基于應(yīng)力波的相關(guān)法泄漏檢測(cè)與提高泄漏檢測(cè)可靠性方法

基于應(yīng)力波的相關(guān)法泄漏檢測(cè)與提高泄漏檢測(cè)可靠性方法摘要：隨著埋地鋼質(zhì)管網(wǎng)的老化、第三方破壞使管道泄漏事件時(shí)有發(fā)生，與國(guó)內(nèi)正在推行的節(jié)能降耗宗旨相違背，給企業(yè)和社會(huì)帶來(lái)了較大的危害。介紹了相關(guān)檢漏技術(shù)的發(fā)展歷程和相關(guān)檢漏與漏點(diǎn)定位算法的數(shù)學(xué)原理，以及由于環(huán)境干擾造成的虛假漏水信號(hào)的辨析技術(shù)，既通過(guò)利用不同檢測(cè)儀器的特點(diǎn)，采取互相驗(yàn)證的方法來(lái)提高漏點(diǎn)定位的可靠性。并在此基礎(chǔ)上，總結(jié)出較為實(shí)用的埋地鋼質(zhì)管網(wǎng)泄漏檢測(cè)組合方法，以提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。關(guān)鍵詞：泄漏相關(guān)檢測(cè)干擾信號(hào)可靠性組合泄漏檢測(cè)中圖分類號(hào)：TP806.1CorrelationLeakDetectionbaseonstresswaveandthemethodtoincreaseitsReliabilitySHIXiu-shanHERen-yangYangyongetal(PressurePipelineandairbottleDivision,ChinaSpecialEquipmentInspectionandResearchInstitute,Beijing100013)Abstract:ThematterofPipelineleakcausedbytheagingpipelinenetworkanddestroyedbyothershappensfrequentlyandBringharmtotheEnterprisesandsocietyandreversethepurposeofsavingsourcethatcarryingthrough.ThepaperfirstintroducedthedevelopmenthistoryofcorrelationleakdetectiontechnologyandthenanalyzingthetheoryofCorrelationLeakDetectiononmathematics.Thengivesamethodthatdifferentiatesandanalysesasignalinterferencelikeleakbyusingdifferentapparatus.BythismethodcanimprovetheReliability.Finallythepapergivesprocessofcombinationdetectionthathowtofindaleakonpipeline.Keywords:leak;CorrelationLeakDetection;Signalinterference;Reliabilitycombinationdetectionofleak1、前言管道運(yùn)輸在世界經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。由于老化、腐蝕、磨損和人為破壞等因素,管道泄漏現(xiàn)象頻頻發(fā)生。為了減少損失和保護(hù)環(huán)境,對(duì)管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)是一項(xiàng)十分重要的技術(shù)?，F(xiàn)已有多種管道泄漏檢測(cè)方法,由于管道泄漏檢測(cè)是多領(lǐng)域多學(xué)科知識(shí)的綜合,各種方法在檢測(cè)方式和技術(shù)手段方面差別較大,從最簡(jiǎn)單的人工分段沿管道巡視到較為復(fù)雜的軟硬件相結(jié)合的方法,從陸地檢測(cè)發(fā)展到海底檢測(cè),甚至利用飛機(jī)或衛(wèi)星遙感檢測(cè)大范圍管網(wǎng)等[1]。對(duì)于管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的研究近年來(lái)不斷有新的發(fā)展，檢漏方法也由最初的聽(tīng)漏發(fā)展到各式各樣的基于現(xiàn)代信號(hào)處理和自動(dòng)化裝置的檢漏，其中相關(guān)檢漏法是當(dāng)前比較先進(jìn)、有效的一種檢漏方法。1960年英國(guó)水研究中心最先開(kāi)發(fā)了相關(guān)檢漏儀，隨后法國(guó)、日本等國(guó)也相繼研制了相關(guān)檢漏儀，自20世紀(jì)80年代，國(guó)外開(kāi)始研究用互相關(guān)法檢測(cè)水管泄漏，并取得良好的效果[1]。2相關(guān)檢漏原理與漏點(diǎn)定位算法2.1相關(guān)檢漏原理管線由于腐蝕、人為打孔等原因破裂時(shí)管內(nèi)高壓流體由破裂處噴出，由于與管壁的相互作用產(chǎn)生一個(gè)高頻的振動(dòng)噪聲，以應(yīng)力波的形式沿管壁傳播。管壁的阻尼作用使得只有一定的頻率的波才能傳播較遠(yuǎn)距離，這與管道的振動(dòng)模型有關(guān)，應(yīng)力波與管道的振型共振的優(yōu)勢(shì)振動(dòng)能傳播較遠(yuǎn)的距離。由泄漏引起的管壁振動(dòng)包括橫振動(dòng)、縱振動(dòng)和圓環(huán)振動(dòng)，圓環(huán)振動(dòng)與泄漏密切相關(guān)，安裝在管道上的相應(yīng)傳感器檢測(cè)到應(yīng)力波，經(jīng)過(guò)處理后能確定是否有泄漏和對(duì)泄漏點(diǎn)定位[4]。管道的相關(guān)檢漏法是指利用兩個(gè)傳感器拾取漏點(diǎn)發(fā)出的聲波，對(duì)這兩路聲波信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析，沒(méi)有泄漏時(shí)，相關(guān)函數(shù)的值在零附近；發(fā)生泄漏后，相關(guān)函數(shù)的值將發(fā)生顯著變化；另外，當(dāng)管道泄漏點(diǎn)的位置不同時(shí)，兩個(gè)信號(hào)的延遲時(shí)間就有區(qū)別，信號(hào)的相關(guān)函數(shù)的值就會(huì)改變。因此，根據(jù)信號(hào)的相關(guān)函數(shù)信息，就可以對(duì)管道的泄漏狀況進(jìn)行檢測(cè)。2.2漏點(diǎn)定位算法圖1相關(guān)檢漏技術(shù)的定位原理圖管道檢漏技術(shù)的定位原理如圖1所示，假設(shè)管道在Q點(diǎn)發(fā)生泄漏，泄漏發(fā)生后，在泄漏處將引起壓力突降，產(chǎn)生一個(gè)以Q點(diǎn)為泄漏源的聲波信號(hào)，該聲波信號(hào)將以一定的波速V向管道兩端傳播，安裝在管道A、B兩端的傳感器分別在t和()時(shí)刻檢測(cè)到這個(gè)信號(hào)（這里假設(shè)泄漏點(diǎn)距離兩個(gè)傳感器的距離La>Lb），由于同時(shí)也有外部噪聲的影響，設(shè)A、B兩端的傳感器測(cè)得的信號(hào)樣本函數(shù)分別為A(t)、B(t)，因而它們可以表示為以下形式：(1)(2)其中和分別為A、B兩點(diǎn)的背景噪聲。對(duì)A(t)、B(t)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算：(3)為了處理數(shù)據(jù)方便，一般認(rèn)為泄漏信號(hào)與噪聲信號(hào)相互獨(dú)立不相關(guān)，噪聲信號(hào)和完全不相關(guān)，那么，(4)當(dāng)相關(guān)函數(shù)達(dá)到峰值時(shí)，所對(duì)應(yīng)的值正好與兩個(gè)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)的時(shí)間差相一致。由數(shù)學(xué)知識(shí)可知，相關(guān)函數(shù)在處取得極大值的必要條件是在處的導(dǎo)數(shù)，由此求出，再測(cè)出兩個(gè)傳感器之間的實(shí)際長(zhǎng)度L和聲波在該管道的傳播速度V，泄漏點(diǎn)Q的位置就可以用下面的公式計(jì)算出來(lái)：(5)或者(6)3、某數(shù)字相關(guān)儀介紹3.1、儀器特點(diǎn)中文菜單操作2-12頻段獨(dú)立分析彩色觸摸屏LCD顯示器采集頻率范圍：0-5000HZ適用鋼管、鑄鐵管、塑料管相關(guān)分辨率：16000點(diǎn)FFT功能、相干分析圖2某數(shù)字相關(guān)儀工作原理圖圖2某數(shù)字相關(guān)儀工作原理圖采集的信號(hào)通過(guò)發(fā)射機(jī)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)存儲(chǔ)160個(gè)相關(guān)過(guò)程文件RS232接口程序升級(jí)3.2某數(shù)字相關(guān)儀的構(gòu)成相關(guān)儀主機(jī)發(fā)射機(jī)A和B天線（接收無(wú)線信號(hào)）探頭（采集信號(hào)）耳機(jī)12V車(chē)載電源連接線電池充電器AC變換器12V—100-240V打印機(jī)/PC連接線該種儀器是利用泄漏點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力波進(jìn)行相關(guān)分析進(jìn)行漏點(diǎn)定位的，其工作原理如圖2所示。它可對(duì)三種材質(zhì)的管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)，把泄漏信號(hào)分為12個(gè)頻段，可以選擇任何兩個(gè)或更多頻段進(jìn)行相關(guān)分析，對(duì)某些干擾頻段可進(jìn)行濾波，可以滿足在某些高噪音環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)，如各種裝置區(qū)、車(chē)流多的馬路下。該儀器存有聲速表并可以添加需要是聲速[2]。4、產(chǎn)生干擾信號(hào)的情況實(shí)例分析由于管道一般都是承受一定壓力的，流體介質(zhì)在泄漏點(diǎn)產(chǎn)生多相流，在漏點(diǎn)附近產(chǎn)生一種連續(xù)頻率振動(dòng)，根據(jù)以往研究的結(jié)果表明，直接從管道上聽(tīng)到的漏水頻率一般為50HZ～3600HZ，而漏水點(diǎn)頻率在漏點(diǎn)中心的路面上的頻率為50HZ～90HZ（可用電子聽(tīng)漏儀進(jìn)行檢測(cè)）。泄漏聲音的大小和管道的材質(zhì)、內(nèi)部壓力、泄漏點(diǎn)形狀、大小、位置有密切的關(guān)系。該方法中只要儀器接收到的信號(hào)和真實(shí)的漏水信號(hào)相似，那么儀器就認(rèn)為該處有泄漏點(diǎn)，但實(shí)際上往往這些是由于生產(chǎn)工況引起的虛假漏水信號(hào)所產(chǎn)生的信號(hào)。從原理上說(shuō)，振源未必就是漏點(diǎn)，管道中的流水沖擊的三通、轉(zhuǎn)彎角以及管道附屬物被激發(fā)的振動(dòng)也是振源；其二是車(chē)輛和工礦企業(yè)及各種環(huán)境噪聲在嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生干擾，影響檢測(cè)效果；其三，聲音或振動(dòng)傳輸?shù)膹?fù)雜性：如隔著埋層在路面上方測(cè)聽(tīng)下方的水管，漏水聲經(jīng)過(guò)埋層傳播，必然有被吸收、散射的現(xiàn)象，而且不同頻率的成分被吸收和散射的程度也不同，埋層越深越雜亂，這種被吸收和散射的情況也就越復(fù)雜，即使能聽(tīng)到下方有振動(dòng)，這種振動(dòng)引發(fā)的聲音也與在空氣中直接聽(tīng)到的情況有所不同。如直接在管道上測(cè)聽(tīng)，管道傳輸?shù)哪芰σ话惚鹊孛婧?，有時(shí)能傳至幾百米遠(yuǎn)，但在管線復(fù)雜時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生各種反射現(xiàn)象，并且不同頻率的振動(dòng)管道傳播的情況也不同，一般是高頻衰減更快。這些復(fù)雜問(wèn)題如果檢測(cè)人員在使用儀器過(guò)程中難以把握，就會(huì)影響檢測(cè)效果，甚至產(chǎn)生開(kāi)挖點(diǎn)沒(méi)有漏水[3]。以下就以在某大型化工企業(yè)的消防水檢測(cè)中一些受干擾信號(hào)影響造成的漏點(diǎn)誤定位的情況介紹。4.1、被測(cè)管線與其他管線搭接造成虛假漏水信號(hào)實(shí)例現(xiàn)場(chǎng)管線分布情況如圖3所示。本次測(cè)漏過(guò)程如下：用聽(tīng)音桿聽(tīng)到栓2,栓3,栓4有可疑聲音，栓2聲音最大，栓4聲音最小，用相關(guān)儀分別相關(guān)栓2和栓3，栓3和栓4，栓2和栓4.栓2和栓3的相關(guān)結(jié)果為圖示漏點(diǎn)處，在從栓2用管線儀直接連接發(fā)射機(jī)檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)栓2和栓3直接有任何支線后，判定相關(guān)儀所指示漏點(diǎn)位置為漏水點(diǎn)。開(kāi)挖后發(fā)現(xiàn)，儀器指示漏點(diǎn)位置的消防水管主線上方0.6米處有一與消防水管主線平行的自來(lái)水管道，下方相鄰處有一水泥材質(zhì)排水管道,并未漏水。具體情況見(jiàn)圖4（a）所示，相關(guān)信號(hào)見(jiàn)圖4（b）。儀器指示漏點(diǎn)位置排水管栓1儀器指示漏點(diǎn)位置排水管栓1栓2栓3栓4消防水管主線自來(lái)水管消防水管主線自來(lái)水管圖3現(xiàn)場(chǎng)管線分布圖產(chǎn)生干擾信號(hào)的原因分析：垂直于消防水管主線的排水管道與消防水管主線相交于一點(diǎn)，排水管道的聲音傳播到消防水管主線后，再沿消防水管主線向兩邊傳播，被相關(guān)儀接收到，并確定了發(fā)聲的位置，就將該位置指示為漏水點(diǎn)。排水管道的聲音來(lái)自于排水管道相連的泵或裝置或自身的空洞效應(yīng)。上述下水管道的聲音加上自來(lái)水管道用水或是漏水或是與自來(lái)水管道相連的泵或裝置產(chǎn)生的聲音干擾，造成了在消防栓處用機(jī)械聽(tīng)音桿可以聽(tīng)到可疑聲音，由于現(xiàn)場(chǎng)周?chē)](méi)有明顯的發(fā)聲裝置，也沒(méi)有直接相連的支線，加上相關(guān)信號(hào)很好的重復(fù)性，只有判定該處有漏水。圖4（a）管線搭接情況造成成的干擾實(shí)例例圖4（b）相關(guān)儀相關(guān)信號(hào)分分析結(jié)果圖4.2、異徑三通造成虛假泄漏信號(hào)的實(shí)例圖5（a）異徑三通支管造成成干擾信號(hào)實(shí)實(shí)例圖5（b）相關(guān)儀信號(hào)分析結(jié)結(jié)果圖4.3、提高泄漏檢測(cè)可靠性的方法首先應(yīng)探察周?chē)芫€，摸清被測(cè)管線周?chē)渌芫€情況、如有無(wú)支管、有無(wú)與其他管線搭接；檢測(cè)防腐層破損點(diǎn)情況，如果管道有泄漏點(diǎn)，那么信號(hào)點(diǎn)的外防腐層必定破損，如果能夠能確定信號(hào)點(diǎn)沒(méi)有破損點(diǎn)，那么該信號(hào)必定是干擾信號(hào)，而不是真的漏水信號(hào)；如果管線有漏水點(diǎn)，那么利用地面電子聽(tīng)漏儀（能夠?yàn)V波）沿管線檢測(cè)，泄漏點(diǎn)處信號(hào)最強(qiáng)，如果在裝置區(qū)振動(dòng)引起的干擾信號(hào)，那么整個(gè)信號(hào)強(qiáng)度不會(huì)有很大變化。上述三種檢測(cè)方法的組合比較可以大大提高泄漏檢測(cè)的可靠性。5、組合泄漏檢測(cè)方法在低信噪比環(huán)境下的嘗試該測(cè)試點(diǎn)是寧波某大型煉化企業(yè)的循環(huán)水管道，從現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)泄漏的水主要從四個(gè)位置冒出，一處是潤(rùn)滑油裝置的西北角裂縫、一處是東北角裂縫、另兩處是反應(yīng)塔東邊混凝土地基邊緣裂縫中，具體位置見(jiàn)現(xiàn)場(chǎng)管線示意圖6中的①—④標(biāo)號(hào)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)，初步確定潤(rùn)滑油裝置附近的管線可能發(fā)生泄漏，于是查漏重點(diǎn)就放在從主管線（DN600）到潤(rùn)滑油裝置的兩條循環(huán)水支管（DN80）上。由于該測(cè)點(diǎn)附近有很多電動(dòng)機(jī)和其他轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，干擾噪音很?chē)?yán)重，單純使用相關(guān)儀檢測(cè)時(shí)，信號(hào)比較雜亂，泄漏信號(hào)很弱而且信號(hào)點(diǎn)漂移到主管三通處（三通處可能產(chǎn)生干擾信號(hào)），單靠該信號(hào)不能判斷該處有泄漏發(fā)生，因此必須采用其他檢測(cè)手段輔助確定，故采用電子聽(tīng)漏儀和防腐層破損定位儀（泄漏處防腐層必定破損），具體檢測(cè)結(jié)果如下。圖6待測(cè)管線分布圖及干擾源分布通過(guò)防腐層破損定位儀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)在離B點(diǎn)2米處（P2）有破損點(diǎn)，且在三通處也有破損點(diǎn)，這樣還不能判斷是三通處還是P2點(diǎn)有泄漏點(diǎn)，破損點(diǎn)定位儀工作原理如圖7所示。最后從三通點(diǎn)用電子聽(tīng)漏儀沿懷疑的管線向B點(diǎn)移動(dòng)，信號(hào)強(qiáng)度在三通附近信號(hào)一般在49-55DB左右，當(dāng)從三通向B點(diǎn)移動(dòng)時(shí)信號(hào)逐漸爭(zhēng)強(qiáng)信號(hào)為52-79DB，在到達(dá)P2點(diǎn)時(shí)信號(hào)最強(qiáng)為79DB，這說(shuō)明該處有泄漏點(diǎn)，具體信號(hào)強(qiáng)度見(jiàn)圖8所示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖確認(rèn)該處有一泄漏點(diǎn)，與信號(hào)指示位置偏差1.2米，在正常的允許范圍內(nèi)。圖7防腐層破損定位儀儀查找破損點(diǎn)點(diǎn)的示意圖圖8電子聽(tīng)漏儀在管線線上方水泥路路面檢測(cè)信號(hào)號(hào)分布6、組合泄漏檢測(cè)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)漏水檢測(cè)是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作，它涉及諸多環(huán)節(jié)，管材、環(huán)境、泄漏、儀器設(shè)備種類多種多樣，再加上復(fù)雜的管網(wǎng)深埋于地下，所以要成功找出漏水點(diǎn)就要科學(xué)合理的使用儀器，充分利用已有資料和數(shù)據(jù)，作好時(shí)間、地點(diǎn)、人、儀器設(shè)備的有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮漏水檢測(cè)工作的最佳效果，并針對(duì)各種管網(wǎng)的實(shí)際情況制定一套嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)、具有可操作性的漏水檢測(cè)規(guī)程也是必須的。使用相關(guān)儀、電子聽(tīng)漏儀、防腐層檢測(cè)儀等幾種儀器組合檢測(cè)的方法在實(shí)際工作中大大提高了泄漏檢測(cè)準(zhǔn)確率，特別是在高背景噪音使用這種