天然气管道泄漏声波检测原理及定位方法

崔勋杰

（1. 西安石油大学，陕西 西安 710065； 2. 山西省国新能源发展集团有限公司，山西 太原 030006）

天然气输送管道在生产制作过程中难眠会存在一些小的缺陷，使用使用后，在循长时间的运转荷载作用下，以及在输送的天然气高温和腐蚀的环境中，造成腐蚀并逐渐加重，最终导致管道破损泄漏事故的发生，造成经济损失，甚至对人民生命安全构成威胁[1]。长距离输管道输送天然气时，由于输送管线可能在荒野或者居民区，一旦发生管道破损天然气泄漏事故，除了影响正常的生产外，因天然气的流失造成直接经济损失，甚至诱发火灾以及环境污染等严重后果[2]。因此，管道泄漏检测是一个持续的、刻不容缓的工作。同时能快速发现天然气管道泄漏的准确位置，并采取相应的措施来及时控制事故发生。

以往管道泄漏检测方法侧重于硬件方面，如磁力探伤法、管内探测球法、分段试压法等[3]。随着计算机技术在各领域的广泛应用及现代控制理论的进步，近几年逐步发展到以软件为主，软硬件结合的新检漏方法。例如泄漏声波法，负压力法、基于参数估计的方法、互相关法、频率响应法等[4]。

根据泄漏管道产生的泄漏声波信号，构建出基于虚拟仪器技术的管道泄漏点检测定位系统。为了较为准确的实现泄漏点定位，首先分析了输气管道泄漏声波的产生机理以及传播机理，进一步制定相应的合适的检测方案，最终根据此方案实现定位。

1 管道泄漏声波传播机理

管道内输送的气体泄漏时，将打破输气管道中正常压力平衡，管道系统内流体弹性能释放，将会引起瞬间振荡同时产生声波，泄漏声波由气体泄漏的激动能量产生，为持续发射的信号。管道壁破裂而产生的声波激动信号频率最高可达几百千赫。泄漏声波中高频成分绝大多数是在175～750 kHz之间[5]。泄漏声波信号在以管道为介质传播时能反映管道结构的特征，能较为敏感的反应出泄漏处孔径、泄漏位置、泄漏流量大小等。因声波能量的传播在固体介质要更容易于液体和气体介质，因此一般来说，管道内气体传输信号要比管道壁传输信号的频率低而且速度慢。

声波探测传感器记录和输出的声波电信号波形波动不定，与源信号真实情况相比差别较大时，主要受泄漏源到传感器的传播路径、传感器自身质量、泄漏声波特性(激动信号特征)、传播过程环境噪声和泄漏检测系统精密度等复杂因素的影响。同时随着时间的变化，均值、方差、均方根值等泄漏声波信号的统计参数将会发生改变。因此实际发生过程，泄漏声波信号为非平稳随机信号。

波形振幅与输送的气体特性、管道内压力以及漏点孔径大小有关。泄漏点所产生的泄漏信号压力如下式1：

式中：ΔP——声波信号压力；

Ps——泄漏点静态压力；

D1——泄流点孔径；

D2——管道直径。

粘滞吸收系数a与频率的平方成正比，通过管内流动方程组可求出声波衰减系数（粘滞吸收系数a和音速c）为:

式中：ρ0——不可压缩气田密度；

ρ——压缩后气田密度；

ω——声波角频率；

μ——黏度系数；

r——管道半径。

低频声波能在气体中传播距离较远，声波管道管壁中传播的速度由传播介质的可压缩性决定。若管道直径较大，则管壁对声波的速度的影响较小，声波的传播与在开阔地传播情况基本一样。

声波传播速度与传播介质的温度、密度、质点速度和单位面积压强等因素有关。管道破损突发泄漏时，破损处管道孔内外存在压差，流体从泄漏段迅速流失，引起管道内破损点附近流体压力迅速下降，因此破损点附近流体受压差作用而向泄漏点处补充。此过程逐渐依次传递声波能量，可认为泄漏点处产生的声波，且声波在不同传播介质的传播速度有明显差异。同时，声波在不同介质的传播过程存在衰减情况不同。在不同的影响因素中，温度对声波传播的影响更为剧烈。据以往统计分析，温度每上升十摄氏度，声波在以水为介质的传播过程，传播速度每秒增大近4.58 m。

2 常用监测方法

按照检测方式区别，管道泄漏的检测方法主要分为直接检测法和间接检测法。

2.1 直接检测法

（1）检测元件法。利用某些材料随它所接触物质而特性变化的特征，制作做成敏感检测元件。

（2）机载红外线法。利用无人机或小型飞机架设红外线探测摄像机沿着输气管道上空飞行，分析输送管道与周围环境温差成像，并根据成像结果判断管道是否有破损泄漏。

（3）气体检测法。沿天然气管道检测有无可燃性气体来判断是否泄漏。短距离输送管道常采用此法检漏，但需要人员进行时常巡视，因存在巡视周期，故不能第一时间发现泄漏。

2.2 间接检测法

（1）基于声发射检测。声发射是材料或结构受内外力作用产生形变时，释放出以弹性波形式的应变能的现象。

（2）基十神经网络的检漏方法。该方法不同于以往的管道流动模型检漏方法，具有能够利用自适应能力适应管道各种工况的特点，分析识别管道运行状况。

（3）负压波检漏法。管道泄漏时泄漏点附近压力下降并向四周扩散，因此利用管道泄露点附近的压力传感器所检测到的压力变化来进行检漏和定位。

3 声波监测定位原理及方法

3.1 声波泄漏检测原理

声波检测的原理是利用声波传感器检测来自以管道为介质传播的声波信号，进行泄漏信号的检测和泄漏点的定位。实施过程为在管道上相隔一定的距离设置两个声波传感接收器，当管道某处发生泄漏后，声波传感接收器分别在T1和T2时刻检测泄漏声波信号，根据两个时刻所监测到的信号差，来确定管道是否有泄漏的发生，以及泄漏发生位置[6]。

3.2 管道泄漏定位方法

假设管道在某处发生泄漏，出现的泄漏声波以速度v向泄漏点周缘传播，分别在T1和T2时刻被两个传感器所捕获。根据互相关的公式4：

式中：T——泄漏声波信号在两个传感器之间传播周期，T=L/v；

q1（t）和q2（t）——两个传感器检测到泄漏的信号。

获得检测数据最大值，就能够确定泄漏信号到达两个传感接收器的时间差。求取函数r12（t）极大值及极大值对应的to即可进行检漏检测和定位，见式5。

目前在计算机内完全可以实现相关模拟分析，将记录下的声波信号进行相关计算。

4 结 语

介绍了目前国内常见的天然气管道泄漏检测和定位的方法，重点分析了声波泄漏定位检测技术原理及方法，并利用此方法解决天然气管道的泄漏检测与定位问题，实践应用效果较好，满足巡检需求。

［1］方崇智.基于现代理论的长输管道自动检测[J]. 油气储运，2004，(6):7-10.

［2］邓鸿英，王毅.负压波管道泄漏检测与定位技术[J].油气储运，2003，22(7) :30-33.

［3］张云飞. 检漏技术在城市燃气中的应用[J].上海煤气，2007 (2):18-19.

［4］聂伟荣，朱继南. 管道泄漏检测技术及其发展[J]. 信息与控制，2003(8) :78-80.

［5］王信，刘建国，马尾东.国内外管道泄漏检测技术进展[J]. 化工设备与防腐蚀，2003(5): 49-52.

［6］丁辉，王立，张贝克. 现代管道泄漏检测技术[J]. Modern Scientific Instrnments，2005 (6): 11-13.