《过程装备腐蚀与防腐》科技论文 指导老师：*** （2010下学期） 学院：化学化工学院 班级：过程装备与控制工程081班 姓名：罗 * 学号：********** 管道泄漏检测与精确定位 摘要：本文主要介绍了声波在检测管道泄漏方面的应用。国内外较为广泛

应用的管道测漏技术主要为负压波法和新声波法，在介绍声波法原理及发展趋势的基础上，对新声波法测漏技术的原理、系统配置、技术指标、关键技术、现场测漏试验及应注意的问题进行了分析，为国内管道测漏系统的开发提供了技术依据，也在泄露事故和防止盗油有实际意义。 Abstract: This paper mainly describes the acoustic detection application in

pipeline leaks. Suction wave and sound wave are widely used for detecting pipeline leaks. Base on the principle and the development trend of acoustic method, analysis for acoustic leak detection technology on the new principles, system configuration, technical indicators, key technologies, on-site leak testing and should pay attention to issues. provide a technical basis on pipeline leak detection system, and it is also meaningful to leak and prevent the Stolen oil and pipeline leaks.

关键词: 石油管道 管道泄漏 检测与定位 声发射检测 神经网络 小波分析 SCADA系统

一、管道泄漏检测与定位的意义： 管道运输已经是我国的主要运输手段之一，目前全国各地建成的各类输送管道长度已超过70 000 km。但是由于管道设备老化（腐蚀）和人为原因(施工、盗油和破坏等)还有防腐失效的影响 ,管道泄漏事故经常发生。比如最近发生的大连新港输油管道爆炸带来重大污染；英国石油公司可能在墨西哥湾出现的海底管道渗漏都是不仅造成大量的损失而已造成了严重的污染。。因此，及时对流体输送管道的泄漏进行检测和泄漏点的定位 ,防止泄漏事故进一步扩大 ,具有重要的经济效益和社会效益。 二、泄漏点检测常用方法和评测手段： (1) 目前广泛应用的是基于负压波和基于声波信号的泄漏检测与定位方法。当管道某处突然发生泄漏时 ,在泄漏处将产生瞬态压力下降 ,形成一个负压波 ,该波以1 000 m/ s的速度从泄漏点向两端传播然后根据压力信号分析，但是基于负压波的有几类共性的问题： ① 由于管道都是高压1—5 MP，所以对小泄露量和缓慢泄露（压力变化0.01MPa左右）不够灵敏和漏报比较普遍。 ② 这类系统抗工况绕道能力比较差，系统误报比较多。 如果一味的提高对小泄流量检测的灵敏度，会导致更多的误报，所以需要寻找一种更好的方法。 (2) 常用的检测方法。一类是外部环境检测，早期就是用人员的外部巡视法（比较原始）、油气敏线缆、检测光纤（PCS和光纤温度传感器）。另一类是管内流动状态检测，有基于模型、基于信号处理、基于模式和人工神经元网络的方法. (3)常用的评测方法 对一个实际的故障诊断系统，可以用以下性能指标加以评价：泄漏检测的灵敏度、泄漏点的定位精度、抗工况扰动能力、系统响应时间。 三、声发射检测技术的原理和优点： （1）声发射检测的原理 众所周知物体间的相互碰撞均会产生振动发出声音形成声波，声波不但能在空气中传播而且能在液体和固体中传播，声波在空气中传播时其传播速度仅为340m/s， 而声波在钢管中传播时其传播速度高达5000m/s以上 。通常，当管道内液体发生泄漏的瞬间，管道内的压力平衡被破坏，造成系统流体弹性压力的释放，引起瞬间声波震荡，在管道内 形成声场。泄漏产生的声波具有较宽的频谱，分布 在6-80k Hz之间。声波法是将泄漏时产生的噪声作为信号源，由声波传感器采集该信号，从而确定泄 漏位置和泄漏程度。 （2） 声发射检测法的优点 ① 在管道流量不稳定及停输等状态下，测漏性能不变，误漏报率低，适用于两相（油、水）或三相（油、气、水）流体。这一点就明显好于以广泛应用的负压波，它会造成压强的不稳定而出现过多的信号早上而极容易产生误报。 ②由于声波在钢管中的5000m/s以上的速度决定了这中检测方法的实时性，能在泄露或者是盗油才开始就可以发现，最大程度了保证损失的最小发生。 ③稍加改造可以实施监控，为了保证声波（应力波）信号的强度，可以在长距离管道上设置多分站，数据通过无线电传输，和GPS定位系统，数据经过定向天线处理后可以很容易的传入件事网络（这只是在交通部发达，偏僻的山村）可以不用电缆及光缆，还可以满足现场随时都可以有数据可以分析。可以节约大量的人力，财力，物力。 ④ 主要的设施安装在站内，安全性好，维护费用低， 操作简单，便于管理。而且准确率很高，高达90%，是公认的一种很好的微泄露检测方法。 （3）声发射检测技术的发展 前期声波法因监控距离短，管道泄漏时间和发现时间不同步， 定位误差较大， 难以确定泄漏的程度。另外，操作中需要较多的工作人员，在实际应用中受到很多限制。经改进后的声波法监控长度为60 km ，使用的GPS接受器具备发现时间和泄漏时间同步的功能。随着传感器灵敏度的提高，定位精度已达到30m 以内。该技术使用类似 “指纹识别” 的方式， 可将现场采集的各项参数与真实泄漏信号相对比，大幅度地减少误漏报率。改进后的声波测漏系统具有较高的测漏灵敏性和定位精度，所有参数可先行设定或自动校正得出，而且比前期声波法需用的人员少。

四、声发射检测系统的组成： （1）系统的体系结构 ①系统的拓扑结构：由检测仪表、信号的采集与传输装置（RTU）、GPS装置、通信网络、主计算机和客户端这五大部分构成。这样就把下游油泵站和上游油泵站和传感器以及客户控制端连接成了一个统一的整体 ②系统的网络结构：a.服务器不在操作站上时采用光纤局域网和无线电话网；电台、微波、和电话线点对点通信。 b. 服务器在操作站上时采用光纤局域网和无线电话网，用串口直接（232或者485协议）与服务器的RTU连接。 （2）系统的软件构架 ①RTU程序 先有采样程序实时采集各声音信号，然后用RTU通信程序将信号按照传输协议送到服务器程序， ②服务器程序 由主控模块、数据库模块、客户端模块、通信模块、组态功能模块、泄漏检测与定位算法模块构成 ③远程客户端程序 远程客户端上程序功能和主机服务器上的界面程序一样，可以在主机服务器允许的情况下通过ie浏览器直接访问服务器，可以实现远程控制和实现客户端界面程序所具有的一切功能。 （3）远程数据单元 远程数据单元RTU安装在油泵的两端。远程数据单元RTU主要有3个功能：多任务处理、信号采集和通信、对时。 （4）数据通信和GPS对时 管道泄漏定位的关键之一是将上下游同时刻的数据汇集到一起，用以得到声波信号的上下沿的准确的时间差，同步程度在一定程度上决定了定位的精度。所以GPS对时的主要目的是为了使上下游的数据得到很好的同步，这也是这一套检测系统比较精确的原因之一。

五、信号的采集、分析和准确的定位： (1)泄漏信号的产生 管道受内力或外力作用产生形变或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射。弹性波在结构中传播时携带有大量结构或材料缺陷处的信息，用仪器检测、分析声发射信号和利用声发射信号可以对结构或材料中的缺陷进行检测和定位。从严格意义上来说，泄漏所激发的应力波并不是声发射现象。因为在泄漏过程中，管壁本身不释放能量，但由于泄漏时，泄漏的液体与泄漏孔之间的相互作用也会在管道中激发出应力波，通过该应力波可以描述材料结构上的某种状况。所以从这个意义上说，管道泄漏在管道中激励出应力波也可以认为是一种声发射现象。 声发射信号具有很大的动力学范围，其位移幅度可以从1015到109，拥有10的六次方量级的变化范围。声发射信号产生的形式也是多种多样的，一般人为地将声发射信号分为突发型和连续型两类。如果信号是由区别于背景噪音的脉冲组成，且在时间上可以分开，那么这种信号就称为突发型信号；如果信号的单个脉冲不可分辨，这些信号就称为连续声发射信号。充液管道泄漏时将在管道上激发连续的声发射信号。 （2）信号的传播 ①信号在管道壁中的传播可以用圆管中的声波导波理论来描述：Pornloff和Sondhis根据质量、动量和能量守恒定律证明了圆管中声波的传播满足下述偏导方程组：

以上方程是在假设管壁上都不存在热传导和粘滞带来的损耗的前提下成立，但实际上管道泄漏时，产生的声波不光有轴向(纵向)模式的振波，还包括圆振和横振模式的波动；并且在液体或气体的流动过程中，不但有热能的损失，也有动能的损失，因此需要对方程进行修正。 ②均匀无损管道泄漏模型可简化成图2—3，当泄漏孔发生泄漏时，声信号分别向泄漏 孔的两端传播。 绝大多数对管道泄漏的试验研究都是在这种均匀管上进行的。实际上即便是绝对均匀的圆管，在使用过程中，也会由于压力变形、腐蚀不均等原因而变成非均匀的管，因而，这种模型对等截面的管道泄漏也并非完全的适用，但是我们可以用这种模型去近似实际的管道模型。

由此可见：理想的圆管泄漏模型可近似为时变的线性系统。在实际的检测中，理想的圆管并不存在，由于噪声、圆管的变形、泄漏孔型等因素的影响，使实际的管道模型非常复杂，很难建立其数学形式的模型，因此，现有的泄漏检测与定位方法几乎都是建立在信号的分析与处理基础上。 (3)信号的采集 信号采集也就是把声音信号转换为电信号。在声学测量中测量精度较高的通常是压强式，压强式传声器对声压的压强发生响应。它的结构很简单：在一密封腔上固定一个受声振膜 。空腔上有一小孔，它使腔内平均压强与周围大气压强保持平衡。当此装置放于空间时，如果声场不存在则腔内外压强相同，作用在膜片上的合力等于零，如有声波入射，则振膜在腔外的一面受到声压 p的作用，假设振膜的面积为 S，接收时对声场扰动不大，而膜片上声压是均匀分布的，则振膜上就产生合力：