（机械设计及理论专业论文）船舶管道泄漏监测与定位方法研究.pdf

必 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 黜姗躲黼嘲 啉驯年月0 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中 国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并 进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人 保留在其他媒体发表论文的权利。 一躲筋鳓 如咋 日强：m g6 旯j 稠 日期：f | 辱l 其f 矿日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者虢饬囝均 日期：砂怍么月夕日 指导教师签名： 日期：2 0 l g 伊f 口b 摘要 随着对船舶安全性能要求的不断提高，船舶机电设备的故障诊断技术得到不 断发展和应用。船舶管网大都运行在湿润、潮湿、振动的环境下，极易腐蚀和泄 漏。目前主要靠人工进行现场检查，不能及时发现和排除泄露故障，影响船舶的 正常运行。管道泄漏故障监测理论与技术发展非常迅速，已成功应用于石油、天 然气等管道在线泄露监测中，取得了显著的经济和社会效益。目前，对于复杂的 船舶管系泄漏故障诊断研究较少，尚没有较为成熟的应用技术。因此，本文重点 针对船舶中央冷却系统管系泄漏监测与定位方法进行了分析与实验研究，主要内 容包括： ( 1 ) 基于流体网络理论的船舶管道泄漏监测方法研究 分析了船舶中央冷却系统的工作原理，应用流体网络理论建立其计算模型。 通过模型可以计算管道中各点的压力、流量，当实际检测的流量、压力信号与理 论计算值的差超过一定的阈值就可以判定为泄漏。实验分析表明，该方法灵敏度 较高，对于微小的泄漏都能够进行判定。 ( 2 ) 小波分析在船舶管道泄漏中的应用 把小波变换应用到船舶管道泄漏信号的奇异性检测以及小波降噪中，在小波 变换的基础上，分析了软阈值和硬阈值去噪方法的不足，对小波降噪阈值模型的 选取进行了改进，该模型克服了硬阈值和软阂值方法的不足。仿真结果表明，基 于该模型的小波去噪是一种有效的去噪方法。 ( 3 ) 流体瞬变负压波传播速度及规律的研究 在负压波法监测船舶管道泄漏方法中，负压波波速是一个很重要的参数，它 不仅与流体本身的物理性质有关，还与管道的几何尺寸，材料的机械特性等有联 系。由于压力波波速受到很多因素的影响，现目前还没有一个很好的方法能够满 足实际对波速精度的要求。针对船舶的特殊管道，推导出在考虑管道变形以及气 体存在下的负压波波速的计算公式，在m a t l a b 中对各种波速影响因素进行了 分析，并且与也有的实验结果进行了比较，发现与实际是吻合的 ( 4 ) 检测方法的实验验证 采用虚拟仪器技术设计了一套基于相关分析技术的管道泄漏监测及定位系 统，分别采用负压波法和流体网络法对管道泄漏进行检测，通过实验验证了负压 波法与流体网络法应用于船舶管道泄漏检测的可行性。 关键词：泄漏检测；负压波；相关分析；小波变换；虚拟仪器 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s e so fd e m a n d si n s h i ps a f e ，t h e f a u l t d i a g n o s i st e c h n i q u eo f m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a l e q u i p m e n t i n s h i p h a sb e e n d e v e l o p e da n da p p l i e d c o n t i n u o u s l y t h es h i pp i p e l i n e sa r eu s u a l l yw o r k e di nt h em o i s t ，d a m pa n dv i b r a t i o n c i r c u m s t a n c e s ，w h i c ha r eo f t e ne r o d e de a s i l ya n dc a u s el e a k a g e s n o wt h el e a k a g e so f p i p e l i n ei ns h i pa r em a i n l yd e p e n do nt h ew o r k e r si n s p e c t i n g ，s ot h el e a k a g e sa r en o t u s u a l l yf o u n da n dt r e a t e d t h et h e o r ya n dt e c h n i q u eo fp i p e l i n el e a k a g ea r ed e v e l o p e d v e r yq u i c k l y , w h i c hh a sb e e nu s e di no i la n d n a t u r a lg a sp i p e l i n e s t h i sr e s e a r c hh a s d i s p l a y e dt h et r e m e n d o u ss a f ea n de c o n o m i ca c t i o n ，b u tt h e r ei sr a r er e s e a r c hi ns h i p s p i p e l i n el e a k a g ea n dn om o r em a t u r et e c h n i q u e t h e r e f o r e ，t h i sd i s s e r t a t i o na i m e da ta c e n t r a lc o o l i n gs y s t e mo fs h i p s ，t h em a i n l yc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es h o w n a s f o l l o w ( 1 ) r e s e a r c ho nt h em e t h o do fs h i pp i p e l i n el e a k a g ed i a g n o s t i cb a s e d o nt h ef l u i d n e t w o r kt h e o r y t h ep r i n c i p l eo fc e n t r a lc o o l i n gs y s t e mh a sb e e na n a l y z e di n t h i s d i s s e r t a t i o n ，a n di t sc o m p u t em o d e lw a s b u i l tu pa p p l y i n gt h ef l u i dn e t w o r kt h e o r y t h e m a i np a r a m e t e r sc a nb ec a l c u l a t e db yt h i sm o d e lo fa l lp o i n t s ，a n dl e a k a g es t a t u sc a nb e d e t e r m i n e dw h e nt h ee x a m i n e dp r e s s u r ea n df l o w r a t ea r eh i g ht h a nac e r t a i nv a l v e t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h i sm e t h o dh a sh i 曲a c c u r a c y ，a n di t c a l lc a r r yo n j u d g i n gt ot h ev e r ys m a l ll e a k i n e s sp o i n t ( 2 ) a p p l i c a t i o no fw a v e l e tt r a n s f o r mi nl e a kf o rp i p e l i n e s w a v e l e tt r a n s f o r mh a s b e e nu s e df o rt h ed e t e c t i o no fs i g n a ls i n g u l a r i t ya n df e l t i n g , t h ed e f i c i e n c yo fh a r d t h r e s h o l da n ds o f t t h r e s h o l dw e r ed i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o nb a s e do nt h ew a v e l e t t r a n s f o r m t h em o d e lo ft h r e s h o l dh a sb e e na l s oi m p r o v e d i tp r o v e dt h a tt h i sm o d e li s a ne f f e c t i v em e t h o d ( 3 ) r e s e a r c ho nt h ew a v es p e e da n dr e g u l a t i o no fn e g a t i v ep r e s s u r ew a v e a tt h e m e t h o db a s e do nn e g a t i v ep r e s s u r ew a v eo fe x a m i n i n gl e a k a g ei ns h i pp i p e l i n e ，t h e n e g a t i v ep r e s s u r ew a v es p e e di sav e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e r i ti sn o to n l yr e l a t e dt ot h e p h y s i c a lp r o p e r t i e so ff l u i d ，b u t i sa l s o a f f e c t e db yt h es i z eo fp i p e l i n e ，m a c h i n e c h a r a c t e r i s t i ce t c b e c a u s ep r e s s u r ew a v es p e e di si n f l u e n c e db yal o to ff a c t o r s ，s of a r t h e r ei sn o tag o o dm e t h o dw h i c hc a ns a t i s f yt h ea c c u r a c yo ft h ew a v es p e e d a i m i n ga t t h es h i p ss p e c i a lp i p i n g ，t h ef o r m u l ao fn e g a t i v ep r e s s u r ew a v es p e e dc o n s i d e r i n gt h e p i p i n gt r a n s f o r m sa n d t h ea i re x i s t sh a sb e e np u tf o r w a r d t h ei n f l u e n c ef a c t o r so fw a v e s p e e dh a v eb e e na n a l y z e db ym a t l a b t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r em a t c h e dw i t h t h ea c t u a le n g i n e e r i n g ( 4 ) d e t e c t i o nm e t h o de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h l e a k a g em o n i t o r i n ga n dp o s i t i n g e x p e r i m e n t a ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h ec o r r e l a t i o n a n a l y s i st e c h l l i q u e u s i n gt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u e m e t h o d so fn e g m i v ep r e s s u r ew a v ea n df l u i d n e t w o r ko fl e a k a g em o n i t o r i n gw e r ee x a m i n e dr e s p e c t i v e l y t h er e s u i t ss h o w e d t ，o m e t h o d sa r e f e a s i b l y k e y w o r d s ：l e a k a g ed e t e c t i o n ；n e g a t i v ep r e s s u r ew a v e ；r e l a t ea n a l y s i s ；w a v e l e t t r a n s f o r m ；v i r t u a l i n s t r u m e n t 目录 第一章绪论1 1 1 船舶管道泄漏监测方法研究的目的与意义1 1 2 管道泄漏监测方法综述2 1 2 1 基于信号的泄漏监测方法3 1 2 2 基于模型的泄漏监测方法6 1 2 3 基于人工智能的管道泄漏监测方法6 1 3 管道泄漏检技术的国内外发展现状7 1 3 1 管道泄漏监测技术的国外发展现状7 1 3 2 管道泄漏监测方法的国内发展现状8 1 4 管道泄漏监测方法的发展趋势1 0 第二章基于流体网络理论的船舶管道泄漏监测方法研究1 2 2 1 引言1 2 2 2 泄漏监测的原理与优点1 2 2 3 船舶中央冷却系统模型的建立1 3 2 3 1 中央冷却系统原理1 3 2 3 2 管件的模型。1 4 2 3 3 中央冷却系统模型的建立。1 5 2 4 实验分析1 8 2 4 1 没有泄漏时的实验分析2 0 2 4 2 泄漏发生后的实验分析2 1 2 5 小结2 3 第三章小波分析在船舶管道泄漏检测信号分析中的应用2 4 3 1 引言2 4 3 2 小波分析基础2 4 3 3 小波变换用于信号的奇异性检测2 5 3 3 1 多尺度微分算子2 5 3 3 2 实验分析信号的奇异性检测2 6 3 4 小波变换用于信号的去噪2 8 3 4 1 小波降噪的过程2 8 3 4 2 小波阈值处理的改进模型2 9 3 4 3 小波降噪的应用3 0 3 5 小结3 3 第四章基于负压波的船舶管道泄漏监测与定位方法3 4 4 1 引言3 4 4 2 基于负压波法的船舶管道泄漏检测3 4 4 2 1 负压波法的检测原理3 4 4 2 2 互相关函数模型。3 6 4 3 负压波法的泄漏判断3 9 4 3 1 常用的泄漏判断的方法3 9 4 3 2 负压波法的泄漏判断3 9 4 4 负压波法的定位判断4 1 4 4 1 已有的波速计算公式4 1 4 4 2 波速公式的推导4 2 4 4 3 波速影响因素分析4 4 4 4 4 上下游传感器监测的时间差的确定4 7 4 5 小结5 0 第五章管道泄漏监测实验研究5 1 5 1 实验研究的目的5 l 5 2 实验系统的监测原理以及软硬件组成5 2 5 2 1 实验系统监测的原理5 2 5 2 2 实验系统的组成一5 2 5 3 实验分析的主要功能模块5 5 5 3 1 数据采集模块。5 5 5 3 2 数据分析模块5 8 5 3 3 数据通信模块。6 1 5 4 实验分析的步骤与结论6 2 5 4 1 实验分析步骤6 2 5 4 2 实验分析结论6 7 5 5 小结6 7 第六章结论与展望6 9 6 1 本文结论6 9 6 2 本文的创新点7 0 6 3 研究工作展望7 0 致谢7 2 参考文献7 3 附录。7 6 附录a ：小波降噪的b l a t l a b 程序7 6 攻读硕士学位期间取得的科研成果。7 8 第一章绪论 第一章绪论 1 1 船舶管道泄漏监测方法研究的目的与意义 随着世界经济的发展，船舶工业得到快速发展，对船舶安全性能的要求也越 来越高。船舶管系作为船舶设备的重要组成部分，它是联系主辅机和有关设备的 脉络，使这些设备不断补充所需的燃油、冷却水等。船舶管系大多处在潮湿、高 温的恶劣环境中，极易腐蚀和泄漏。世界管道工业史大量的数据表明，管道泄露 事故的发生都有称为“浴缸效应”的一般规律l l l ，如图1 1 所示。该曲线表明：在整 个管道寿命区域内都有事故发生，只是发生事故的概率大小不同。事故发生的概 率分为三个阶段：第一阶段是初生期，第二阶段是稳定期，第三阶段是衰老期。 管道在初生期和衰老期发生事故的概率较高，在稳定期发生事故的概率较低。在 初生期发生破坏的原因是刚生产出来的管道在材质、防腐层、焊口等方面存在着 未被检查发现的缺陷或由于铺管时造成的管体损伤以及管道周围的环境未达到稳 定，因而事故发生概率比较高，但随着时间的延续，发生概率会逐渐降低。而进 入稳定期后，由于管道周围环境趋于稳定，在初生期造成事故的管道本身的一些 缺陷也通过维修得到解决，事故率比初生期显著降低。当管道的使用进入衰老 期，由于腐蚀、磨损、环境的改变等，事故率明显上升。 失效值 图1 1 管道失效的浴缸效应 f i g 1 1t h eb a t h t u be f f e c to fp i p e l i n ei n v a l i d a t i o n 时间( 年) 2 第一章绪论 在已发生的船舶事故中，大多是由于管道系统自身缺陷直接引起或事故引起 管道系统失效间接引起。管道泄漏不但影响船舶的安全运行，还有可能造成人员 伤亡和财产损失，间接的还可能造成环境污染。每年因管道泄漏而造成的事故损 失以及污染都相当惊人。1 9 9 4 年6 月2 日，英国建造的“海达”号客货轮在宁波开 往上海的途中，由于低压燃油管上应急截止阀的阀体断裂，燃油喷到正在运转的 辅机排烟管上，遇高温引起大火，火灾造成直接经济损失4 8 万余元，并使少量 的燃油流入大海造成污染。1 9 9 8 年3 月2 7r ，“晶河”轮辅机燃油管泄漏，喷溅 排烟管引起燃烧，造成数百万元的财产损失。2 0 0 1 年5 月3 0 日，江西省星子县 南门码头的赣州油0 0 0 8 号油船由于油泵舱内的油品过滤器及阀门密封垫圈老 化，大量汽油蒸发泄漏，因机舱内无透风设施，大量汽油蒸气在机舱内沉积，汽 油蒸气达到爆炸浓度极限后，发生爆燃造成火灾，造成两人死亡和数十万元财产 损失，大量汽油蒸发对周围的环境造成了极大的污染。 国内外对管道泄漏监测方法的研究己有几十年的历史，已经取得较为系统完 善的理论及应用成果，但主要针对的是输气、输油管道。船舶管道由于输送介质 的多样性、管道所处环境的多样性以及泄漏形式的多样性，使得目前还没有一种 通用的方法能够完全应用到船舶管道泄漏监测中。当船舶管道发生泄漏故障时， 目前主要靠人工进行现场检查，不能及时发现和排除泄露故障，影响船舶的正常 运行。各国都投入了大量的人力及经费对船舶管系进行了研究，主要集中在管系 防腐和管系堵漏方面的研究，还没有船舶管系实时监测与诊断的技术与设备。 对船舶管道泄漏监测方法进行研究，不但可以及时发现管系故障，降低修理 费用，减少突发事故，提高船舶运营率，保证运输效益，大大减少工作人员的劳 动强度，最大限度的降低泄漏对环境的影响，还可以提高机舱的科学管理水平， 为相关的船舶管系泄漏智能监测系统的开发奠定坚实基础，使船舶设备管理的技 术水平升级，显著提高船舶运行的安全性。因此，对船舶管道泄漏监测方法进行 研究显得尤为必要。 1 2 管道泄漏监测方法综述 世界各国都对管道的泄漏监测方法进行了大量的研究，已取得了显著的经 济、社会效益。管道泄漏监测方法根据监测过程中所使用的测量手段不同，可分 为基于硬件和软件的方法；根据测量分析的媒介不同，可分为直接监测法与间接 第一章绪论 监测法；根据监测过程中监测装置所处位置不同，可分为内部监测法与外部监测 法；根据监测对象的不同，可分为监测管壁状况和监测内部流体状态的方法。随 着计算机技术、信号处理技术、人工智能理论和传感器技术的快速发展，管道泄 漏监测与定位技术主要有：基于信号处理的泄漏监测定位方法、基于模型的泄漏 监测定位方法和基于人工智能的泄漏监测与定位方法等。 1 2 1 基于信号的泄漏监测方法 基于信号处理的泄漏监测定位方法不需要建立管道复杂的数学模型，只需要 根据管道工作的一些简单原理，在管道西端安装相应的传感器，通对两端的压力 传感器和流量传感器测得的压力信号和流量信号进行处理，就可以实现泄漏监测 与定位。该方法主要包括负压波法、压力梯度法、流量平衡法等。 ( 1 ) 负压波法 当管道发生泄漏事故时，泄漏处因流体的损失而引起局部密度减小，进而造 成瞬时压力降低，为了补充泄漏的流体，其余的流体会向泄漏处流动，形成一个 负压波。该波以一定的速度自泄漏点向两端传播，经过若干时间后，分别传播到 上下游，上下游压力传感器捕捉到特定的瞬态压力降的波形就可以进行泄漏判 断，根据上下游压力传感器接收到此压力信号的时间差和负压波的传播速度就可 以定位出泄漏点。该方法灵敏准确，无需建立管线的数学模型，原理简单，适用 性很强，但它要求泄漏的发生是快速突发性的，对微小缓慢泄漏不是很有效。 该方法目前是国内应用最广泛的方法，重庆大学杨进等人采用负压波法结合 小波分析技术【2 1 ，设计了一种自适应供水管网泄漏检测定位仪器系统，该系统由 主机、多个数据采集单元和内装i c 电路的加速度传感器组成，系统采用多探头 同时采集复杂分布管线的泄漏信息，能快速、准确地确认泄漏点。主机通过u s b 接口向各个数据采集单元发送数据采集命令，采集完成后主机接收所采集的数据 进行信号处理，以及检测信息的显示。该系统对1 0 0 1 5 0 0 m m 不同规格的管道进 行泄漏定位时，9 9 的漏点定位误差未超过l m 。天津大学李冰等人采用负压波检 测法辅以m o d e m 芯片2 9 0 1 c l 和c 8 0 5 1 f 系列单片机构建了一个嵌入式数据采集 与传输系统1 3 】，并通过m a t l a b 小波分析工具箱对采集的信号进行处理。整个系 统结构紧凑，系统定位误差不超过o 1 3 。 ( 2 ) 压力梯度法 该方法通过在管道上、下游两端各设置两个压力传感器监测压力信号，通过 上、下游的压力信号分别计算出上、下游管道的压力梯度。当没有发生泄漏时， 梯度变 折点即 力梯度 安装位 沿程温 ，如果 位置发 是监测 漏点的 ，通常 有泄漏 5 通过光纤传感器测定关于管道的温度分布状况，在管道泄漏时和无泄漏时管 道的温度分布状况会出现温度明显地下降的差别，由此确定出管道泄漏报警和确 定泄漏点位置。光纤监测法是一种有前途的管道泄漏监测技术，光纤传感器可以 分散地和定点地安装在管线上。光纤可以监测很宽范围的物理和化学特性，既可 以监测管道泄漏也可以定位泄漏点位置，但这种方法的成本较高。 第一章绪论5 下游信号 流量差 图1 3 下游流量 f i g 1 3d o w n s t r e a mf l o w r a t e 02 55t 51 01 2 51 51 7 52 02 2 52 5 2 7 53 03 2 53 s 3 7 54 04 2 5 4 54 t 5 5 05 2 5 时间 图1 4 流量差 f i g 1 4d i f f e r e n c eo ff l o w r a t e ( 5 ) 压力点分析法 该方法是在管道上某位置安装一个压力传感器，泄漏时漏点产生的负压波向 检测点传播，引起该点压力( 或流量) 变化，分析比较监测点数据与正常工况的 数据，可检测出泄漏。该方法具有使用简便、安装迅速等特点。美国谢夫隆管道 公司将p p a 法作为其管道数据采集与处理系统的一部分，试验结果表明p p a 具 有优良的检漏性能。但压力点分析法要求捕捉泄漏的瞬间信息，所以不能监测微 小的泄漏。该方法适用于监测气体、液体和某些多相流管道，已广泛应用于各种 距离和口径的管道泄漏监测。 ( 6 ) 声发射技术法 当管道发生泄漏时，流体通过裂纹或者孔向外喷射形成声源，然后通过和管 道相互作用，声源向外辐射能量形成声波，这就是管道泄漏声发射现象。利用适 6 第一章绪论 合的声发射传感器接收这些来自泄漏部位的声发射波，然后将机械波转变成电信 号并放大后传送至声发射主机，当没有泄漏的时候信号幅度维持在一定的值附 近，当泄漏时幅度发生异常波动，经过分析处理就可以判断泄漏并得到泄漏的位 置。该技术可以远距离、非接触进行泄漏检测，在工况简单的构件上有较好的效 果。但对于复杂的构件、多点泄漏源的情况，由于声波传播过程的衰减和波形畸 变严重，使得这种方法定位精度受到很大干扰。 1 2 2 基于模型的泄漏监测方法 基于模型的管道泄漏监测方法是通过建立流体管道的数学模型，以测量的压 力、流量等参数作为边界条件，由模型估计管道内的压力、流量等参数值。把估 计值与实测值比较，当偏差大于给定值时，即认为发生了泄漏。由于影响管道动 态仿真计算精度的因素众多，因此采用该方法进行检漏及定位的难度很大。此类 方法普遍的缺点是要求管道模型准确，运算量大，对仪表要求高。该方法包括有 故障模型法和无故障模型法两种。 ( 1 ) 无故障模型法 该方法通过建立管道模型并设计估计器，模型中不包含有泄漏的信息。通过 模型计算管道内流体的流量，当管道发生泄漏时，计算值和实测值的差值大于一 定的阈值就可以确定管道发生了泄漏。此技术需要实时地测量管道的流量、压力 和温度，应用实时瞬变模型计算这些对应的物理量的数值，通过连续地分析噪声 水平和正常的瞬间状态以减少泄漏的误报警。 ( 2 ) 有故障模型法 建立管道模型时预先假设管道有几处指定的位置发生了泄漏，通过对系统的 状态估计得到这几个预先假设的泄漏点的泄漏量估计值，当管道泄漏的时候，预 先设定的泄漏点的流量值等于估计值，运用适当的判别准则便可进行泄漏监测和 定位。该方法主要针对管道泄漏形式基本不变的场合，但当实际泄漏点不处于指 定泄漏点之间时，定位公式将无法使用。 1 2 3 基于人工智能的管道泄漏监测方法 基于人工智能的管道泄漏诊断方法的出现，大大提高了管道泄漏诊断的实时 性，为管道泄漏监测与定位方法的研究注入了新的活力，基于人工智能的监测方 法主要包括神经网络法。 ( 1 ) 神经网络法 第一章绪论7 神经网络是以工程技术手段来模拟人脑神经元网络的结构与特点的系统。以 管道两端的流量差以及管道各个站点问的压力差、压力、流量等作为神经网络的 输入，以专家的先验知识建立模糊规则，通过管道实际运行数据样本对神经网络 学习训练，优化网络权值，从而建立基于神经网络的管道泄漏诊断系统，当输出 值越接近1 ，表示该种泄漏发生的概率越大，当输出值越接近o ，表示该种泄漏 发生的概率越小。这种检漏方法能够迅速准确预报出管道运行情况，检测出管道 运行故障并且有较强的抗恶劣环境和抗噪声干扰的能力。 ( 2 ) 模糊逻辑法 该方法对管道运行实时压力波动进行预处理、特征提取、动态聚类，然后求 解动态聚类中心的波动指数。波动指数越小，说明管道运行状态越好，相反则认 定管道运行状态差，可能发生了泄漏。 1 3 管道泄漏检技术的国内外发展现状 1 3 1 管道泄漏监测技术的国外发展现状 国外管道管理先进的国家，如美国、英国、法国等，自上世纪7 0 年代以 来，就开始了管道泄漏监测研究，并在许多管道中安装了泄漏监测系统，效果显 著。美国休斯顿声学系统公司根据声学原理研制的声学检漏系统【1 1 ，由多组传感 器、译码器、无线发讯器等组成。该系统适用于气液体管道和多相、多种类产品 及网络管道等监测。其技术指标为：泄漏反应速度3 0 秒左右；最小监测泄漏孔 径3 2 m m _ ；定位精度小于3 0 m 或小于所监测管段的0 1 。该系统包括压力点分 析法和质量分析法两种独立的完全不同的监测方法，还包括管道动态智能点分析 法的连续监视及消除误报的方法。压力点分析法可在几秒内监测出漏孔直径最小 为1 6 m m ，泄漏量最小可达管输流量的0 1 左右，但距离过大时灵敏度也随之降 低。质量分析法是监测一段管道中全部的流入流出量，每分钟一次，计算流体质 量的平衡和变化，监测间距每段4 0 5 0 k m 。在该监测系统中综合应用了三种方 法，有效提高了系统的灵敏性和准确性。 英国的c o v a s l 3 8 】提出了在管道末端通过周期性开关阀门产生一个稳态振荡 流，用传递矩阵方法直接求解管道木端波动压力的频率响应。与管道系统无泄漏 时的压力频域响应图相比较，有泄漏时压力频域响应图中有附加的共振压力峰 值，且附加压力峰值要小于无泄漏的共振压力峰值，泄漏点的位置是通过波动压 力的频率响应计算得来。该方法原理简单，易于实现，但管道末端周期性开关阀 门的方法对于高压力，长距离的管道来说，产生振荡流是不符合安全生产运行要 求的，同时无法做到连续实时监测。 8 第一章绪论 v i t k o v s k y 2 8 j 等人提出在泄漏管道的瞬变流模型的偏微分方程为线性的前提 下，寻求偏微分方程的解析解，并将偏微分方程的解用傅立叶级数来表示。由于 所有傅立叶分量都由稳态管道动力系统的摩擦阻力唯一地衰减，而每个分量在有 泄漏的情况下衰减程度不同。这样，由泄漏引起的所有衰减就可分成两部分：衰 减的幅值表征了泄漏的大小，而利用不同傅立叶分量的不同衰减比来确定泄漏位 置。该方法不要求严格地确定边界条件及管道瞬态模型，理论上可监测到管道平 均流量0 1 的泄漏，精度较高。但该方法数学处理上要求泄漏能引起管道流体压 力振荡，当泄漏信号是微弱的情况下，如对于已存在的固定泄漏及缓慢、没有明 显压力波动出现的泄漏则失效。 美国的v e r d e l 3 0 】提出利用管道首末端的压力和流量信号间的冗余关系实现多 泄漏监测，泄漏监测是基于已知的管道分布模型，在状态空间将其离散化，根据 沿管道假定的一组泄漏分布实现泄漏监测定位。由于模型的建立根据不同的管 道，不同的方法而有所区别，因此该方法还有待进一步的研究。 t o s h i t a k 和a k i r a 提出以泄漏信号功率谱密度1 2 、基于a r 模型的破坏因子 等作为泄漏声信号特征，结合支持向量机来区别传感信号中的相关成分来自于泄 漏还是各种非泄漏声源，从而判断是否发生泄漏，但与管内非泄漏声源噪声相辨 识时，该方法易将管内噪声误判为泄漏信号。 b r i n k e r 技术公司开发的新技术p l a t e l e t s 技术，其灵感来源于人类的血小板。 当人身体的血管破裂时，血液里的血小板就会自行在血管破裂处凝结堵住伤口。 在管道流体中加入p l a t e l e t s 微粒，微粒随流体流至裂缝处时，流体的压力迫使微 粒进入裂缝，微粒紧贴管壁从而达到阻止泄漏。通过分析p l a t e l e t s 微粒的流向以 及结合相应的技术就可以实现泄漏的判断与定位，比起可替代传统的管道泄漏定 位方法，该方法可形成一整套管道泄漏问题解决方案，在管道安全运行方面能够 发挥重要作用。 1 3 2 管道泄漏监测方法的国内发展现状 随着故障诊断技术的发展，管道泄漏监测技术得到越来越多的重视，国内很 多高等院校以及企业都对管道的泄漏判断和泄漏定位进行了研究。清华大学与油 气集输公司联合研制的长输管道泄漏监测系统采用负压波进行泄漏监测和定位， 利用小波变换法和相关分析法同时进行判漏。天津大学采用负压波法进行泄漏监 测和定位系统基于l a b v i e w 开发平刽，利用修工f 的压力波速度公式，系统能 在泄漏的范围内反应，定位误差为被测管长的2 左右。负压波法对监测来的泄 漏信号是微弱的情况下，如对于已存在的固定泄漏及缓慢、没有明显负压波出现 第一章绪论 9 的泄漏则失效。 东北大学与胜通新科技丌发中心研制的流体输送管道泄漏智能诊断与定位系 统，采用输差与压力波综合法进行泄漏监测与定位，可测量单段最大管长为 5 0 k m ，漏点定位误差为管长的2 左右，最小监测泄漏量接近管道输量的2 ， 报警反应时间小于5 5 秒。该方法的缺点是泵阀等操作扰动或管道本身动力学变 化都非常敏感，易造成误检，从而使得情况变得复杂。 唐秀梨1 9 l 提出泄漏是流体紊乱射流和管道相互作用引起的，采用神经网络方 法辨识泄漏，区别管道正常和发生泄漏两类状态。该方法定位精度较高，但由于 以信号幅度、平均值等作为特征量，当管内或管外存在固定非泄漏声源时，泄漏 监测具有局限性。 李光海【2 0 】等人从泄漏声发射特征出发，在信号频率范围上选取某个频段，利 用功率谱密度与频率间存在的幂指数关系来判断泄漏发生。该方法对特定的泄漏 形式能够准确的进行泄漏判断，但泄漏信号频谱特征等随泄漏形式、管道条件的 不同而存在差异，被测管道泄漏信号频谱等先验知识较难准确获取。龚斌等为了 提高基于声衰减方法的漏点定位精度1 2 9 1 ，提出了一种利用声信号衰减和能量累计 对管道泄漏点进行精确定位的方法。该方法较其它的声衰减方法定位精度显著提 高，但这类方法被测管道声衰减模型的建立存在较大难度，若仅用一个固定的衰 减因子来表示泄漏声的衰减不全面，且泄漏声信号受到噪声的干扰，较难保证声 衰减信息的准确性，从而影响漏点定位。北京工业大学焦敬品等人研究了基于导 波理论的管道泄漏声发射定位技术，其技术原理是属于声波法【4 5 1 。根据模念的声 发射理论，将圆管中导波传播理论应用于管道泄漏的声发射监测，建立管道中泄 漏声发射信号的多模态传播模型，并在提取单一模态导波的基础上，提出了声发 射泄漏定位方法。 李炜1 2 5 l 等人提出利用序贯概率比检验法和监测延迟的补偿法来进行泄漏监 测，通过分析序贯概率比监测的性能及其应用于管道泄漏监测的不足，提出了缩 短序贯概率比检验延迟的方法，大大提高了系统泄漏监测速度，缩短了泄漏响应 时间，提高了泄漏监测灵敏度。白莉等人提出利用多传感器的信息融合思想m j ， 提出分布式监测与决策融合方法进行管道泄漏监测；而后又提出了一种基于光纤 干涉原理的新型分布式光纤检漏测试技术。该方法是利用s a g n a c 干涉仪测量 泄漏所引起的声辐射的相位变化来确定泄漏点范围，这种传感器可以用于气体或 液体运输管道。这种方法是把光纤传感器放在管道内，通过接收到的泄漏液体或 气体的声辐射，来确定泄漏和定位。由于是玻璃光纤，所以不会被分布沿线管道 的高压所影响，也不会影响管道内液体的非传导特性，而且光纤还不受腐蚀性化 学物资的损害，寿命较长。汪玮等人提出一种基于无偏卡尔曼滤波器估计的管道 1 0 第一章绪论 泄漏监测与定位方法【4 。该方法是一类用采样策略逼近非线性模型的方法，避免 了线性化，这种方法可以直接对非线性程度严重的管道模型进行泄漏监测，而不 需要先将其线性化，能够快速地监测出泄漏。胡瑾秋等人提出通过谐波小波的方 法来判断管道的小泄漏诊断1 2 3 j ，该方法利用谐波小波时频图、时频等高线图以及 时频剖面图挖掘管道泄漏敏感特征，准确提取负压波拐点，谐波小波泄漏监测法 在噪声干扰下对小泄漏信号识别的准确率较高。 从研究现状可以看出，国内外对管道泄漏监测方法的研究都已经比较深入。 对于突发的泄漏能准确的进行泄漏判定与定位，但对于小泄漏的判定、对于多个 泄漏点定位、多分支管的泄漏等研究还不够深入。研究的管道泄漏监测系统已经 在实际中得到了应用，但国外的系统检测精度通常比国内的要高，系统的响应时 间也较短，比如我国东北大学与胜通新科技开发中一t l , 研制的流体输送管道泄漏智 能诊断与定位系统，系统响应时间为5 5 秒左右，而美国休斯顿声学系统公司研 制的声学检漏系统则为3 0 秒左右。国内一般综合一种或两种泄漏监测方法建立 检测系统，而国外考虑的则更多，比如美国休斯顿声学系统公司研制的声学检漏 系统就综合了三种泄漏监测方法，对泄漏的判定也更加准确。国内外对管道泄漏 监测主要针对的是石油、天然气管道，对于船舶管道泄漏的监测研究还很少。船 舶管网由于运行的环境不同，主要在湿润、潮湿的环境下工作，管网极度容易腐 蚀、泄漏，船舶的管网比一般的输油、输气管道要复杂的多，不但分支管道多， 特种管道也各不相同。通常船舶管网发生泄漏时，主要靠人工进行现场的检查， 这对于排除船舶故障时间周期太长，影响船舶的运行，劳动工人的劳动强度也很 高，因此针对船舶管网进行专门的研究显得尤为重要。 1 4 管道泄漏监测方法的发展趋势 目前的泄漏监测和定位方法是多学科多技术的集成，特别是传感器技术、模 式识别技术、通信技术、信号处理技术和模糊逻辑、神经网络、专家系统等人工 智能技术等的发展，促进了泄漏监测定位方法的进一步发展。可对流量、压力、 温度、密度、黏度等信息进行采集和处理，通过建立数学模型、信号处理、神经 网络的模式分类，或通过模糊理论对监测区域或信号进行模糊划分，从而提取故 障特征等进行监测和定位。虽然管道泄漏智能诊断与定位研究的方法很多，但它 们都有着共同的发展趋势： ( 1 ) 注重管道在线无损监测技术的发展 随着对船舶安全性能要求的提高，无损监测管道的常规方法即超声波法、射 第一章绪论 线透照法，无疑在将来将是主要的监测手段。 ( 2 ) 管道泄漏监测定位技术向智能化方向发展 把现代控制理论的新方法用于泄漏监测诊断上，发展微机在线实时监控和基 于人工智能诊断的专家系统。实际的管道是非线性时变参数系统，因此自适应算 法的应用也是液体输送管道泄漏监测技术研究的一个重要内容。 ( 3 ) 进一步提高信号的信噪比 实际管道的泄漏监测信号中混杂着大量的噪声，这些背景噪声的幅度有时甚 至可以将泄漏产生的有用信号淹没。因此，有效的滤波方法也是管道泄漏监测技 术研究的一个重要内容。 ( 4 ) 建立更加精确的泄漏监测系统 由于管道泄漏的多样性和复杂性，单一的泄漏监测方法很难同时满足监测泄 漏灵敏度、定位准确度、误报警率和及时报警等多项要求。为了提高管道泄漏监 测系统的准确性和可靠性，应将各种泄漏监测方法有机结合，建立多方法