定義信號幅值為正的區(qū)間信號能量之和為正,順序能量比率圖就是反映當(dāng)前區(qū)間能量與一段時間以來信號能量之和的比例,它是一個相對量。由這些圖可以發(fā)現(xiàn),發(fā)生泄漏前后,特定頻率點的功率譜對比、信號波形對比及順序能量比率對比非常明顯。圖中信號能量采用的是單位信號平均量,即單個采樣點的平均信號能量。由于不同的首、末站壓力條件下,不同位置的泄漏信號傳遞到泄漏監(jiān)測儀的信號形狀差異很大,用單位信號能量能夠比較全面地反映泄信號的各個特征,它們比用波峰、波谷等參數(shù)進行模式識別方法更簡單、實用、方便。

　2、基于壓電式動態(tài)壓力變送器的管道泄漏檢測

　基于壓電式動態(tài)壓力變送器的管道泄漏檢測,采用順序能量比率結(jié)合信號功率譜的3o檢驗法進行。其具體策略是:根據(jù)泄漏檢測分辨率要求設(shè)定一個順序能量比率的閾值(符號為負(fù),表示信號幅值為負(fù)的下跳信號),一旦某個區(qū)間的順序能量比率超過這個閾值,并且其功率譜和單位信號能量都符合3o檢驗準(zhǔn)則,則可以判斷管道發(fā)生了泄漏。泄漏位置(泄漏信號到達上、下游的時間差△t)的確定采用相關(guān)方法來實現(xiàn)。

根據(jù)上述方法對同一位置的7個管道泄漏模擬信號進行了泄漏檢測、定位分析,結(jié)果如表1所示(表中是相對于同一GPS時間的時間偏移量)。管道運行工況為:首站工作壓力為1.8MPa,末站為0.2MPa。一個10mm直徑的孔用于泄漏模擬,動態(tài)壓力變送器的采樣周期為10ms。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以算出時間差的平均值為38.79s,其中zui大的泄漏信號傳播時間差值為0.240s,即zui大定位誤差約為120m。