基于多层次法的输气管网泄漏声发射检测及定位方法研究

摘要

输气管网已成为整个天然气储运系统的重要组成部分，许多国家在规划发展天然气工业时，对建设输气管网系统越来越重视。随着管网使用量的增加，管网在运输油气介质过程中，由于其老化、节点连接处密封不严、变径管使用不当等原因将导致介质发生泄漏。声发射检测技术能实现泄漏事故的早期探测与预警，并能够快速对泄漏源进行定位，有利于事故的提前预防，减少泄漏带来的损失，为生产经营中的油气管网提供工具化和技术化支持。 建立管网泄漏二维模型，利用COMSOL仿真软件模拟管网不同工艺参数和介质类型下的泄漏信号传输特征，研究不同泄漏源位置、压力、信号采集点位置以及介质类型对泄漏信号的影响，为输气管网泄漏检测实验设计提供理论指导。 基于气液泄漏与扩散大型实验系统，利用气体循环系统参数可调、流量可读等优点，开展泄漏工况模拟、声发射泄漏信号采集以及声发射信号传输特性等三方面的实验研究。定性探讨管网有无发生泄漏的信号特征，并对微小泄漏进行早期识别，同时研究了介质压力、流量以及管网部件对泄漏信号幅值衰减的影响。最后，比较输气管网泄漏信号与COMSOL模拟管网泄漏信号的时频特征，得出两者结果基本一致。 以实验室输气管网模型为对象，提出多层次定位方法。该方法分为三步：第一步为基于Modified Subtract on Negative Add on Positive(MSNAP)方法的区域粗定位，MSNAP方法能将大型复杂空间拓扑管网定位问题转化为较小型平面管网定位，其主要基于各节点状态信息构造似然矩阵，通过求解似然矩阵中的最大值确定泄漏源所在平面区域；第二步为基于多传感器信息融合技术的区域精定位，该方法能将较小型平面管网定位问题转化为直管道定位；第三步为精确定位，精确定位包括适用于小型支管道的单传感器定位方法和适用于大型支管道的改进长直管道定位方法。单传感器定位方法基于模态声发射理论计算模态波的频散曲线，结合经验模态分解-希尔伯特黄(EMD-HT)和Gabor小波方法求出模态波的速度和抵达时间，该方法能将定位误差控制在6%内。改进的长直管道定位方法充分利用信号的衰减特性确定泄漏源区域，再结合小波包分解方法和互相关函数求出泄漏源-传感器距离，最终将长直管道泄漏源的定位误差控制在5.3%内。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2声发射技术在输气管网泄漏检测中的国内外研究现状

1.2.1 输气管网泄漏检测方法

1.2.2 输气管网泄漏声发射信号处理技术

1.2.3 输气管网泄漏源定位研究现状

1.3本文的主要研究内容

1.3.1课题研究意义

1.3.2主要研究内容

第2章 管网泄漏声发射检测基本原理研究

2.1 声发射检测技术基本理论

2.1.1 声发射技术定义

2.1.2 声发射波的传播

2.1.3 声发射检测基本原理

2.2 管网泄漏声发射检测机理

2.2.1 管网泄漏声发射信号的传播特性

2.2.2 管网泄漏声发射检测理论模型

2.3 声发射信号采集原理与信号传输

2.3.1声发射传感器

2.3.2声发射信号的采集与传输

2.4 本章小结

第3章 基于COMSOL的输气管网泄漏声发射机理研究

3.1COMSOL Multiphysics的特点

3.2COMSOL Multiphysics可供选择的模块

3.3 管网泄漏声发射信号传播仿真

3.3.1 仿真步骤

3.4 输气管网泄漏声发射机理研究

3.4.1 不同泄漏源位置的信号仿真分析

3.4.2 不同电压下的信号仿真分析

3.4.3 不同泄漏信号采集点处时域和频域信号分析

3.4.4 不同介质下管网泄漏声场模拟

3.5 本章小结

第4章 输气管网泄漏声发射检测实验研究

4.1管网泄漏的声发射检测实验系统设计

4.1.1 实验装置的建立

4.1.2 搭建声发射信号采集系统

4.2管网泄漏的声发射检测实验研究方案

4.3管网内漏声发射检测实验结果分析

4.3.1 判断有无发生泄漏

4.3.2 微小泄漏进行早期识别

4.3.3 两处泄漏源声发射信号时频分析

4.3.4 最佳检测条件研究

4.3.5 断铅速度计算

4.4 本章小结

第5章 输气管网泄漏源定位研究

5.1 泄漏声发射信号的处理方法

5.1.1 EMD的特征信号提取

5.1.2 小波转换的泄漏信号频率确定

5.2 区域粗定位

5.2.1 SNAP基础

5.2.2 MSNAP定位技术的原理

5.2.3 MSNAP定位方法在管网中的应用

5.3 区域精定位

5.3.1 多信息融合基础

5.3.2 多信息融合原理

5.3.3 支管道的初步泄漏诊断

5.3.4 基于证据理论的泄漏管道决策

5.4 精确定位

5.4.1 传统的长直管道定位

5.4.2 改进的长直管道定位

5.4.3 单传感器定位

5.5 本章小结

第6章 结论

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢