Page 83 - 《应用声学》2020年第3期
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第 39 卷 第 3 期 李凤等： 天然气管道泄漏的声 -压耦合识别方法 403
0.015 的管道，工作介质为经干燥过滤后的压缩空
0 引言
气，工作压力选定 1.1 MPa。泄漏口设置在管道中
天然气管网是城市重要的基础设施，是社会生 间位置处，连接 MEMS4000 型体积流量计，用以测
活与生产的基本保障。但天然气管道的泄漏不仅会 量和控制泄漏口的流量。
造成资源浪费和环境污染，还会直接威胁人们的生 在管道内的泄漏口前后布置了两个常规的静
命财产安全 [1−2] 。由于管道的老化、腐蚀、外力破 态压力传感器，其有效量程为 0 ∼ 2 MPa，测量精
坏和焊缝缺陷等原因，天然气管道泄漏事故屡见不 度为 0.25% FS。在管外壁上放置了两个通道的动
鲜 [3−4] 。因此，如何准确识别泄漏并可靠定位天然 态声波传感器，通过磁力夹固定于管道外壁，型
气管道的泄漏位置，成为了油气安全工程领域的重 号为 RS-2A 型动态传感器，其量程为 181 dB，最
要课题。 高采样频率为 400 kHz，测量精度为 2% FS。采用
经过数十年的发展，天然气泄漏的识别方法 LabVIEW 编写的数据采集程序，配合 NI 数据采集
取得了一些进展。典型的泄漏检测方法有瞬态模 卡、信号放大器等完成数据采集。
型法 [5] 、分布式光纤法 [6] 、声波法 [7] 和负压波法 [8]
等。几种检测方法采用了不同的识别与定位原理，
也从实验室研究逐步进入推广应用阶段，例如 ASI
വલ
公司的 WaveAlert 型声波泄漏检测系统 [9] 、赵林
等 [10] 设计的光纤负压波管道泄漏监测系统。刘翠 ԍࣀ͜ਖ٨ ͜ਖጳ
伟等 [11] 从泄漏检测的灵敏度、误报率和性价比等 8 ԍҧ͜ਖ٨ ܦᮃ͜ਖ٨
个指标，对比分析了当前主要的泄漏检测方法的优 ພए͜ਖ٨
缺点，指出声波法的各项指标都达到目前的最高标 ηՂஊܸ٨
准，其误报率仍有待进一步提高。因此，基于声波识
图 1 管道泄漏检测实验平台
别的泄漏检测方法是未来的重要发展方向 [12] 。
Fig. 1 Experiment platform of pipeline leakage
为了提高声波法的准确性，本文在之前声波识
detection
别方法基础上，提出以下两点改进：(1) 采用管道外
壁、磁力夹固定的活动式声波传感器，利用声波在 1.2 管道泄漏的特性
管壁固体内传播衰减小、速度快的优点，也避免了 实验过程中，对管道系统打压到1.1 MPa，待管
在管内、管上打孔安装困难且要求传感器尺寸小等 内压力稳定，开启数据采集系统 1 s 后，快速打开模
问题，降低了声波传感器的安装成本；(2) 为了降低 拟泄漏口，测量管道泄漏过程的声 -压特性，结果如
单一声波法的误报率问题，提出了一种基于声波-压 图2 所示。图2 给出了其中典型的 4 组数据，展示了
力波耦合的判别方法，基于多信息融合来提高泄漏 管壁的动态声波信号和管道内的静态压力信号。声
识别的准确性。 波测量采用了动态传感器，采样频率为 20 kHz；压
全文内容如下：首先，展开了管道的泄漏特性 力测量采用了静态传感器，采样点较少但能够满足
实验，探索气体管道泄漏的主要特征；其次，基于对 观测管道内压力的需求。
泄漏特征的认识，提出了一种声-压耦合的泄漏检测 在图 2 中，红线为管内压力的变化量 (即压力
方法；最后，通过实验测量研究，考察该方法的可行 降)，黑线为归一化处理的动态声波信号。在泄漏发
性及其抗干扰能力。通过本文的研究，试图为天然 生之前，管道内的压力稳定，管壁的噪声信号可以忽
气管道泄漏识别方法的工程应用提供基础参考。 略不计。打开泄漏口后，管道内的压力出现匀速的
持续下降，而管壁的声音信号也显著增大。由此可
1 管道泄漏特性实验
见，管道泄漏同时出现两种显著的信号特征，即出现
1.1 实验平台简介 显著的压力降和巨大噪声，二者出现的时间是同步
为了考察气体管道泄漏的主要特征，本文设计 的。图2(a) ∼ (d)所示的为泄漏量依次增大。随着泄
了如图 1 所示的实验平台并开展研究。实验管架平 漏量的增大，压力曲线的斜率增大，表明管道内压力
台选择了型号为 DN150、长度为 15 m、粗糙度为 降低的速度在增大；管壁的噪声强度也在显著增大。
