基于音波法的输气管道泄漏检测及定位试验研究

质量流量计2
安全阀2
球阀3 流程说明： 1.气体经压缩机加压，通过冷干机和过滤器除去水分和油滴，进入缓冲罐， 之后进入测试管段，最后通过高压罐放空。 2.管道上的泄漏点采用针型阀表示，不同开度代表不同孔径。
球阀4
减压阀2
放 空
输气管线泄漏检测装置流程图
基于音波法的泄漏检测及定位试验
经过PIPEPHASE和HYSYS等软件对各流体参数的模拟和对实验
基于音波法的泄漏检测及定位
1.音波法泄漏检测的基本原理
当管道发生破裂时，管道内输送介质与管壁摩擦产生音 波震荡，音波沿着管道内流体向管道上下游高速传播，安装 在管段两端的音波传感器监听并捕捉音波波形，通过与计算 机数据库中的模型比较来确定管道是否发生了泄漏及泄漏量
的大小。
基于音波法的泄漏检测及定位
基于音波法的泄漏检测及定位试验
1.试验装置
目前，国内外对输气管道泄漏工况的研究大多是在低 压下进行的， 由于不同压力等级的管线发生泄漏，管线
中气体的各种流动参数 是有很大区别的，为了使试验工
况更进一步接近现场的泄漏工况 ，在实验室内建立起一 套高压输气管道泄漏检测装置。
基于音波法的泄漏检测及定位试验
1.6
3
1 2 3 1 2 3 1 2
0.5
0.45 0.45 0.45 0.5 0.5 0.5 0.45 0.45
149.7
39.5 89.07 149.75 39.93 88.28 150.03 39.92 88.21
-0.29
0.35 0.059 -0.29 0.34 0.064 -0.29 0.34 0.064
较差
较差 较差 较差 中等 较差 中等 中等 较好 较好
较高
较差 中等 中等 中等 较差 较差 中等 较高 较高
中等
低 低 低 中等 中等 低 中等 中等 中等
音波检测法
高
高
很短
低
较好
较高
中等
引言
由上表可以看出，音波法泄漏检测技术具有反应时间 快、定位精度高、误报率低、灵敏度高等诸多优点 ，是
很有发展潜力的一种检测技术 。
基于音波法的泄漏检测及定位试验
对去噪后的音波信号进行特征量提取，提取相邻区间
信号累加差分、均值差分、峰值差分 作为泄漏判断的特
征量。
终点信号累加值差分
终点信号均值差分
终点信号峰值差分
基于音波法的泄漏检测及定位试验
选取累加值差分和均值差分作为不同工况下的判断准则，对泄 漏进行检测，如下表所示：
压力等 级(MPa) 泄漏点 泄漏孔 径(mm) 累加值差分 阈值 无 1 2 1.6 3 无 1 2 3 0.5 0.5 0.5 0.5 0.45 0.45 0.45 0.45 5866.3 4451.8 5479.2 8476.1 9551.4 12032.9 5396.2 4635.5 实际值 1294.4 71199.6 104322 130610 1254.37 9070.23 31684.6 66093.3 阈值 0.23 0.30 0.25 0.24 0.32 0.19 0.23 0.22 均值差分 实际值 0.07 0.53 0.73 0.99 0.084 0.13 1.31 3.27 否 是 是 是 否 否 是 是 泄漏 判断
管内智能爬机
质量或体积平衡法 气体成像 探地雷达 压力梯度法 负压波法 基于神经网络方法 统计决策法 瞬态模型法 光纤传感技术
高
差 高 高 较高 较高 高 较高 较高 较高
高
差 中等 高 中等 较高 高 较高 较高 高
较长
较短 较长 短 较短 较短 中等 中等 长 较短
较低
最高 高 高 中等 高 中等 低 中等 中等
2
3 1 2 4.6 3 1 2 3
0.45
0.45 0.5 0.5 0.5 0.45 0.45 0.45
88.37
149.73 39.97 88.42 149.77 39.94 88.32 149.85
0.064
-0.29 0.34 0.064 -0.29 0.34 0.065 -0.29
0.48
安全阀1 球阀2 压缩机 冷干机 过滤器1 球阀1 高压罐1 过滤器2 减压阀1 质量流量计1 压 力 传 感 器 1 差 压 传 感 器 1 温 度 传 感 器 1 音 波 传 感 器 1
针型阀1 针型阀2 针型阀3 放 空
气流方向
压力传感器2 集线器 差压传感器2 温度传感器2 音波传感器2
计算机
数据采集系统的前面板
数据采集系统的硬件组成
基于音波法的泄漏检测及定位试验
2.泄漏检测试验及结果分析
在不同的压力等级（1.6MPa、2.6MPa、3.6MPa、 4.6MPa）下进行泄漏检测试验，分析管道不同的泄漏
位置（泄漏点1、2、3）处，发生不同程度（0.45mm
孔径、0.5mm孔径）的泄漏时压缩空气的流量、压力及 产生的音波信号的变化情况。
3.泄漏定位试验及结果分析
泄漏定位试验是与检测试验一起进行的，运用泄漏检 测时采集到的数据，分析在不同的泄漏工况下音波法泄漏
定位的适用性及定位误差。 下面是采用labview程序编制
的泄漏定位系统前面板图。
基于音波法的泄漏检测及定位试验
基于音波法的泄漏检测及定位试验
不同影响因素下泄漏定位表
压力等级 (MPa) 泄漏点 1 2 泄漏孔径 (mm) 0.5 0.5 泄漏点距起点的计 算距离(m) 39.54 87.58 ∆t 时间差(s) 0.35 0.068 定位误差(%) 0.65 1.37
基于音波法的泄漏检测及定位试验
试验采用的部分仪器仪表如下：
流量计
压力变送器
温度变送器
基于音波法的泄漏检测及定位试验
差压变送器
减压阀
试验用孔板
Leabharlann Baidu
基于音波法的泄漏检测及定位试验
性能参数： 测量范围：57.2kPa ；
灵敏度：43.5mv/kPa ；
最大压力（step）：1379kPa ； 最大压力（静态）：13790kPa ；
计算机软件 处理系统
数据采集 首站传感器 泄漏点 末站传感器
数据采集
v 输气管道
X L t1 t2
音波法泄漏检测及定位示意图
基于音波法的泄漏检测及定位
2.泄漏定位方法
音波信号从泄漏点向两端传播，根据到达管道两端
的时间差和音波传播的速度就可以确定泄漏点的位置 。
定位公式如下：
L vt x 2
3737.1 4723.2 4696.2 5111.5 3011 5643.6 11556.7 4610.2 9913.8 8200.1 10809.7 4780.9 3652 3735.7 3997.5 3076.6 12034.9 10087.9 4853.4 6645.3 12056.4 4900.7 7745.9 3105.2
无 1 2 2.6 3 无 1 2 3 无 1 2 3.6 3 无 1 2 3 无 1 2 4.6 3 无 1 2 3
0.5 0.5 0.5 0.5 0.45 0.45 0.45 0.45 0.5 0.5 0.5 0.5 0.45 0.45 0.45 0.45 0.5 0.5 0.5 0.5 0.45 0.45 0.45 0.45
随着压力的升高，泄漏信号特征量的阈值和实际值相差越来越大，泄漏 更易判断； 0.5mm泄漏孔径的特征量实际值与阈值之差大于0.45mm泄漏孔径的特 征量实际值与阈值之差，泄漏更易判断； 越靠近管线终点，泄漏信号特征量的阈值和实际值相差越大，泄漏越易 判断。
基于音波法的泄漏检测及定位试验
0.087 0.44 0.42 0.11 0.35 0.54 0.167
基于音波法的泄漏检测及定位试验
由表中的结果可以看出，处于管线中间位置处的泄漏，其 定位误差要大于管线两端的定位误差；靠近管线终点处的泄漏 ，其定位误差要小于管线起点处的定位误差；随压力和泄漏孔 径的变化不明显，这与两个泄漏孔径相近有一定关系。在不同
0.07
0.75 0.31 0.10 0.33 0.58 0.29 0.29 0.67
2.6
3
0.45
149.92
-0.29
0.22
基于音波法的泄漏检测及定位试验
不同影响因素下泄漏定位表（续表）
压力等级 (MPa) 泄漏点 1 2 3.6 3 1 泄漏孔径 (mm) 0.5 0.5 0.5 0.45 泄漏点距起点的计算 距离(m) 40.00 88.31 149.61 39.80 ∆t 时间差(s)) 0.34 0.064 -0.29 0.34 定位误差(%) 0.53 0.55 0.01 0.01
随着国内天然气管道的迅速发展，管道泄漏时有发生，
不仅带来巨大的经济损失和环境污染，还可能带来重大的伤
亡事故，因此，泄漏检测作为保障管道安全，减小事故危害 的重要手段，越来越受到广泛关注和重视。 目前，天然气管道泄漏检测方法很多，如下所示：
引言
检测方法 灵敏度 定位精度 检测时间 误报率 实用性 可靠性 性价比
0.45 0.39 0.37 0.36 0.24 0.43 0.40 0.44 0.53 0.45 0.50 0.52 0.57 0.65 0.88 0.94 0.38 0.55 0.46 0.54 0.35 0.34 0.37 0.41
0.11 0.46 3.86 5.58 0.13 2.00 3.68 5.02 0.16 3.47 6.17 9.67 0.19 3.68 6.90 13.12 0.13 5.37 9.93 15.38 0.11 8.08 12.04 17.39
否 是 是 是 否 是 是 是 否 是 是 是 否 是 是 是 否 是 是 是 否 是 是 是
基于音波法的泄漏检测及定位试验
在0.45mm泄漏孔径，压力等级1.6MPa时，泄漏信号特征量判 断失误，此判断失误处于泄漏孔径较小，压力等级较低的工况，通 过调节动态阈值及其权值，可以防止此类事情的发生。从表中可以 看出：
14.9kPa，这是由于动态压力传感器产生的压力波动信号
为A/D输入信号量程的一部分，而泄漏引起的压力变化范 围为A/D的满量程 ，对一般的压力变送器，泄漏引起的 压力变化仅占运行压力的一小部分，动态压力信号提高了 信号的信噪比 。
基于音波法的泄漏检测及定位试验
对采集的信号进行去噪可进一步提高信噪比，一般数字 信号处理往往选择haar小波基或daubechies小波基 ，对 采集的音波信号进行daubechies小波基去噪，终点的时域 图如下所示：
仪器、仪表进行的选型计算 ，搭建的试验平台如下所示：
基于音波法的泄漏检测及定位试验
整个试验管线全长251.5m，测试管段长200.8m，管 内径10mm，可承压8MPa。 试验采用压缩空气作为气源，在主测试管段的起终点处
设压力变送器、差压变送器、流量变送器、音波变送器和温
度变送器等仪器，中间位置设有三个泄漏点，分别位于距离 测试管段起点39.8m、88.8m和149.6m位置处,泄漏点处 装有球阀和法兰，法兰内藏孔板以代替泄漏孔，可根据试验 要求变换泄漏孔径大小。
分辨率 ：0.00069kpa ；
谐振频率 ：60kHz
试验采用的音波传感器
基于音波法的泄漏检测及定位试验
输气管道泄漏检测装置的数据采集系统软件采用
NI LabVIEW程序编制，数据采集系统硬件由传感器、 信号调理电路、数据采集卡(板)及计算机四部分组成 。 具体设计如下所示：
基于音波法的泄漏检测及定位试验
基于音波法的输气管道泄漏检 测及定位试验研究
作者： 王武昌 单位： 中国石油大学（华东） 2009年10月
目录

引言 基于音波法的泄漏检测及定位

音波法泄漏检测的基本原理 泄漏定位方法

基于音波法的泄漏检测及定位试验

试验装置
泄漏检测试验及结果分析 泄漏定位试验及结果分析

结论
引言
1117.8 66740 140490 157317 937.3 12711.6 49079.9 89766.3 2561.3 115493 169041 198075 546.1 10118.4 70072.1 115242 1742 133303 188968 215755 1776.1 18249.3 64631.8 112392
基于音波法的泄漏检测及定位试验
当管线起点压力4.6MPa左右，泄漏孔径0.45mm时，
泄漏点1发生泄漏时采集到的测试管段起终点的动态压力
（音波信号）如下所示：
起点检测到的动态压力信号
终点检测到的动态压力信号
基于音波法的泄漏检测及定位试验
由上图可以看出，管道在200000点处附近发生泄漏， 泄漏产生的信号幅值很大，起点达-28.6kPa，终点达-