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输气管道泄漏音波传播特性及监测定位

作者：董怀峰

来源：《中国科技博览》2013年第02期

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。

泄漏1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

音波法在输气管道泄漏检测中的应用2

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

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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（sumAD）、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。

漏点互相3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=τ时，0r12（τ）将达到最

大值，即：r12（τ）0=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τ，0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：

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李玉星[2]，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，

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