原油管道運(yùn)輸在世界經(jīng)濟(jì)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(huì)和經(jīng)濟(jì)的角度還是從環(huán)保和能源的角度來(lái)看,管道泄漏的監(jiān)測(cè)和定位都是非常必要的。

　管道泄漏檢測(cè)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(lèi)。基于硬件的檢測(cè)方法主要有:直接觀察法、泄漏檢測(cè)電纜法、示蹤劑檢測(cè)法和光纖泄漏檢測(cè)法,其中基于光纖傳感器的管道泄漏檢測(cè)方法越來(lái)越受到人們的重視。基于軟件的管道泄漏檢測(cè)方法主要有:負(fù)壓波法、壓力梯度法、實(shí)時(shí)模型法、質(zhì)量平衡法、統(tǒng)計(jì)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(hù)方便的特點(diǎn),因此得到了廣泛應(yīng)用。

　但是,目前各種管道泄漏檢測(cè)技術(shù)都沒(méi)能很好地解決泄漏檢測(cè)響應(yīng)速度、系統(tǒng)魯棒性和可靠性、泄漏檢測(cè)靈敏度、定位精度和系統(tǒng)成本之間的關(guān)系,其關(guān)鍵問(wèn)題是沒(méi)能很好地解決泄漏檢測(cè)靈敏度和減少泄漏誤報(bào)之間的矛盾。究其原因是泄漏檢測(cè)和定位技術(shù)缺乏自適應(yīng)性,而且泄漏檢測(cè)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(cè)和定位方法中,尚沒(méi)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(hù)方便的優(yōu)點(diǎn),又具有泄漏檢測(cè)靈敏度高、泄漏點(diǎn)定位,同時(shí)具有自適應(yīng)檢測(cè)能力的管道泄漏檢測(cè)與定位方法。

　只有在保留泄漏檢測(cè)儀表施工量小、成本低、安裝、維護(hù)方便的前提下,在提高檢測(cè)儀表的靈敏度的基礎(chǔ)上,解決了泄漏檢測(cè)和定位的自適應(yīng)性問(wèn)題,才能進(jìn)一步解決管道泄漏檢測(cè)靈敏度和降低誤報(bào)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(dòng)態(tài)壓力變送器信號(hào)特征的管道泄漏檢測(cè)

　1、基于壓電式動(dòng)態(tài)壓力變送器的泄漏信號(hào)特征

　對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)分析表明,基于壓電式動(dòng)態(tài)壓力變送器的長(zhǎng)輸管道泄漏檢測(cè),其泄漏信號(hào)的特征主要體現(xiàn)在動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)中特定頻率點(diǎn)的功率譜、信號(hào)能量及信號(hào)幅值3個(gè)特征量。因?yàn)楣β首V和信號(hào)能量?jī)蓚€(gè)特征量*可以由動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)分析獲得,所以系統(tǒng)僅需要采集動(dòng)態(tài)壓力信號(hào),無(wú)需沿管線逐個(gè)安裝測(cè)量和通信模塊,不會(huì)造成成本的提高。

　這里所指的信號(hào)功率譜,是指特定頻率點(diǎn)的功率譜。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí),特定頻率點(diǎn)(0.3904Hz)的信號(hào)功率譜會(huì)出現(xiàn)異常增大。信號(hào)能量是基于壓電傳感器的特性提出來(lái)的。當(dāng)壓電傳感器沒(méi)有受到外界擾動(dòng)時(shí),其輸出信號(hào)為零,一旦有外界力的作用,其信號(hào)會(huì)發(fā)生正負(fù)相間的上下波動(dòng)。對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)分析表明,基于壓電傳感器的管道動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)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(hào)功率譜的對(duì)比圖,圖6是一定時(shí)間間隔內(nèi)各區(qū)間(256點(diǎn)數(shù)據(jù))特定頻率點(diǎn)的功 率譜極值的對(duì)比圖。

　圖7為圖4所示信號(hào)泄漏發(fā)生前后的順序能量比率圖。由于動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)可以分為正負(fù)相間的上下波動(dòng)的一個(gè)個(gè)區(qū)間,定義信號(hào)幅值為負(fù)的區(qū)間信號(hào)能量之和為負(fù),定義信號(hào)幅值為正的區(qū)間信號(hào)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(shí)間以來(lái)信號(hào)能量之和的比例,它是一個(gè)相對(duì)量。由這些圖可以發(fā)現(xiàn),發(fā)生泄漏前后,特定頻率點(diǎn)的功率譜對(duì)比、信號(hào)波形對(duì)比及順序能量比率對(duì)比非常明顯。圖中信號(hào)能量采用的是單位信號(hào)平均量,即單個(gè)采樣點(diǎn)的平均信號(hào)能量。由于不同的首、末站壓力條件下,不同位置的泄漏信號(hào)傳遞到泄漏監(jiān)測(cè)儀的信號(hào)形狀差異很大,用單位信號(hào)能量能夠比較全面地反映泄信號(hào)的各個(gè)特征,它們比用波峰、波谷等參數(shù)進(jìn)行模式識(shí)別方法更簡(jiǎn)單、實(shí)用、方便。

　2、基于壓電式動(dòng)態(tài)壓力變送器的管道泄漏檢測(cè)

　基于壓電式動(dòng)態(tài)壓力變送器的管道泄漏檢測(cè),采用順序能量比率結(jié)合信號(hào)功率譜的3o檢驗(yàn)法進(jìn)行。其具體策略是:根據(jù)泄漏檢測(cè)分辨率要求設(shè)定一個(gè)順序能量比率的閾值(符號(hào)為負(fù),表示信號(hào)幅值為負(fù)的下跳信號(hào)),一旦某個(gè)區(qū)間的順序能量比率超過(guò)這個(gè)閾值,并且其功率譜和單位信號(hào)能量都符合3o檢驗(yàn)準(zhǔn)則,則可以判斷管道發(fā)生了泄漏。泄漏位置(泄漏信號(hào)到達(dá)上、下游的時(shí)間差△t)的確定采用相關(guān)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)上述方法對(duì)同一位置的7個(gè)管道泄漏模擬信號(hào)進(jìn)行了泄漏檢測(cè)、定位分析,結(jié)果如表1所示(表中是相對(duì)于同一GPS時(shí)間的時(shí)間偏移量)。管道運(yùn)行工況為:首站工作壓力為1.8MPa,末站為0.2MPa。一個(gè)10mm直徑的孔用于泄漏模擬,動(dòng)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(shí)間差的平均值為38.79s,其中zui大的泄漏信號(hào)傳播時(shí)間差值為0.240s,即zui大定位誤差約為120m。