摘? 要： 闡述了依據負壓波法，應用相關分析法進行管道泄漏檢測的原理，給出了漏點定位的算法。實現了對管道泄漏位置的定位，大大提高了泄漏報警的準確性和定位的精確性。
關鍵詞： 泄漏檢測； 相關分析； 負壓波法； 時延估計
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近年來，輸油管道泄漏事故不斷發生，給國家的經濟帶來巨大損失，人員傷害及環境污染。建立管道泄漏監測系統，及時準確報告事故的范圍和程度，可以最大限度地減少經濟損失和環境污染，這就要求輸油管道泄漏監測系統具有以下幾個基本特性[1]：泄漏監測的靈敏性，實時性，定位的準確性。
早期石油天然氣管道的泄漏檢測主要是直接觀察法，由有經驗的技術人員攜帶檢測儀器設備或經過訓練的動物分段對管道進行泄漏檢測和定位。通過看、聞、聽或其他方式來判斷是否有泄漏發生。這類方法具有定位精確度高和較低的誤報率的特點，但不能及時發現泄漏，檢測只能間斷地進行。
本文提出了應用相關分析理論結合負壓波法對管道泄漏進行檢測并定位的方法。該方法不需要詳細了解管道內部流體性狀，不需要建立管道正常和故障狀態的數學模型，也無需人為從壓力變化曲線圖上去確定兩個端點的壓力變化突變點，避免了人為誤差，大大地提高了系統的定位精度。該檢測方法不僅可以用于石油管道的泄漏檢漏，也可以用于自來水管道的泄漏檢測，具有很好的推廣價值。
1 負壓波泄漏檢測與定位原理
管道發生泄漏時，在泄漏處因流體的損失而引起局部流體密度減小，導致瞬時壓力降低，出現速度差。瞬時的壓降作用在流體介質，形成一個負壓波。負壓波以聲速向管道上下游傳播，利用設置在管道兩端的壓力傳感器檢測壓力波信號，根據信號變化程度和變化的時間差，采用信號相關處理方法進行泄漏判定和泄漏定位。
負壓波定位原理圖如圖1所示。假設管道長度L、壓力波傳遞速度v、油品的流速a。
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由于壓力波的傳播速度一般在1000 m/s以上，而油品的流速a=1.5～3 m/s 所以a可忽略不計。得到常規的負壓波法定位公式為:
由式(1)可以得出：根據負壓波的傳播速度和兩端壓力傳感器捕捉到這種負壓波的時間差就可以進行泄漏點的定位。本文采用相關分析方法確定時間差。
2 泄漏定位的相關算法
2.1 相關函數的概念
對于兩個不同的函數f1(t)和f2(t), 其相關函數記為：
式中，τ為延時時間(或位移)。相關函數反映了兩個不同函數的相似程度，因此可以描述兩個信號之間有無關系或者其相似程度，被廣泛應用在分析機械振動與聲學測量等工程領域。相關函數分析方法不僅是一種噪聲過濾方法，濾除信號中的不相關成分，提高信噪比，提取弱信號，還可用來進行系統識別和故障診斷。在管道泄漏檢測方面就是利用了其時延估計的特點。
2.2 相關分析法檢測管道泄漏原理[2]
??? 在管道的首端(X點)和末端(Y點)通過傳感器檢測到的信號，設其樣本函數分別為:
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??? 當沒有泄漏時,相關函數的值將維持在穩定值附近；當發生泄漏時,相關函數將Rxy(?子)將發生較大的變化,當變化量達到一定數值(閾值)時，則認為管道發生泄漏。當相關函數Rxy(τ)達到峰值時，所對應的值正好與所對應的壓力波傳播到兩個端點的時間差相一致。由于相關函數Rxy(τ)取極大值的必要條件為Rxy(τ)在τ0處的導數等于零，由此可求出τ0，并確定Δt=τ0。在L和v已知的前提下利用公式(1)即可計算出X的值，從而確定泄漏點的位置。
3 管道泄漏檢測系統組成
3.1 管道泄漏檢測系統簡介
管道實時檢測系統示意圖如圖2所示。
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本系統建立在SCADA系統平臺基礎上，其總體結構由上位機與下位機構成。
下位機主要完成數據的采集與數據傳輸任務。上位機作為系統的監控中心通過公用電話網輪流接通下位機MODEM后，向下位機定時發送傳輸命令，并接收下位機數據。上位機將接收到的數據分別進行實時分析處理，重點對采集的信號進行相關算法的編程，并經終端顯示，給出泄漏處的位置。
為了保證管道首末兩端數據采集時間的同步、數據處理的實時性、提高泄漏檢測的定位精度，本系統采用GPS技術實時校正首末端計算機的系統時間。
3.2 管道泄漏檢測系統中的相關算法
在實際應用中，泄漏點的壓力信號經模數轉換后的信號是離散時間序列。計算數字信號的相關函數一般不直接應用公式(6),而是利用互功率譜密度法。其計算原理圖如圖3所示。
對兩個輸入信號x(n)、y(n)作傅氏變換得到x(k)、y(k),兩頻譜相乘得互功率譜密度函數，由于相關函數的傅氏變換就是功率譜密度，因此對互功率譜密度作反變換就得到兩個時域信號的互相關函數值，這種方法大大減少了計算量。
3.3 管道泄漏檢測系統中相關分析方法的關鍵技術
(1) 閾值的選取[4]
閾值的選取直接影響到系統的檢測精度。閾值較大時系統靈敏度較低，但可靠性較高，即誤報警數較少；閾值較小時系統靈敏度較高，但誤報警數增多。實際操作中的閾值必須通過大量實際數據的計算、比較后選出。這些數據包括正常運行時的數據、工況變化時的數據和泄漏時的數據。總的原則是使指標閾值大于正常運行狀態時的指標函數值且低于絕大多數情況下泄漏試驗中所達到的值。
(2) 采樣時間T的選取
T是一個非常重要的參數，直接影響到相關分析法檢測和定位的靈敏性和可靠性。由參考文獻[5]可知，泄漏變換的時間約為200 s,考慮到緩慢泄漏時的情況，采樣時間可取400 s。
(3) 采樣信號的去噪處理
由于工業現場的電磁干擾、輸油泵的振動等因素，采集到的壓力波信號序列附加了大量噪聲。在相關處理運算時，為了運算簡便，通常認為泄漏信號與噪聲信號各自獨立，噪聲NX(t)和NY(t)也不相關。實際上，噪聲可能來自獨立的噪聲源(即兩者獨立不相關)，也可能來自公共噪聲源(相關噪聲)。當存在公共噪聲且強度較大時，泄漏信號將會被噪聲信號淹沒。因此計算機在對采樣的數據進行相關運算之前，必須對這些信號進行濾波處理。
3.4 相關泄漏檢測應用的局限性
在實際測試中，小泄漏產生的噪音將強于大泄漏產生的噪音，如果在同一區域同時存在大、小兩種泄漏，大泄漏產生的信號將被淹沒。另外，有些干擾噪音如減壓閥發出的聲音信號與泄漏信號非常接近，這種聲音信號及另外的一些背景噪音都可能完全掩蓋掉泄漏產生的信號。
為了克服以上存在的不足，可以運用多種先進、有效的信號處理方法改善其性能。如：使用自適應濾波方法，利用前一時刻已獲得的濾波器參數等結果，自動地調節現時刻的濾波器參數，以適應信號和噪聲未知的或隨時間變化的統計特性，有效地從噪聲中估算出信號成分，同時移去與信號不相關的噪聲，且在設計時只需要很少或根本不需要任何關于信號和噪聲的先驗統計知識。
在管道泄漏眾多的檢測方法中，基于相關分析的負壓波管道泄漏檢測方法只需對管道兩端的壓力信號進行檢測，不需構建數學模型，具有實現簡單、檢測精度高等特點。但它要求泄漏是快速的、突發性的。如果管道泄漏的速度很慢、沒有明顯的負壓波出現，則此方法失效。
參考文獻
[1] ?周志坤.自來水管道泄漏相關檢測定位系統研究.儀器儀表學報,2006,25(4).
[2] ?喻彬，孫士平.基于相關檢測的漏點定位系統設計.國外電子測量技術,2006,25(10).
[3] ?吳曉琴.相關分析在泄漏檢測技術中的應用.儀器儀表用戶,2004(2).
[4] ?徐潔.管道相關檢測儀性能優化方法的研究. 管道技術與設備,2003(6)：37-38.
[5] ?韓建. 相關分析法在輸油管道泄漏檢測和定位中的應用研究. 核電子學與探測技術, 2007(1).