基于EMD技术的油气两相管道泄漏声学特征提取研究

作者与发表信息

本研究的通讯作者为Yuxing Li（中国石油大学（华东）），合作者包括Jian Ji、Cuiwei Liu、Dongxu Wang和Huafei Jing。研究团队来自山东省油气储运安全重点实验室及中国石油大学（华东）。论文《Application of EMD Technology in Leakage Acoustic Characteristic Extraction of Gas-Liquid, Two-Phase Flow Pipelines》于2018年11月发表于期刊《Shock and Vibration》，文章编号1529849，开放获取（Creative Commons Attribution License）。

学术背景

研究领域与动因

本研究属于多相流管道安全监测领域，聚焦气液两相管道泄漏声学检测技术。海洋油气开发与运输高度依赖多相流管道，但泄漏检测一直是管道安全领域的难点。相较于温度、压力监测等传统方法，声学检测技术（Acoustic Detection Technology）具有灵敏度高、定位精度好、误报率低等优势。然而，多相流管道中存在复杂的背景噪声（如气相与管壁摩擦、液相涡流等），传统方法难以有效提取泄漏信号特征。

关键科学问题

1. 泄漏声源机制：气液两相流中泄漏声源的产生机理与单相流存在显著差异，涉及气-液-固三相耦合振动。
   
2. 信号处理挑战：多相流噪声会淹没泄漏信号，需开发自适应信号分解算法。
   
3. 流型影响：分层流（Stratified Flow）、波状流（Wave Flow）和段塞流（Slug Flow）等流型对声学信号传播特性具有不同影响。
   

研究目标是通过经验模态分解（Empirical Mode Decomposition, EMD）技术，建立气液两相管道泄漏声学信号的提取与识别方法，并量化泄漏孔径尺寸与信号特征的关系。

研究方法与流程

1. 泄漏声源理论建模

研究团队基于薄壁环理论建立了管道振动模型，推导了泄漏声源的频率方程：
[ \delta^3 + k_2\delta^2 + k_1\delta + k_0 = 0 ]
其中δ为振动频率，k₀、k₁、k₂为与管道几何参数（直径d、壁厚h）、材料参数（泊松比σ）及振动波数n相关的常数。

声源类型分为：
- 四极子声源（Quadrupole Source）：由泄漏孔气体湍流产生，声功率与流速八次方成正比（Lighthill方程）。
- 偶极子声源（Dipole Source）：气固耦合振动导致。
- 单极子声源（Monopole Source）：管壁破裂引发的流体位移。

2. 实验设计与数据采集

实验平台：搭建DN80水平管道实验装置（图3），介质为空气与水，泄漏孔径为3–6 mm，采样频率3 kHz（满足Nyquist定理）。传感器采用美国PCB公司的PCB106B动态压力传感器（灵敏度43.5 mV/kPa）。

实验条件：
- 流型控制：基于Mandhane流型图选择参数，覆盖分层流（气速10 m³/h，液速1.0 m³/h）、波状流（气速15 m³/h，液速0.6 m³/h）和段塞流（气速25 m³/h，液速3.5 m³/h）。
- 泄漏模拟：通过球阀控制泄漏位置（管道顶部/底部），每组实验重复3次，共采集576组数据。

3. 信号处理与特征提取

EMD分解流程：
1. 提取信号极值点，拟合上下包络线；
2. 计算均值包络m₁(t) = (e_max(t) + e_min(t))/2；
3. 筛选本征模态函数（IMF），直至满足停止准则（SD < 0.3）。

特征量化方法：
- EMD信息熵：表征信号复杂度，计算各IMF能量占比熵值（公式13）。
- 归一化能量特征：分析不同流型下IMF能量分布规律（公式15）。

主要研究结果

1. EMD对泄漏信号的识别能力

• IMF分量差异：泄漏信号比无泄漏信号多1个IMF分量（图8–12），例如分层流从8个增至9个，表明EMD可有效分离泄漏声源。
  
• 流型影响：段塞流的IMF幅值调制范围（-5至5 kPa）显著大于分层流（-0.5至0.5 kPa），反映流型对声源强度的调制作用。
  

2. 泄漏孔径与信息熵的关系

在分层流条件下（气速15 m³/h，液速1.0 m³/h），泄漏孔径从3 mm增至6 mm时，EMD信息熵从1.72升至1.80（图13），但变化速率随孔径增大而减缓。段塞流中孔径对熵值影响不显著，因气液相互作用噪声占主导。

3. 流型对IMF能量分布的影响

• 气速影响：液速恒定时，第一IMF分量能量随气速增加而升高，第五IMF分量能量则降低（图14）。
  
• 孔径影响：第三至第七IMF能量随孔径增大而增加，其中第五IMF能量极值最显著（图15）。
  
• 归一化能量特征：第七IMF在三种流型中均占比最大，但段塞流的第五、第六IMF能量占比更高（图16）。
  

结论与价值

科学价值

1. 首次将EMD技术应用于气液两相管道泄漏检测，验证其在不同流型下的适用性。
   
2. 揭示了泄漏孔径与EMD信息熵的定量关系，为泄漏尺寸判断提供理论依据。
   
3. 提出的归一化能量特征方法可区分流型对声学信号的影响。
   

应用价值

研究为多相流管道安全监测提供了新方法，尤其适用于海洋油气输送管道的实时泄漏预警。EMD技术的自适应特性可减少对预置模型的依赖，提升复杂工况下的检测鲁棒性。

研究亮点

1. 方法创新：结合EMD分解与信息熵理论，解决了多相流噪声背景下弱泄漏信号的提取难题。
   
2. 实验设计：覆盖三种典型流型及多孔径条件，数据量达1728组，结论具有统计学意义。
   
3. 工程指导性：明确了流型选择对声学检测灵敏度的影响，为传感器布置优化提供参考。
   

其他发现

研究指出，后续需进一步探究声波在不同流型中的传播规律，以提升定位精度。此外，EMD算法的计算效率优化（如集成EMD/EEMD）是未来改进方向。

（注：文中公式及图表编号与原文献一致，便于读者对照查阅。）