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摘要：管道泄漏检测技术能够及时发现漏点，降低事故的危害，在日常管道检测中应用的越来越广泛。本文首先简要介绍了管道泄漏音波传播特性，其次重点分析了管道泄漏检测及定位方法。
关键词：输气管道；泄漏；音波传播；监测定位
分类号：TE973.6
引言
输气管道是城市最重要的地下管网之一， 天然气管网快速建设的同时，也时常有天然气管道泄漏事件发生。事故的发生会产生巨大的损失，如何降低事故的发生几率，是管道技术人员最为关注的问题，天然气管道泄漏检测已经成为减小事故危害、保障管道安全的重要手段之一。常见的检测方法有：负压波法、分布式光纤法、音波法以及瞬态模型法等，其中音波法以灵敏性好、误报率低、定位精度高等优点日益受到用户的欢迎。
1 泄漏信号的传播特性
音波信号与一般的压力信号不同，它是一种声压信号。声压信号大小在零值附近，并伴有上下波动时，可以判断管道没有发生泄漏；声压信号有一个快速下降的过程，然后迅速归于零值附近，则表明管道发生了泄漏。将音波信号进行时频转换，可以分析其频域上的特性。由于随机信号无法用时间函数表示，在数学上不能用频谱表示，通常情况下用功率谱描述它的频域特性。将小波预处理后的音波信号进行时频转换，会得到不同工况下的功率谱密度。由于，管道发生泄漏时，在很长的频率段上和正常的工况功率是基本一致的，仅仅在起点附近略有差别，随着频率的增大，不论是泄漏工况还是正常工况，其功率谱密度都逐渐减小，最终逐渐趋于稳定，即高频部分基本为白噪声部分。如图1，可知对泄漏检测有用的信号主要处于0～300Hz的频段内，其中大部分能量处于0～100Hz频段内。
图1泄露工况与正常工况的功率密度比
2音波法在输气管道泄漏检测中的应用
如图2音波泄露检测示意图，X表示泄露点的位置，L表示管线长度，t1t2 表示时间，
图2音波泄露检测示意图
管道泄露以后，压力平衡被打破，有气体等从管道中流出，介质流出过程中与管壁发生摩擦产生音波震荡，产生的音波信号沿流体方向分别向管道上下游高速传播。音波传播过程中，高频的音波成分会有所减退，低频的音波成分的传播距离能相对较远。这一过程产生了声压，此时，管道两端的音波传感器监听并捕捉到声压信号，通过分析信号的特征值（时频域的幅值特征、小波分析的奇异性特征和相邻区间信号的累加差分（sum AD）、均值差分（mean AD）、峰值差分（PD）特征）来确定管道是否发生了泄漏，同时根据泄漏信号的时间差和音波的传播速度可以计算管道的漏点位置。
3漏点互相关定位方法分析
如图3为漏点互相关定位原理图，管道有漏点时，两端的音波传感器能够捕捉到2个音波泄漏的尖峰信号，这就表明音波信号到达了管道两端。由于，管道泄露时上下游泄漏音波信号波形相似，有个时间差，可以利用相关分析法可以确定2个尖峰信号对应的时间差，具体方法是，移动一端的音波信号与另一端音波信号，找到最大值对应的时间，即找到音波到达上下游的时间差。极大值点的互相关公式如下所示：其中：τ表示时间差；T表示传播周期；q1（t）、q2（t）表示压力信号与时间变化的函数；t为时间。
管道没有漏点时，相关函数维持在某一值附近。有漏点时，当τ=τ0时，r12（τ）将达到最大值，即：r12（τ0）=maxr12（τ） ，此时，可以通过求相关函数r12（r）的极大值和极大值对应的τ0，即可进行泄漏检测和定位。
图3互相关定位原理图
结束语
随着城市管网的大力建设，管道泄漏事故发生的频率也有所上升，文中所涉及的音波法泄漏检测及泄漏定位必定能成为管道安全的一道重要防线，文中的部分观点，希望能为同行提供参考。
参考文献：
[1] 林伟国，陈萍，孙剑.具有工况适应性的管道泄漏信号特征提取[J].化工学报，2008，59（7）.
[2] 李玉星，彭红伟，唐建峰，等.天然气长输管道泄漏检测方案对比[J].天然气工业，2009，29（8）.
作者简介：董怀峰，男，汉族，齐哈尔港华燃气有限公司工程管理部副经理，从事燃气工作12年。
关键词：输气管道；泄漏；音波传播；监测定位
分类号：TE973.6
引言
输气管道是城市最重要的地下管网之一， 天然气管网快速建设的同时，也时常有天然气管道泄漏事件发生。事故的发生会产生巨大的损失，如何降低事故的发生几率，是管道技术人员最为关注的问题，天然气管道泄漏检测已经成为减小事故危害、保障管道安全的重要手段之一。常见的检测方法有：负压波法、分布式光纤法、音波法以及瞬态模型法等，其中音波法以灵敏性好、误报率低、定位精度高等优点日益受到用户的欢迎。
1 泄漏信号的传播特性
音波信号与一般的压力信号不同，它是一种声压信号。声压信号大小在零值附近，并伴有上下波动时，可以判断管道没有发生泄漏；声压信号有一个快速下降的过程，然后迅速归于零值附近，则表明管道发生了泄漏。将音波信号进行时频转换，可以分析其频域上的特性。由于随机信号无法用时间函数表示，在数学上不能用频谱表示，通常情况下用功率谱描述它的频域特性。将小波预处理后的音波信号进行时频转换，会得到不同工况下的功率谱密度。由于，管道发生泄漏时，在很长的频率段上和正常的工况功率是基本一致的，仅仅在起点附近略有差别，随着频率的增大，不论是泄漏工况还是正常工况，其功率谱密度都逐渐减小，最终逐渐趋于稳定，即高频部分基本为白噪声部分。如图1，可知对泄漏检测有用的信号主要处于0～300Hz的频段内，其中大部分能量处于0～100Hz频段内。
图1泄露工况与正常工况的功率密度比
2音波法在输气管道泄漏检测中的应用
如图2音波泄露检测示意图，X表示泄露点的位置，L表示管线长度，t1t2 表示时间，
图2音波泄露检测示意图
管道泄露以后，压力平衡被打破，有气体等从管道中流出，介质流出过程中与管壁发生摩擦产生音波震荡，产生的音波信号沿流体方向分别向管道上下游高速传播。音波传播过程中，高频的音波成分会有所减退，低频的音波成分的传播距离能相对较远。这一过程产生了声压，此时，管道两端的音波传感器监听并捕捉到声压信号，通过分析信号的特征值（时频域的幅值特征、小波分析的奇异性特征和相邻区间信号的累加差分（sum AD）、均值差分（mean AD）、峰值差分（PD）特征）来确定管道是否发生了泄漏，同时根据泄漏信号的时间差和音波的传播速度可以计算管道的漏点位置。
3漏点互相关定位方法分析
如图3为漏点互相关定位原理图，管道有漏点时，两端的音波传感器能够捕捉到2个音波泄漏的尖峰信号，这就表明音波信号到达了管道两端。由于，管道泄露时上下游泄漏音波信号波形相似，有个时间差，可以利用相关分析法可以确定2个尖峰信号对应的时间差，具体方法是，移动一端的音波信号与另一端音波信号，找到最大值对应的时间，即找到音波到达上下游的时间差。极大值点的互相关公式如下所示：其中：τ表示时间差；T表示传播周期；q1（t）、q2（t）表示压力信号与时间变化的函数；t为时间。
管道没有漏点时，相关函数维持在某一值附近。有漏点时，当τ=τ0时，r12（τ）将达到最大值，即：r12（τ0）=maxr12（τ） ，此时，可以通过求相关函数r12（r）的极大值和极大值对应的τ0，即可进行泄漏检测和定位。
图3互相关定位原理图
结束语
随着城市管网的大力建设，管道泄漏事故发生的频率也有所上升，文中所涉及的音波法泄漏检测及泄漏定位必定能成为管道安全的一道重要防线，文中的部分观点，希望能为同行提供参考。
参考文献：
[1] 林伟国，陈萍，孙剑.具有工况适应性的管道泄漏信号特征提取[J].化工学报，2008，59（7）.
[2] 李玉星，彭红伟，唐建峰，等.天然气长输管道泄漏检测方案对比[J].天然气工业，2009，29（8）.
作者简介：董怀峰，男，汉族，齐哈尔港华燃气有限公司工程管理部副经理，从事燃气工作12年。