劉翠偉，李玉星，孟令雅，孫玉萍

(1.中國(guó)石油大學(xué) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266555；2.中國(guó)石油大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266555)

隨天然氣工業(yè)的迅速發(fā)展，天然氣長(zhǎng)輸管道與城市燃?xì)廨斉涔艿冷佋O(shè)及使用亦越多。輸氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)[1-3]研究及應(yīng)用對(duì)輸氣管線(xiàn)系統(tǒng)安全運(yùn)行起重要作用。音波泄漏檢測(cè)技術(shù)[4-6]具有靈敏度高、定位精度高、誤報(bào)率低、檢測(cè)時(shí)間短、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；音波法可測(cè)量管線(xiàn)流體中微弱動(dòng)態(tài)壓力變化，與管線(xiàn)運(yùn)行壓力絕對(duì)值無(wú)關(guān)；音波法響應(yīng)頻率、檢測(cè)范圍更寬。雖輸氣管道音波法泄漏檢測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，但對(duì)泄漏音波信號(hào)進(jìn)行處理獲得直觀有效音波特征量成為制約該技術(shù)用于實(shí)際的瓶頸。

希爾伯特黃變換(HHT)[7]為對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)先進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，再對(duì)各分量信號(hào)作希爾伯特變換。與傳統(tǒng)的信號(hào)處理方法相比HHT變換具有諸多優(yōu)勢(shì)，即能分析非線(xiàn)性非平穩(wěn)信號(hào)、具有完全自適應(yīng)性、不受Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理制約、適合突變信號(hào)、瞬時(shí)頻率用求導(dǎo)獲得等。該方法用于地震波檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域研究[8-10]效果較好。

為提取輸氣管道音波法泄漏檢測(cè)技術(shù)有效的音波特征量及盡快用于實(shí)際工程，搭建實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究[11]，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行HHT分析，建立完整的HHT處理音波信號(hào)理論體系；選勝利油田孤島集中處理站與集賢集中處理站一段管線(xiàn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行HHT分析，驗(yàn)證音波法泄漏檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

1 希爾伯特黃變換理論

希爾伯特黃變換為自適應(yīng)的時(shí)頻分析法，用其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析主要步驟為，①用EMD方法分解信號(hào)，提取原信號(hào)中固有模態(tài)函數(shù)分量；對(duì)分解所得各固有模態(tài)函數(shù)分量作Hilbert變換，獲得其Hilbert譜與Hilbert邊際譜，從而進(jìn)行分析處理。

1.1 EMD基本原理

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)法能將非平穩(wěn)、非線(xiàn)性信號(hào)分解成一組穩(wěn)態(tài)、線(xiàn)性數(shù)據(jù)序列集，即本質(zhì)模態(tài)函數(shù)(IMF)。以時(shí)間序列數(shù)據(jù)s(t)為例，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法最后可得：

(1)

式中：ck(t)為IMF分量；rn(t)為平均趨勢(shì)分量。

1.2 瞬時(shí)頻率及HHT譜

Hilbert-Huang變換方法基于信號(hào)局部特征時(shí)間尺度，將信號(hào)自適應(yīng)分解為若干IMF分量之和，計(jì)算每個(gè)IMF分量的瞬時(shí)頻率及瞬時(shí)幅值。

對(duì)式(1)每個(gè)固有模態(tài)函數(shù)ck(t)作Hilbert變換得：

(2)

通過(guò)構(gòu)造解析信號(hào)，求出幅值函數(shù)、相位函數(shù)，進(jìn)而求出瞬時(shí)頻率為

(3)

忽略殘余項(xiàng)rn，其數(shù)據(jù)可表示為

(4)

式中：頻率ωj(t)、幅值aj(t)為時(shí)間的變量，可構(gòu)成時(shí)間、頻率、幅值三維時(shí)頻譜圖，此在時(shí)頻平面的信號(hào)幅度分布稱(chēng)為Hilbert時(shí)頻譜，簡(jiǎn)稱(chēng)Hilbert譜，以H(ω,t)表示。其可精確描述信號(hào)幅值在整個(gè)頻率段隨時(shí)間、頻率的變化規(guī)律。

邊際譜h(ω)定義為

(5)

式中：T為序列時(shí)間長(zhǎng)度。

將三維時(shí)頻譜對(duì)時(shí)間積分，便形成僅有頻率、幅值的二維譜圖。邊際譜可由統(tǒng)計(jì)意義表征整組數(shù)據(jù)每個(gè)頻率點(diǎn)的積累幅值分布，反映信號(hào)幅值在整個(gè)頻率段的變化。

2 實(shí)驗(yàn)室信號(hào)HHT分析

為研究希爾伯特黃變換在輸氣管道泄漏音波信號(hào)處理中的應(yīng)用及能獲得泄漏檢測(cè)有用的音波特征量，搭建實(shí)驗(yàn)管道[11]，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行希爾伯特黃變換分析。在距每個(gè)泄漏點(diǎn)10 cm處安裝PCB公司M106B音波傳感器，以確保能檢測(cè)到泄漏點(diǎn)音波信號(hào)，采樣率3 kHz。音波傳感器工作原理及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)見(jiàn)圖1。音波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集沿線(xiàn)布置的音波傳感器數(shù)據(jù)。

圖1 音波檢測(cè)系統(tǒng)

在輸氣管道上安裝音波傳感器時(shí)應(yīng)使受力隔膜置于水平，以便輸氣管線(xiàn)壓力穩(wěn)定時(shí)使隔膜受力平衡，不引起電壓輸出，讀數(shù)為0；輸氣管線(xiàn)發(fā)生泄漏瞬間，因音波擾動(dòng)使受力隔膜受聲壓作用，受力隔膜變形使石英晶體內(nèi)部產(chǎn)生極化并產(chǎn)生符號(hào)相反電荷從而產(chǎn)生電壓值，隨聲壓增大受力隔膜變形增大，電壓增大，直到聲壓達(dá)到幅值，電荷開(kāi)始釋放輸出電流信號(hào)，隨電流信號(hào)輸出電荷電量逐漸減小，從而使輸出電流信號(hào)逐漸減小，直至變0；輸氣管線(xiàn)持續(xù)泄漏時(shí)，聲壓始終作用于受力隔膜，但此時(shí)隔膜受力平衡不再發(fā)生變形，石英晶體不產(chǎn)生極化及電荷，因此無(wú)電流輸出，讀數(shù)為0。

音波傳感器采集的信號(hào)經(jīng)自身前置放大后，通過(guò)同軸電纜002C30與442B104型信號(hào)調(diào)理器相連，主要為音波傳感器提供工作電源，去除信號(hào)中直流成分；內(nèi)置有模擬濾波器，可去除高頻無(wú)用信號(hào)。從信號(hào)調(diào)理器輸出的信號(hào)通過(guò)電纜與數(shù)據(jù)采集卡相連，由于采集的為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，因此實(shí)驗(yàn)室選NI公司PCI-4474動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡有4個(gè)通道，采樣率高達(dá)102.4 kS/s，分辨率24 bits。所采信號(hào)最終傳至監(jiān)控主機(jī)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)處理，實(shí)現(xiàn)泄漏檢測(cè)及定位。

泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理主要通過(guò)LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)。音波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集管線(xiàn)沿線(xiàn)的動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。

2.1 穩(wěn)定信號(hào)與泄漏音波信號(hào)對(duì)比分析

穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)取音波信號(hào)及壓力為1 MPa、泄漏孔徑0.6 mm、點(diǎn)1泄漏時(shí)音波信號(hào)分別進(jìn)行HHT分析獲得信號(hào)幅頻特性、相頻特性、瞬時(shí)頻率、EMD分量、HHT譜及邊際譜，通過(guò)對(duì)比分析，提取用于長(zhǎng)距離輸氣管道泄漏音波信號(hào)檢測(cè)的特征量。

2.1.1 原始信號(hào)

由于實(shí)驗(yàn)室條件理想，所含背景噪音較小，見(jiàn)圖2。由圖2看出，穩(wěn)定時(shí)音波信號(hào)波動(dòng)幅值處于0.01 kPa及0.1 kPa數(shù)量級(jí)；泄漏時(shí)音波信號(hào)在泄漏時(shí)刻存在一突變值，下降值達(dá)13.5 kPa。

音波信號(hào)屬于突變信號(hào)，時(shí)域分析只能顯示其波形與幅值隨時(shí)間變化關(guān)系，用于泄漏檢測(cè)的音波特征量為動(dòng)態(tài)壓力幅值，不能全面描述信號(hào)特征。為進(jìn)一步分析音波信號(hào)從而提取泄漏檢測(cè)可用的特征量對(duì)信號(hào)進(jìn)行HHT分析。獲得幅頻特性、相頻特性、瞬時(shí)頻率、EMD分量、HHT二維譜能量、HHT三維譜能量及邊際譜特性7個(gè)音波特征量，并分析該特征量是否可用于泄漏檢測(cè)。

2.1.2 幅頻曲線(xiàn)

由圖3看出，穩(wěn)定與泄漏時(shí)比較知，穩(wěn)定時(shí)幅值在頻域上均勻分布；泄漏時(shí)幅值集中在低頻段，尤其在0～100 Hz低頻段區(qū)間，泄漏時(shí)幅值數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)大于穩(wěn)定時(shí)的幅值數(shù)量級(jí)；穩(wěn)定時(shí)、泄漏時(shí)均在頻率1 000～1 500 Hz間存在極值點(diǎn)，但由于此頻段信號(hào)不能遠(yuǎn)傳，因此，高頻段幅頻值并非有效特征量。低頻段幅頻特性為有效特征量。

2.1.3 相頻曲線(xiàn)

由圖4看出，通過(guò)比較穩(wěn)定信號(hào)相頻曲線(xiàn)與泄漏信號(hào)相頻曲線(xiàn)，無(wú)法獲得能明顯區(qū)分泄漏信號(hào)結(jié)論，因此相頻特性亦非理想中音波特征量。

圖2 實(shí)驗(yàn)室原始信號(hào)圖

2.1.4 瞬時(shí)頻率

由圖5看出，通過(guò)比較穩(wěn)定信號(hào)瞬時(shí)頻率與泄漏信號(hào)瞬時(shí)頻率，仍無(wú)法獲得能明顯區(qū)分泄漏信號(hào)結(jié)論，因此瞬時(shí)頻率亦非理想音波特征量。

2.1.5 EMD分量

由圖6看出，穩(wěn)定時(shí)EMD分量即各IMF無(wú)明顯特征的平穩(wěn)波動(dòng)，且波動(dòng)范圍較??；泄漏時(shí)EMD分量即各IMF均在泄漏時(shí)刻有明顯振蕩特性，其它時(shí)刻為平穩(wěn)波動(dòng)，因此EMD分量中IMF可作為音波特征量，具體哪個(gè)IMF可作為音波特征量需進(jìn)一步研究。

通過(guò)以上對(duì)穩(wěn)定工況信號(hào)及泄漏工況音波信號(hào)的時(shí)域特征、頻域特征分析，獲得頻域內(nèi)泄漏信號(hào)特征。為獲得信號(hào)的頻域特征，須用一段時(shí)間內(nèi)信號(hào)時(shí)域內(nèi)所有信息，且當(dāng)信號(hào)在某時(shí)刻小鄰域內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，信號(hào)整個(gè)頻譜會(huì)受影響，而對(duì)頻譜變化無(wú)法標(biāo)定發(fā)生變化時(shí)間及劇烈程度，即無(wú)法獲得泄漏信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)刻及該時(shí)刻對(duì)應(yīng)幅度。實(shí)驗(yàn)室因外界干擾噪聲較少，因此可通過(guò)觀測(cè)時(shí)域波形內(nèi)幅值對(duì)應(yīng)時(shí)刻判斷泄漏發(fā)生時(shí)刻，但現(xiàn)場(chǎng)存在較多噪聲影響時(shí)，時(shí)域內(nèi)奇異點(diǎn)判斷不再準(zhǔn)確，且無(wú)法獲得泄漏時(shí)刻頻域特征。因此可采用時(shí)頻聯(lián)合分析方法將信號(hào)轉(zhuǎn)換到時(shí)間-頻率二維平面或時(shí)間-頻率-能量三維平面，使處理后信號(hào)不僅含頻率信息及對(duì)應(yīng)時(shí)間信息、能量或幅值信息。由此獲得到HHT二維譜能量、HHT三維譜能量等特征量。

2.1.6 HHT譜二維圖

由圖7可知，或穩(wěn)定或泄漏時(shí)，音波信號(hào)能量在頻域上集中在低頻段，穩(wěn)定時(shí)能量在時(shí)間域分布均勻，泄漏時(shí)能量在時(shí)間域分布集中在泄漏時(shí)刻；而穩(wěn)定時(shí)信號(hào)在10～20 Hz之間也存在散亂分布，而泄漏信號(hào)集中在0～3 Hz頻段，且其它頻段分布非常均勻；而HHT譜二維圖僅能看出信號(hào)時(shí)頻分布，信號(hào)能量分布無(wú)法表示，因此二維HHT譜非理想音波特征量。

圖5 實(shí)驗(yàn)室信號(hào)瞬時(shí)頻率圖

2.1.7 HHT譜三維圖

由圖8的HHT三維譜看出，穩(wěn)定時(shí)音波信號(hào)能量值在頻域上集中在低頻段，而在時(shí)域上均勻分布，能量范圍處于0.01 kPa數(shù)量級(jí)；泄漏時(shí)音波信號(hào)能量值在頻域上仍集中在低頻段，在時(shí)域上存在突變點(diǎn)且位于泄漏時(shí)刻，泄漏發(fā)生前音波信號(hào)能量在時(shí)域上分布均勻，泄漏發(fā)生后音波信號(hào)能量在時(shí)域上同樣分布均勻，突變處能量范圍處于10 kPa數(shù)量級(jí)。因此，HHT三維譜將音波信號(hào)表現(xiàn)在時(shí)間-頻率-能量三維平面上，使處理后的信號(hào)不僅含頻率信息，也對(duì)應(yīng)時(shí)間信息及能量或幅值信息，可直觀檢測(cè)泄漏信號(hào)的音波特征量。

2.1.8 邊際譜

由圖9看出，低頻段區(qū)間，泄漏時(shí)幅值數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)大于穩(wěn)定時(shí)幅值數(shù)量級(jí)，因此，低頻段邊際譜為有效特征量。

由于實(shí)驗(yàn)采集的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)在穩(wěn)定工況或泄漏工況，均非由單一頻率構(gòu)成，而由不同頻率諧波信號(hào)疊加而成，該諧波信號(hào)幅值變化與相位變化均會(huì)最終作用于動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)引起信號(hào)特征變化，因此需研究動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)頻譜特征，明確泄漏引起的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)所處能量占優(yōu)頻段及幅度能量。綜上，音波特征量經(jīng)分析提取有用音波特征量為低頻段幅頻特性、EMD分量、HHT三維譜及低頻段邊際譜，其中低頻段幅頻特性、低頻段邊際譜雖能明確區(qū)分是否發(fā)生泄漏，但無(wú)法確定時(shí)域及泄漏發(fā)生時(shí)刻，EMD分量具體選取哪個(gè)分量需進(jìn)一步研究分析且可用信息復(fù)雜多變，而HHT三維譜在時(shí)域上直觀明確顯示泄漏發(fā)生時(shí)刻，在頻域上表現(xiàn)可提取用于遠(yuǎn)傳的低頻段，在能量域也能使泄漏、穩(wěn)定工況表現(xiàn)出明顯差異，因此HHT三維譜為最直觀有效的音波特征量，故選HHT三維譜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)信號(hào)HHT分析。

圖8 實(shí)驗(yàn)室信號(hào)HHT譜三維圖

圖9 實(shí)驗(yàn)室信號(hào)邊際譜

2.2 不同工況泄漏音波信號(hào)分析

通過(guò)不同泄漏工況實(shí)驗(yàn)，獲得同一泄漏點(diǎn)發(fā)生泄漏時(shí)泄漏孔徑0.45 mm，0.6 mm，0.7 mm，0.8 mm，運(yùn)行壓力1 MPa，2 MPa，3 MPa，4 MPa，5 MPa，距泄漏點(diǎn)0.1 m，48.09 m，108.78 m，159.51 m處HHT三維譜特征值為HHT三維譜在某低頻段范圍內(nèi)的泄漏幅值。

由圖10看出，①同一泄漏孔徑下，隨傳播距離增大HHT三維譜特征量值逐漸減小，減小趨勢(shì)不隨距離呈單一規(guī)律性，且不同壓力下變化趨勢(shì)基本一致。②同一壓力下，隨傳播距離的增大HHT三維譜特征量值逐漸減小；隨泄漏孔增大HHT三維譜特征量值逐漸增大。③同一傳播距離下，隨泄漏孔徑增大HHT三維譜特征量值逐漸增大；隨壓力增大HHT三維譜特征量值逐漸增大。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)信號(hào)HHT分析

據(jù)實(shí)驗(yàn)管道所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定HHT三維譜為音波特征量，選勝利油田孤島集中處理站與集賢集中處理站一段管線(xiàn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，探究HHT三維譜作為音波特征量的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。先選集賢集中處理站內(nèi)一段管線(xiàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得同站實(shí)驗(yàn)結(jié)果后選孤島站至集賢站間一段長(zhǎng)約28～30 km管線(xiàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)HHT三維譜作為音波特征量效果。

3.1 同站實(shí)驗(yàn)

3.1.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)工況

勝利油田孤島站來(lái)氣經(jīng)分離器分離，穩(wěn)定后進(jìn)入計(jì)量站計(jì)量，后經(jīng)管道輸送東營(yíng)，泄漏通過(guò)泄漏點(diǎn)處球閥打開(kāi)實(shí)現(xiàn)且泄漏處閥門(mén)內(nèi)徑與管線(xiàn)內(nèi)徑均10 mm，泄漏點(diǎn)位置見(jiàn)圖11，在距泄漏點(diǎn)下游約65 cm處接收音波信號(hào)。管線(xiàn)運(yùn)行工況為壓力1 MPa，瞬時(shí)流量15 720 m3/h，管線(xiàn)規(guī)格Φ426×6 mm，溫度27.5°。

圖11 集賢站所選管線(xiàn)流程圖

同站實(shí)驗(yàn)為：① 記錄管線(xiàn)不泄漏時(shí)音波信號(hào)，采樣頻率1 000 Hz；② 打開(kāi)球閥，記錄泄漏時(shí)音波信號(hào)，采樣頻率1 000 Hz，將泄漏信號(hào)及穩(wěn)定信號(hào)進(jìn)行HHT求解、對(duì)比分析；③ 記錄先打開(kāi)閥門(mén)，后關(guān)閉閥門(mén)過(guò)程的音波信號(hào)并處理分析，閥門(mén)開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)間差20 s，采樣頻率3 000 Hz。具體處理過(guò)程如下。

3.1.2 泄漏音波信號(hào)的HHT分析

3.1.2.1 泄漏信號(hào)與穩(wěn)定信號(hào)對(duì)比分析

(1) 原始信號(hào)。管線(xiàn)穩(wěn)定時(shí)音波信號(hào)在0值附近波動(dòng)且波動(dòng)較小，但由于現(xiàn)場(chǎng)工況背景噪聲強(qiáng)烈，使壓力波動(dòng)值較實(shí)驗(yàn)室工況壓力穩(wěn)定時(shí)壓力波動(dòng)值大；管線(xiàn)發(fā)生泄漏瞬間，管內(nèi)壓力平衡被破壞，音波信號(hào)有急劇下降沿，下降值達(dá)0.23 kPa，突變到一定幅值后迅速恢復(fù)至0附近，產(chǎn)生較小波動(dòng)后，動(dòng)態(tài)壓力值基本趨于0恢復(fù)初始狀態(tài)。

圖12 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)原始信號(hào)

(2) HHT譜三維圖。將所得音波信號(hào)進(jìn)行HHT求解，獲得穩(wěn)定及泄漏時(shí)音波信號(hào)的HHT譜三維圖，見(jiàn)圖13。由圖13可知，穩(wěn)定時(shí)音波信號(hào)能量值集中于頻域的低頻段，在時(shí)域上均勻分布，能量范圍屬0.01數(shù)量級(jí)；泄漏時(shí)，音波信號(hào)能量值仍集中于頻域低頻段，在時(shí)域上存在突變點(diǎn)且位于泄漏時(shí)刻，泄漏發(fā)生前音波信號(hào)能量在時(shí)域上分布均勻，泄漏發(fā)生后，音波信號(hào)能量在時(shí)域上亦分布均勻，能量范圍屬0.1數(shù)量級(jí)，突變處能量值達(dá)0.16 kPa；因此，HHT三維譜不僅可在時(shí)域上直觀檢測(cè)泄漏時(shí)刻，且可提取能量值占優(yōu)的遠(yuǎn)傳頻段。

3.1.2.2 泄漏發(fā)生與閥門(mén)關(guān)閉音波信號(hào)分析

(1)原始信號(hào)。由圖14看出，穩(wěn)定時(shí)信號(hào)在0值附近均勻波動(dòng)，泄漏發(fā)生時(shí)信號(hào)產(chǎn)生一下降沿，閥門(mén)關(guān)閉時(shí)信號(hào)產(chǎn)生一上升沿，且閥門(mén)關(guān)閉點(diǎn)與泄漏點(diǎn)間時(shí)間差為19.2 s，與設(shè)定的20 s接近，誤差源于手動(dòng)操作及時(shí)域計(jì)時(shí)的不精確。

圖13 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)HHT譜三維圖

圖14 閥門(mén)開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)音波信號(hào)原始信號(hào)圖

圖15 閥門(mén)開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)音波信號(hào)HHT譜三維圖

(2)HHT譜三維圖。由圖15看出，該三維圖存在兩突變點(diǎn)(30 590，1，0.160 6)，(88 670，1，0.137 9)，即音波信號(hào)能量存在兩突變值且較閥門(mén)關(guān)閉時(shí)刻相比泄漏時(shí)刻突變值更大，兩突變值間時(shí)間差為19.36 s，與所設(shè)20 s更接近，較時(shí)域的突變值時(shí)間差更準(zhǔn)確，提取可用于遠(yuǎn)傳頻段為0～1 Hz。

3.2 長(zhǎng)輸實(shí)驗(yàn)

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)工況

選孤島站至集賢站間28～30 km管線(xiàn)，在孤島站出口管線(xiàn)放氣模擬泄漏，打開(kāi)泄漏點(diǎn)處球閥，泄漏處閥門(mén)內(nèi)徑與管線(xiàn)內(nèi)徑均為10 mm。在集賢站進(jìn)口采集信號(hào)，采樣頻率1 000 Hz，布置見(jiàn)圖16。管線(xiàn)運(yùn)行工況：孤島站管線(xiàn)運(yùn)行壓力1.075 MPa，集賢站運(yùn)行壓力1 MPa，瞬時(shí)流量15 720 m3/h，管線(xiàn)規(guī)格Φ426×6，運(yùn)行溫度為27.5°。記錄閥門(mén)先開(kāi)后關(guān)過(guò)程的音波信號(hào)并處理分析，閥門(mén)開(kāi)、關(guān)時(shí)間差30s。具體處理過(guò)程見(jiàn)圖16。

圖16 孤島站至集賢站長(zhǎng)輸實(shí)驗(yàn)

3.2.2 泄漏音波信號(hào)HHT分析

(1) 原始信號(hào)。由于音波信號(hào)傳播28～30 km，使泄漏時(shí)刻產(chǎn)生的音波信號(hào)隱藏于背景噪聲中，僅從時(shí)域觀察是否發(fā)生泄漏變困難，見(jiàn)圖17。

圖17 長(zhǎng)輸管道實(shí)驗(yàn)原始信號(hào)

圖18 長(zhǎng)輸管道實(shí)驗(yàn)音波信號(hào)HHT譜三維圖

(2) HHT譜三維圖。將所得音波信號(hào)進(jìn)行HHT求解，獲得音波信號(hào)的HHT譜三維圖，見(jiàn)圖18。由圖18看出，該圖存在一突變點(diǎn)(56 400，1，0.174 4)，即音波信號(hào)能量存在一突變值，考慮同站實(shí)驗(yàn)時(shí)音波信號(hào)HHT譜三維圖的泄漏時(shí)刻音波信號(hào)能量突變值強(qiáng)于閥門(mén)關(guān)閉時(shí)刻音波信號(hào)能量突變值，長(zhǎng)輸管道對(duì)音波信號(hào)能量衰減作用相同，音波信號(hào)能量突變值較大時(shí)刻即泄漏時(shí)刻。此時(shí)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)信號(hào)難以檢測(cè)，此因閥門(mén)關(guān)閉前，由于氣體可壓縮性及管道彈性等因素，使泄漏后管道內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力未及時(shí)歸零而在某負(fù)值附近波動(dòng)，即閥門(mén)關(guān)閉前音波信號(hào)已占有能量，因此在閥門(mén)關(guān)閉后壓力上升引起的能量變化并不明顯，無(wú)法觀測(cè)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)刻。

4 結(jié) 論

通過(guò)適當(dāng)運(yùn)用希爾伯特黃變換信號(hào)處理方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)所得音波信號(hào)進(jìn)行HHT分析，結(jié)論如下：

(1) 綜合分析HHT變換獲得音波特征量，提取可用音波特征量為EMD分量、低頻段幅頻特性、HHT三維譜及低頻段邊際譜，其中HHT三維譜為最直觀有效的音波特征量，選HHT三維譜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)信號(hào)HHT分析。將泄漏音波信號(hào)通過(guò)HHT分析轉(zhuǎn)換到時(shí)間-頻率二維平面或時(shí)間-頻率-能量三維平面，使處理后信號(hào)不僅含頻率信息，亦對(duì)應(yīng)時(shí)間信息及能量或幅值信息。

(2) 通過(guò)同站實(shí)驗(yàn)中泄漏信號(hào)與穩(wěn)定信號(hào)對(duì)比分析，HHT三維譜可直觀檢測(cè)泄漏信號(hào)；通過(guò)同站實(shí)驗(yàn)泄漏發(fā)生與閥門(mén)關(guān)閉音波信號(hào)分析，HHT三維譜能量突變點(diǎn)明顯，能提高低頻段時(shí)頻分辨率。

(3) 通過(guò)長(zhǎng)輸管線(xiàn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明HHT三維譜為有效音波特征量的可行性及較高自適應(yīng)性。

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