专利名称：一种城市燃气埋地管道泄漏检测定位方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明是一种城市燃气埋地管道泄漏检测定位方法及其应用，尤其涉及埋地管道在不停止运行、不开挖检查情况下泄漏检测定位计算，属于油气储运风险控制领域。
背景技术：
燃气管网作为城市必不可少的基础设施之一，近年来在很多城市有了飞速的发展，对净化城市空气环境、提高人民生活水平做出了很大的贡献。然而自从管道运输在工业中应用开始，管道泄漏一直是管道运输中的一个难题。尤其随着城市燃气管网管龄的不断增长，再加上施工缺陷和腐蚀，以及人为的破坏，燃气管道泄漏常常发生。由于城市燃气易燃、易爆和有毒的特性，其一旦发生泄漏，极易造成中毒、火灾、爆炸等恶性事故，造成人员及财产损失。目前，我国大多数城市的燃气管道建设于上世纪80年代改革开放初期，运行已近20年。根据建设部相关规定，管道使用20年后已进人老龄期，管道损坏泄漏隐患倍增。如果及时检测出泄漏，并且能成功定位，就能极大的减少泄漏造成的危害。由于城市燃气管道担负着城市生产、生活用气正常运转，一般情况下管道运输不能停止或被关闭。同时考虑城市交通顺畅等因素，城市燃气埋地管网往往被限制开挖检测、检查。目前对城市燃气埋地管道的安全检查主要以地面巡检的方式进行，这种地面巡检方式对管道小泄漏或缓慢泄漏难以发现，泄漏检测与定位的实时性与准确性也难以得到保证。这就要求利用现代管道管理系统，发展基于现代检测和分析方法的管道泄漏检测技术，在保证城市燃气管道不停止运输、且不被开挖的情况下，实现在线实时检测，并准确地进行泄漏点定位，以及时采取措施，从而达到预防和降低损失的目的，减少巡线人力物力的浪费。这对提高城市燃气管网管线风险管理水平，减少企业的经济损失有重大意义。目前对城市燃气管网检测检查的手段主要是管道人工巡检法、便携式仪器仪表、管内检测器等，但由于这些方法或实时性差，或不能连续检测，或投资费用高，或影响物料正常运输等，自身均存在较大的缺陷。而常规无损检测(如超声检测爬机、漏磁检测爬机等)技术虽较为成熟，检测精度较高，但这些检测技术有着致命的弱点检测过程为逐点扫描式，被检测设备必须停产，检测效率低，难以有效地检测成千上万公里的工业管道。声发射(Acoustic Emission简称AE)技术是一种动态无损检测方法,可获取连续信号,不需要设备停产或缩短停产时间，并可以实现对在役管道的长距离、大范围检测，检测效率很高。因此，管道声发射缺陷检测及相关课题的研究成为国内外无损检测领域的一个热点。20世纪90年代，美国PAC公司、DW公司、德国Vallen Systeme公司和中国广州声华公司先后开发了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数字化多通道声发射检测分析系统，除能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外，还可直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。希腊Athanasios Anastasopoulos等成功进行了埋地管道的泄漏检测和定位，但其实行测试的一个重要条件是被测管道必须是独立的，即被测管段两端被关闭，且该管段增压至少应该是4至9标准大气压。检测中，传感器在管道上的布置点均被挖掘出一个小坑，使该布置点暴露空气中。霍臻利用声发射技术对管道泄漏进行检测，实验证明应用泄漏声发射信号检测气体和液体的泄漏是可行的，并有较高的灵敏度，但存在的问题是难于准确确定泄漏源的位置以及检测灵敏度受噪声影响等。清华大学王海生等利用负压波方法，采用先进的基于小波算法对输油管线进行泄漏检测和定位的技术，在胜利油田“孤岛-永安”和“孤岛-集贤”管线上得到了应用，并取得了良好的效果。尽管对埋地管道泄漏检测方面已有很多研究，但对于被测燃气管道不停止运行，且可疑泄漏点或传感器布置点不开挖情况下的研究测试还没有明确提出。而城市燃气管网遍布大街小巷，既要保证24小时生产、生活用气，又要考虑为保证城市交通、市容等限制开挖管道检查等因素，在埋地管道不停止运行、不被开挖的情况下的泄漏检测方法及其应用是一个非常有实用价值的课题。为克服现有技术的不足，提出一种城市燃气埋地管道泄漏定位检测方法。该方法综合考虑了城市燃气埋地管道在不停止运行、不开挖检测坑的情况下管道所处的检测状态，基于声发射技术，在实验室试验的基础上，设计提出可行的的检测方法，用于常州某燃气公司地处市中心的铸铁管道进行了的在线实地检测，初步得到两段管道疑似泄漏点位置，经与管道设计布置图对照，这些泄漏点正好是管道上的接口或阀门位置，后经现场开挖得到了验证和确认。在城市燃气管道不停运、开挖检查被限制情况下运用声发射技术对低压力燃气管道泄漏发现作了很好的探索和尝试，得到较好的定位结果，既节约了经济成本，又较早捕捉到了城市燃气管网小泄漏隐患，为今后实际工程应用提供了较为成功的范例。
发明内容
本发明的目的在于保持城市燃气管道运行状态，且开挖检查被限制情况下，克服现有泄漏检测技术的不足，提供了一种适用于城市燃气管道泄漏检测的可行、方便的方法。本方法基于声发射技术，根据负压波理论及其定量计算结果客观性和可信度高的特点，结合小波消噪和相关分析，达到有效发现埋地管道泄漏点并准确定位的目的。本发明采用的技术方案是基于声发射技术，结合常州市城市燃气管道铺设现状，设计传感器的布置方案，设置适合的输入参数，建立了城市燃气管道泄漏检测定位系统，确定检测方法，进行数据采集。又采用小波消噪技术和相关分析法对采集信号进行处理，提高检测定位精度，运用于实例验证结果。一种城市燃气埋地管道泄漏检测定位方法，其步骤是
(1)城市燃气埋地管道的检测是在保持被测管道正常运行，即被测管道两端不关闭，不停止输气，同时不开挖管道，不影响城市正常交通、市容等状态下进行；
(2)运用声发射技术，结合管道现有布设实际，基于负压波原理，实现埋地管道泄漏源的检测发现和定位，确保以地面巡检方式为主检测埋地管道技术所带来的泄漏定位的实时性与准确性；
(3)结合小波消噪技术和相关分析法对检测采集信号进行处理，进一步提高对燃气埋地管道泄漏检测定位的准确性，并通过实例，验证该方法的可行性、可信性和方便性；
所述的城市燃气管道泄漏检测方法，确定了检测状态是在被测管段不停止运行，即两端不关闭，保持正常输送燃气，同时管道不被开挖，不影响城市正常交通等状态下进行检测，所述的检测方法在于不需开挖管道暴露传感器布置点，而是将传感器布置在被测燃气管道的日常检查井或积水井中的管道连接(如三通、阀门等)处，设置适合的输入参数和输出信号，计算燃气管道泄漏点位置，得出客观、可信的结果，简化和方便了其在实际工程中的运用。一种城市燃气埋地管道泄漏检测定位方法及其应用，其步骤是
(1)在保持埋地燃气管道不停止运行，不被开挖情况下，合理布置传感器，选择适合的参数，建立检测系统；
(2)通过模拟，管道管径为32mm，压力保持在O.05 O. 07MPa (表压)，流量为1. 5 2. 0m3/h，管道泄漏率为1000-1500cm3/h下试验，得出泄漏源在距离I号传感器4200 4300mm的位置，与实际的泄漏点3645mm处相比较，误差率为15. 2% ;
(3)采用小波消噪技术对首末两端传感器所采集到的信号进行消噪处理，结合互相关分析进行泄漏定位，将泄漏点计算值与试验泄漏点位置比较，提高定位精度；
(4)将地处常州市中心的某两段燃气埋地管道进行实际检测，检测管道为中压B级铸铁管，管径426mm，管道压力(表压)约为45KPa，流量约为2000m3/h，将传感器布置两端的阀门或三通上，经检测着两段管道在管与管之间的连接处共发现5个泄漏点；
(5)计算结果与管道设计图比对，初步判定泄漏源位置，后经现场验证该方法应用结果与计算结果一致。本发明的作用机理是基于声发射技术，建立了城市燃气管道在不停止运行、不开挖状态下的泄漏检测系统，达到较好的灵敏度，确定了此种方式检测的可行性，再结合小波变换和相关分析法，达到了较高的泄漏检测定位准确度本发明与相同评定其他方法的区别在于
(1)根据声发射技术和负压波理论，确定了更加方便、可行的城市燃气埋地管道泄漏声发射定位检测方法，即在管道不停止运行、不被开挖状态下进行漏检测，结合小波变换技术对采集信号进行处理，运用相关函数分析法，确定计算模型，既实现了城市燃气管道不停运、不开挖状态下的泄漏检测，又提高了定位精确度。与传统的管道检测方法，比如C扫描埋地管道检测系统、PCM管中电流测绘仪、多频管道定位仪、地下管道防腐检漏仪等方法相t匕，声发射检测法灵敏度更高，同时避免了人为主观判断，结果更为客观；
(2)不开挖管道，既简化了埋地管道的检测程序，又节约了检测成本；同时保持管道正常运行，保证了城市燃气管道不间断输送生产、生活用气需要。这与被测管道必须是独立的，即被测管段两端被关闭，且该管段增压至少应该是4至9标准大气压的成功研究经验相t匕，本发明大大简化和方便了声发射技术在埋地管道泄漏检测中的应用，对加强城市燃气管道检测和风险控制，具有较好的推广使用价值。
图1为传感器布置示意图。图2是各传感器的波形图和频谱图。图3是通道定位图。
图4是消噪后的信号。图5为两重构波形的互相关系数图。图6是管段一的相关信息图。图7是其中一组定位图。图8为小波变换后的互相关系数图。图9是管段二的相关信息。图10是各通道一组定位图。图11为小波变换后互相关分析系数图。
具体实施例方式1、确定检测方式城市燃气管道埋在地下，无法在其表面布置声发射传感器。经过现场勘查，发现可以将传感器布置在管道的日常检查井或积水井内的连接管道的三通或阀门上。由于不能确定其检测的有效性，决定利用实验室油气管道试验平台进行试验，以探索其检测的有效性。试验管段长6000mm，管道压力模拟现场燃气管道的实际压力，即表压控制在
O.05MPa左右，流量约为1. 5m3/h，管道泄漏率约为1000-1500cm3/h。两个传感器布置在管道的两端，其中2号传感器的位置是一个法兰，如图1，泄漏点(用阀门代替)在距离I号传感器3645mm处，试验中设置的采样长度为2048，采样频率为106Hz。设置门槛值为30_50dB，前置放大器值为40dB。试验分析步骤分；两个阶段进行
(1)保持管道内介质处于流动状态，分别改变背景噪声等相关输入参数和泄漏量，重复采集信号数据和图像，选择适合的门槛值等参数，确定检测灵敏度，比较不同泄漏量下采集到的数据信号；
(2)对较小泄漏量信号进行小波变换消噪和相关分析，计算泄漏点位置，与实际泄漏位置进行比较，确定该方法的可行性。2、检测试验实验室管道上的泄漏口由阀门控制，因此以阀门的开度来衡量泄漏量大小，试验中将阀门打开角度控制在30度左右。经多次试验，确定相关输入参数，再进行三组实验，选其中的一组试验数据分析。I号和2号传感器位置分别是在Omm和6000mm处，泄漏阀门在3645mm处，图2的a、b、c、d、分别为I号和2号传感器的波形图和频谱图，通道定位图见图3 的 a、b、C、d。从图3定位图可知，泄漏点与2号传感器较近，大约在距离I号传感器4200mm左右的位置，与实际的泄漏点3645mm处相比较,误差率为15. 2%。3、小波消噪互相关分析采用小波分析,利用matlab小波工具箱对以上信号作消噪处理。选用db6小波对泄漏信号进行5尺度小波分解重构，可得消噪后的上下游负压波信号，如图4的a、b。对消噪后的重构波形作互相关分析，图5为两重构波形的互相关系数图。由互相关分析，计算时间差为I 95.66· 10、，可得泄漏点定位尺寸/泄漏Ρ3849·1·，误差率为5. 60%。对另2组实验数据进行计算，得到误差率分别为6. 05%和 7. 26%o可见，在管道运行状态下可以进行泄漏检测，只是得出泄漏源位置有偏差，但经小波消噪互相关分析处理后，泄漏源定位的结果准确率有较大提高，可以在实际工程中尝试应用。实例实例I基础数据管段一位于常州市新民路上，管长约为67. 5m，中压B级铸铁管，管道压力约为45KPa，管径约为426mm。该管段上有许多接头、套筒、阀门等连接口，如图6所示，I号传感器布置在该管段一端的三通上，2号传感器布置在另一端的阀门上，两个传感器的间距为67. 5m。从管道设计布置图可知，距离I号传感器5m、11m、17m、23m、29m、35m、41m、47m、53m、55. 6m、61. 6m的位置均是管与管的连接处。经测试输入适合的 门槛制等参数，分别采集了 3组数据，其中一组定位图如图7的
a、b、C、d0从定位图中大致判断在距I号传感器30m_40m之间的位置以及靠近2号传感器附近的位置，泄漏信号较为明显，但难以准确确定，需要对收集到的信号进行小波变换互相关分析准确定位。图8为小波变换后的互相关系数图。编制计算程序，用Matlab软件实现对两个信号的互相关计算，得出第一个泄漏口位置为/泄漏，933.51m，第二个泄漏口位置为/泄漏2 P67.41m。重复2组检测，得出平均定位结果如表I。
权利要求
1.一种城市燃气埋地管道泄漏检测定位方法，其特征在于 (1)城市燃气埋地管道的检测是在保持被测管道正常运行，即被测管道两端不关闭，不停止输气，同时不开挖管道，不影响城市正常交通、市容等状态下进行； (2)运用声发射技术，结合管道现有布设实际，基于负压波原理，实现埋地管道泄漏源的检测发现和定位，确保以地面巡检方式为主检测埋地管道技术所带来的泄漏定位的实时性与准确性； (3)结合小波消噪技术和相关分析法对检测采集信号进行处理，进一步提高对燃气埋地管道泄漏检测定位的准确性，并通过实例，验证该方法的可行性、可信性和方便性。
2.根据权利I要求所述一种城市燃气埋地管道泄漏检测定位方法，其特征在于所述的检测方法不需开挖管道来布置传感器，而是充分利用现有条件，将传感器布置在管道检查井或积水井中的管道连接(如三通、阀门等)处，设置适合的输入参数和输出信号，同时结合小波变换并进行相关分析。
3.一种城市燃气埋地管道泄漏检测定位方法应用，其特征在于 (1)在保持埋地燃气管道不停止运行，不被开挖情况下，合理布置传感器，选择适合的参数，建立检测系统； (2)通过模拟，管道管径为32mm，压力保持在O.05 O. 07MPa (表压)，流量为1. 5 ·2. 0m3/h，管道泄漏率为1000-1500cm3/h下试验，得出泄漏源在距离I号传感器4200 ·4300mm的位置，与实际的泄漏点3645mm处相比较，误差率为15. 2% ; (3)采用小波消噪技术对首末两端传感器所采集到的信号进行消噪处理，结合互相关分析进行泄漏定位，将泄漏点计算值与试验泄漏点位置比较，提高定位精度； (4)将地处常州市中心的某两段燃气埋地管道进行实际检测，检测管道为中压B级铸铁管，管径426mm，管道压力(表压)约为45KPa，流量约为2000m3/h，将传感器布置两端的阀门或三通上，经检测着两段管道在管与管之间的连接处共发现5个泄漏点； (5)计算结果与管道设计图比对，初步判定泄漏源位置，后经现场验证该方法应用结果与计算结果一致。
全文摘要
本发明公开了一种城市燃气埋地管道泄漏检测定位方法及其应用。本方法基于声发射技术，结合常州市城市燃气管道铺设现状，设计传感器的布置方案和相关参数，确定了在保持埋地管道正常输气以及不开挖管道情况下进行泄漏检测的方法。同时引入小波消噪和相关分析法，提高了定位精度，得出客观、可信的结果，在很大程度上方便和提高了声发射检测技术在城市燃气埋地管道泄漏检测中应用性，使得该方法在达到检测有效、准确、节约成本的同时，增强了普及实用价值，对加强城市燃气管道风险控制具有重要意义。
文档编号F17D5/06GK103062628SQ20121045174
公开日2013年4月24日 申请日期2012年11月2日 优先权日2012年11月2日
发明者郝永梅, 邵辉, 邢志祥 申请人:常州大学