（机械设计及理论专业论文）船舶管路泄漏实验台架的设计与实现.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明 i | l i i l l i i l l l i | i | i i l l 删i i i i i l l l l i i l l i i l i l i l y 19 019 7 8 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， 均已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。 学位论文作者签名：霸彳幺 日期驯年和黟日 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。 学位论文作者签名：译盘 日期：2 9 年午月立5 日 指导教师签名：寥乡咿多| 殳 日期：如l 年4 月y 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。 学位论文作者签名：雄幺 日期：矽忙争月每日 指导教师签名：彭l 中尹摩 日期：弘j f 年年月西日 摘要 世界船舶科技迅猛发展，船舶工业成为高新技术应用的重要领域，现代造船 技术从模式到工艺都发生了质的变化，安全和环保技术成为世界船舶科技发展中 的新热点。船舶管系是船舶的重要组成部分，犹如人体的血管，它们是联系主辅 机和各有关设备的脉络，大多数处于潮湿、高温、振动的恶劣环境中，泄漏难以 避免，成为影响船舶安全航行的重大隐患，轻则影响船舶正常运行，重则可以导 致设备或结构失效发生沉没事故。因此船舶管道的泄漏检测与定位具有十分重要 的现实意义。 本文主要完成了以下研究： ( 1 ) 在分析船舶典型管系的泄漏机理后，搭建了典型船舶的动力管路模拟 系统。 ( 2 ) 选择适当的传感器，并在指定管道间安装了压力变送器和超声波流量 计，利用数据采集卡对压力和流量信号进行了实时的采集。 ( 3 ) 由于外界或者电路内部的影响，所采集的原始数据包含了信号和噪声。 有时信号的变化与噪声的幅度相当，使得信号变化趋势被淹没，后面的数据分析 结果不能获得预期的效果。本研究结合了小波降噪、小波变换与负压波相关分析 的方法实现了对船舶管道泄漏监测定位。 ( 4 ) 实验系统的软件部分利用了虚拟仪器l a b v i e w 。在l a b v i e w 软件 平台上所编制的系统能够完成对信号的接收、处理和分析等过程，并且在此基础 上，系统可以通过对数据的分析判断管路是否发生泄漏并能够定位出泄漏点。 本文构建了一个集实验操作、数字化采集、小波分析、虚拟仪器技术融合的 基本框架，实现了船舶管道泄漏监测的初步工作，为以后进一步开展相关研究奠 定了基础。 关键词：船舶管道泄漏定位；负压波；小波分析；l a b v i e w a bs t r a c t t h em a l j n es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p e dr a p i d l y s h i p b u i l d i n gi n d u s t r yh a s b e c o m ea ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o no fh i g h - t e c h t h em o d e la n dt h ep r o c e s so fm o d e m s h i p b u i l d i n gt e c h n o l o g yc h a n g e dd r a m a t i c a l l y s a f e t ya n de n v i r o n m e n t a lt e c h n o l o g y h a sb e c o m ean e wh o ts p o to fs h i p p i n gt e c h n o l o g y l i k et h eb o d y sb l o o dv e s s e l s ，t h e p i p i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h es h i p i ti st h el i n kb e t w e e nt h em a i na n d a u x i l i a r ye n g i n ea n dr e l e v a n te q u i p m e n t t h e ya r ed i s t r i b u t e di nv a r i o u sp a r t so fs h i p ， m o s ti nt h ew e t , h e a t , v i b r a t i o na n dh a r s he n v i r o n m e n t i ti sd i f f i c u l tt oa v o i dl e a k a g e o fp i p i n g p i p e l i n el e a k a g eh a sb e c o m ea m a j o rh a z a r do ft h en a v i g a t i o ns a f e t y i tc a n i m p a c tt h en o r m a lo p e r a t i o no ft h es h i p ，a n de v e n c a l lm a k ee q u i p m e n to rs t r u c t u r a l f a i l u r e t h ef a i l u r em a y b ew i l lr e s u l ti ns i n k i n ga c c i d e n t s ot h es h i pp i p e l i n el e a k a g e d e t e c t i o na n dl o c a t i o na r e 、加t l lg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h ef o l l o w i n gs t u d i e sh a v eb e e nc o m p l e t e d ： ( 1 ) t h es t r u c t u r eo fat y p i c a ls h i p sp o w e rl i n es i m u l a t i o ns y s t e mh a sb e e n c o n s t r u c t e da f t e ra n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo ft y p i c a lp i p i n gs y s t e m ( 2 ) t h es u i t a b l es e n s o rh a sb e e ns e l e c t e d t h ep r e s s u r et r a n s m i t t e ra n dt h e u l t r a s o n i cf l o wm e t e rh a v eb e e ni n s t a l l e do nt h eg i v e np i p e r e a l - t i m ep r e s s u r ea n d f l o ws i g n a l sh a v eb e e na c q u i r e db yd a t aa c q u i s i t i o nc a r d ( 3 ) b e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n ta n dc i r c u i t , t h eo r i g i n a ld a t a i n c l u d es i g n a la n dn o i s e c h a n g eo ft h es i g n a li sa l m o s ta sm u c ha st h ee x t e n to fn o i s e ， s o m e t i m e s i tm a k e st h et e n d e n c yo fs i g r 曲s u b m e r g e d e x p e c t e dr e s u l t sc a nn o tb e g o tb yt h ef o l l o w i n gd a t aa n a l y s i s s h i pp i p i n gl e a k a g em o n i t o r i n ga n dl o c a t i o na r e a c h i e v e db yw a v e l e td e - n o i s i n g ，w a v e l e tt r a n s f o r ma n dn e g a t i v ep r e s s u r ew a v e a n a l y s i sm e t h o di nt h i ss t u d y ( 4 ) l a b v i e wv i r t u a li n s t r u m e n ti su s e di nt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m t h e s y s t e mb a s e do nl a b v i e ws o f t w a r ep l a t f o r mc a nc o m p l e t et h es i g n a lr e c e i v i n g ， p r o c e s s i n ga n da n a l y s i s ，a n do nt h i sb a s i s ，t h es y s t e mc a nd e t e r m i n et h r o u g ht h e a n a l y s i so ft h ed a t aw h e t h e rt h el e a k a g eh a p p e n e da n dw h e r et h el e a k a g ep o i n t i s t h eb a s i cf l a m ew h i c hi n c l u d i n ge x p e r i m e n t a lo p e r a t i o n , d a t aa c q u i s i t i o n , a n a l y s i s ，i n t e g r a t i o no ft h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yh a sb e e ne s t a b l i s h e d , t h e p r e l i m i n a r yw o r ko fs h i pp i p e l i n el e a k a g em o n i t o r i n gh a sb e e nd o n e ，a n dt h i si st h e f o u n d a t i o no ff u r t h e rr e s e a r c e l k e yw o r d s ：s h i pp i p e l i n el e a k ；n e g a t i v ep r e s s u r ew a v e ； l f 蛆v ! w 目录 第一章绪论。 1 1 1 船舶管道检测系统的研究意义l 1 2 船舶管道泄漏检测评价指标2 1 3 船舶管道泄漏检测方法概述2 1 4 船舶管道泄漏检测技术现状分析6 1 5 国内外船舶故障诊断技术研究状况7 1 6 船舶管道泄漏检测方法的发展动态9 1 7 本文主要的研究工作9 第二章管道泄漏检测方法研究。1 0 2 1 负压波联合流量法原理1 0 2 1 1 负压波泄漏检测原理1 0 2 1 2 负压波波速的求取。1 1 2 1 3 改进算法13 2 1 4 循环迭代算法13 2 1 5 龙格一库塔算法14 2 2 实验采集数据的处理方法15 2 2 1 小波分析1 5 2 2 2 小波算法16 2 - 3 小波阈值消噪17 2 3 1 小波阈值消噪的引入1 7 2 3 2 阈值消噪原理1 7 2 - 3 3 小波包消噪处理步骤2 0 2 4 改进的实时小波算法在船舶管路泄漏监控中的运用2 0 2 5 互相关检测在船舶管路监控中的运用2 1 2 5 1 互相关方法引入2 1 2 5 2 互相关检测用于船舶管路小泄漏的识别2 2 2 6 信号的奇异性检测2 4 2 6 1 小波模极大值与信号奇异点位置的关系2 4 2 6 2 奇异点位置的确定一2 4 2 7 本章小结2 5 第三章船舶管道泄漏检测实验系统2 6 3 1 船舶管道泄漏检测实验系统总体结构2 6 3 2 流量计的选型及安装一2 7 3 2 1 流量计的选型原则2 7 3 2 2 常用流量计性能比较2 7 3 2 3 所选流量计的型号介绍3 0 3 2 4 传感器的安装方法3 5 3 2 5 流量计安装后的检查3 7 3 3 压力变送器的选择及安装3 8 3 3 1 压力变送器的选择3 8 3 3 2 压力变送器的特点及连接3 9 3 4 数据采集卡的选择与应用3 9 3 4 1 数据采集概述3 9 3 4 2 数据采集目的及原理4 0 3 5 本章小结4 1 第四章数据采集软件开发4 2 4 1 虚拟仪器技术概述4 2 4 1 1 虚拟仪器概念4 2 4 1 2 虚拟仪器系统的软件构成4 4 4 1 3 虚拟仪器系统软面板的设计标准4 5 4 1 4 确定虚拟仪器系统应用程序编程语言4 5 4 1 5 虚拟仪器开发平台u m v m w 4 5 4 2 船舶管道泄漏系统软件设计与实现4 6 4 2 1 u 蝠v i e w 简介4 6 4 2 2 泄漏监测系统主界面4 6 4 2 3 参数设置模块4 7 4 2 4 阈值测试模块4 7 4 2 5 软件系统总设计框图4 8 4 3 本章小结。4 8 第五章管道泄漏检测实验及实验结果分析4 9 5 1 船舶管道检测系统软件参数设置4 9 5 2 数据采集过程一5 0 5 3 实验结果分析计算5 5 5 3 1 实验数据记录5 5 5 3 2 定位误差分析5 5 5 4 本章小结5 6 第六章总结与展望。! ；7 6 1 全文总结5 7 6 2 展望5 8 参考文献6 0 致谢。6 3 在校期间发表的论著及取得的科研成果6 4 在校期间发表的论著6 4 参加的科研项目6 4 l 一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 船舶管道检测系统的研究意义 随着世界经济贸易持续增长，中国航运业和船舶工业迅猛发展，中国已成为 世界第一航运大国。为保障船舶安全运行，船舶装置故障诊断技术成为了一门新 型应用技术。 船舶故障诊断技术发展至今已经取得了相当多的成果【l l ，有的技术已投入到 实际应用中，并产生了积极的效果，但仍存在许多问题有待解决。目前，人们侧 重于船舶运行和船舶动力装置故障诊断系统的研究，而对影响船舶安全运行的管 系的故障诊断领域涉及甚少。船舶管系是船舶的重要组成部分，犹如人体的血管， 它是联系主辅机和各有关设备的脉络，为使这些设备能良好运行而不断补充所需 的燃料、润滑油、冷却水和压缩空气等。它们分布于船舶的各部位，数量多，间 距小，维修保养复杂。船舶终年航行漂泊于水上，管系大多数处于潮湿、高温、 振动的恶劣环境中，管系的泄漏难以避免，成为影响船舶安全航行的重大隐患， 轻则影响船舶正常运行，重则可以导致设备或结构失效发生沉没事故。 船舶管道自投入使用至其寿命极限，其事故率会遵循一个浴盆曲线如图1 1 所剥2 1 。在管道的投产初期，由于其设计、施工以及管材等多方面的缺陷，管道 事故率会较高。随着时间的延续，事故率会逐渐下降，这一阶段称为早期故障期； 在此期间以后的一段时间内，事故率会保持在一个较低的水平，这个阶段称为偶 然故障期；随后，由于管道老化以及外部腐蚀的原因，事故率会逐渐上升，直至 管线全部报废，这段时期称为耗损故障期。 故 障 率 l 早期故障期偶然故障期 耗损故障期时间 图1 1 管道寿命曲线 f i g u r e l 。1p i p el i f ec a l v e 随着远洋船舶向专业化、大型化、高速化、智能化和减少船员配置的方向发 展，船舶设备运行状态的安全监控显得更为重要。开发船舶管系智能故障诊断系 统，对于降低修理费用、减少突发事故、提高船舶运营率和准时率、保证运输效 2 第一章绪论 益和货运质量、提高机舱的科学管理水平等都有很大的促进作用。 1 2 船舶管道泄漏检测评价指标 对船舶管道泄漏检测性能的评价，应从以下几个方面加以考虑【3 】： ( 1 ) 灵敏度：检漏系统能检测管道泄漏的大小范围； ( 2 ) 定位能力：是否能对泄漏点精确定位以及定位精度； ( 3 ) 评估能力：对泄漏量大小估计的能力； ( 4 ) 检测时间：从泄漏开始到系统检测出泄漏所需要的时间； ( 5 ) 有效性：是否能连续检测整条管道； ( 6 ) 误报警率：能够准确地检测出泄漏，因操作失误和设备故障等因素发 出报警的比率是否较低； ( 7 ) 适应能力：是指检漏方法能否对不同的管道环境、不同的输送介质及 管道发生变化时，是否具有通用性； ( 8 ) 可维护性：可维护性是指系统运行时对操作者有多大要求，及当系统 发生故障时，能否简单快速地进行维修； ( 9 ) 费用：指系统运行及维护的费用。 1 3 船舶管道泄漏检测方法概述 目前，国际上已有多种船舶管道泄漏检测和定位方法，根据测量手段、测量 媒介、检测装置所处位置和检测对象的不同，大体上可分为直接检测法与间接检 测法、内部检测法与外部检测法、监测管壁状况和监测内部流体状态的方法1 4 j 。 近年来较常用的是内部检测法和外部检测法，如图1 - 2 所示。 ( 1 ) 管外检测法直接检测泄漏于管外的流体( 油、水、气等) ，它包括许多 传统的检测手段，例如沿管线巡查，以及借助于纤维光学传感技术或电缆的碳氢 化合物传感技术检测； ( 2 ) 管内检测法也被称为计算机管道监控，它通过应用仪器仪表对管道内 部运行参数( 例如压力、流量和温度等) 进行检测，然后将管道内部运行参数作为 输入数据，根据泄漏引起的流量、压力等物理参数发生的变化，通过人工分析和 计算推理得出运行管道是否发生泄漏，因此也称推理检测法。 第一章绪论 3 图1 2 管道泄漏检测方法 f i g u r e1 2d e t e c t i o nm e t h o do fp i p el e a k a g e 4 第一章绪论 各种检测方法原理与特点如表1 1 所示【4 】。 表1 1 管道泄漏检测方法 t a b l e l 1d e t e c t i o nm e t h o do f p i p el e a k a g e 序检测 号方法检测方法基本原理 检测方法特点及适用范围 名称 0 ， 1 管内将探测球从管道一端放入，球在管道 定位较为准确，但是投资巨 检测内部机组流动介质的推动顺流而下，采用大，实时性差，只适用于较大口 法漏磁、超声波、涡流、录像等技术采集管径管道，而且极易发生管道堵塞、 道内的信息，然后从管道另一端将探测球停运等严重事故。 取出，最后进行数据分析和处理，确定泄 漏点位置。 2 人工由技术人员携带检测仪器或经过训练定位精度高，误报率低，但 巡检的动物分段对管道进行检测。依赖于人的敏感性、经验和责任 法感，只能发现较大的泄漏，并且 检测是间断的进行，实时性差。 3检测在管道外侧按适当间隔设置相应的检检测定位精度高，但不适用 元件测元件，以检测管道泄漏的液体。 于已建成管道。 法 4 气体 利用检测有无可燃气体的方法来确多用于气体管道。受温度、 检测定可燃性气体及液体的泄漏，一般多采用 污染或机械运行的影响较小，但 法基于直接接触燃烧热原理的可燃性气体检对密闭空间内的管道泄漏检测时 测器。易引起燃烧或爆炸事故。 5压力当管线上有泄漏发生时，泄漏点处压多数情况下需要安装至少一 梯度力将发生变化，形成以泄漏点为拐点的压 只压力传感器在站外，容易受到 法力梯度曲线。通过求解压力曲线的拐点， 破坏。 可大体算出泄漏点的位置。 6负压当管道某处突然发生泄漏时，泄漏具有很快的响应速度和较高 波法处将出现瞬态压力突降，形成一个负压波。 的定位精度，可以迅速检测出大 利用压力传感器捕捉负压波特征进行泄漏 的泄漏，自动化程度高，但对于 判断和泄漏点定位。 比较小的泄漏或已经发生的泄 漏，检测效果不佳。 第一章绪论 5 7压力 在管道沿线设点进行压力检测，用只需要一个或几个检测点的 点分统计的方法分析检测值，提取压力变化曲压力信号，不需要建模，存储数 析法线，并与管道处于正常运行状态时的曲线据量和计算量都比较小，对气体 作比较，根据两者之间的差别来判断泄漏 管道泄漏的响应时间比较快，但 是否发生。是无法定位，同时对泄漏量的评 估能力比较差。 8流量 管道无泄漏运行时，管道的入口流量原理简单，但只能大概判断 平衡应该等于出口流量。有泄漏时，在管道的 泄漏的发生，不能进行定位。检 法 入口与出口将出现明显的流量差。测周期长， 9 声学该方法通过声音传感器检测沿管壁 泄漏检测准确率高，定位精 方法传播的泄漏点噪声，利用相关信号处理技 度高，但沿程安装大量传感器在 术进行泄漏检测和定位。许多场合是不适宜的，限制了其 应用。 1 0状态 建立管道内流体压力和流量的状态该方法假定两站的压力不受 观测方程，对管道流量的实测值和观测值的偏泄漏量的影响，仅适于小泄漏量 器法差信号采用适当的算法进行检漏。情形。 l l 系统辨识出管道模型，与管道实际值进假设两站的压力不受泄漏量 辨识行比较来进行泄漏判断。 的影响，也仅适于小泄漏量情形。 法 1 2 卡尔建立包含泄漏量在内的压力、流量状该法需要知道过程噪声的均 曼滤 态空间离散模型，以管道首末端的压力和值、方差等先验知识，且检测与 波法流量作为输入，将整个管道空间定量划分定位精度和等分段数有关。 为若干段，在每一个分段点上设定压力、 流量、泄漏量等3 个状态，并以各分段点 处泄漏量作为输出，运用适当准则进行泄 漏检测和定位。 1 3 实时建立管内流体动态模型，定时采集检测精度依赖于模型和硬件 模型 管道上的一组实际值，由模型观测管道中的精度，且泄漏点的定位机理大 法 流体的压力和流量值，然后将这些观测值都是基于线性压力梯度法。 与实测量值作比较来检漏，若二者不一致， 则说明管道发生泄漏。 6 第一章绪论 1 4 瞬变建立检测系统，系统由瞬变流模型，准确性、可靠性较高，但模 流模检测装置，计算机和数据采集板组成。通 型比较复杂。 型法过采集数据、模型分析以及通讯来检测管 道泄漏。为提高检测的准确性、灵敏度及 精度，可在监测管道中间增加若干压力和 温度传感器。 1 5 统计使用统计方法，对管道的入、出口的不需要建立管道模型，计算 分析压力、流量值进行分析，连续计算发生泄量比较小，误报警率低，适应环 法 漏的概率。确定泄漏发生后，采用最小二境能力强。但是对仪器的精度要 乘算法进行定位。求比较高，对气体管道泄漏的响 应时间比较慢。 1 6神经基于人工神经网络的方法对管道运行实时性好，并且具有较强的 网络 状况进行分类识别，是一种基于经验的类 抗恶劣环境和抗噪声干扰的能 法似人类的认知过程的方法。力。但作为一项新的技术，人们 对它还需要一个认识过程。 1 7 模式对泄漏产生的瞬态负压波进行特征提抗干扰力强，具有高效快速 识别取和结构模式识别，以此进行泄漏检测。的特点，但需要丰富的经验。 法 1 4 船舶管道泄漏检测技术现状分析 目前很多管道泄漏监测方法仅仅适用于长输油管道，虽说在其它领域有所应 用，但在船舶管道中尚未得到利用【5 l ，因此船舶管道的泄漏检测与定位具有十分 重要的现实意义，但同时也面临了许多尚待解决的问题： ( 1 ) 管道的小泄漏检测和定位； ( 2 ) 如何增强泄漏检测和定位系统的自适应能力和自学习能力； ( 3 ) 如何将多种方法有机的结合起来进行综合诊断，发挥各自的优势，从 而提高整个系统的综合诊断性能： ( 4 ) 如何有效解决管道的非线性分布参数的时间滞后问题。 现阶段的泄漏检测和定位手段是多学科多技术的集成，特别是随着传感器技 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 等人工智能技术的发展，为泄漏检测定位方法带来了新的活力，可对诸如流量、 压力、温度、密度、粘度等管道和流体信息进行采集和处理，通过建立数学模型， 或通过信号处理，或通过神经网络的模式分类，或通过模糊理论对检测区域或信 号进行模糊划分，利用粗糙集理论简约模糊规则，从而提取故障特征等基于知识 第一章绪论 7 的方法进行检测和定位，将建立管道的数学模型和某种信号处理方法相结合、将 管外检测技术和管内检测技术相结合、将智能方法引入检测和定位技术实现智能 检测、机器人检测和定位等作为研究方向。 在我国，由于现实条件所限，比如油品物性的差异、设备的可移植性差、性 价比低等，我们很难从国外直接引进技术和设备进行船舶管道泄漏监测，在这种 条件下，我们必须自行研究开发具有实用性的技术设备。 在一系列的研究对比中，基于负压波的检测方法是相对最为经济可行的。负 压波检漏技术是近年来迅速发展起来的一种新的检测技术1 6 j 。当船舶管道上某点 发生泄漏时，在泄漏处将引起压力降，形成一个负压力波。该压力波将以一定的 波速向管道两端传播，经过若干时间分别传到管道两端的压力变送器。根据压力 变送器检测到的压力波形特征判断是否发生了泄漏，根据压力波传到船舶管道两 端压力变送器的时间差对泄漏点定位【。由于我国船舶管道流量测量仪器的精度 及配备存在不足，负压波检漏技术在实际中具有更大的研究和推广价值。目前该 技术在液体管道泄漏诊断领域中的技术研究主要表现在以下五个方面： ( 1 ) 提高系统采样频率，以提高对泄漏信号的捕捉能力； ( 2 ) 采用g p s 时钟同步技术，以消除系统由于运行时间增加带来的累积误 差： ( 3 ) 采用多线程技术，实时快速对大量数据进行处理； ( 4 ) 采用无相移滤波降噪方法，如奇异值降噪技术、小波降噪技术等，保留 压力拐点的幅值与相位信息； ( 5 ) 采用现代数字信号处理方法，提高对泄漏波形的识别和定位能力。 1 5 国内外船舶故障诊断技术研究状况 在以信息技术为代表的高新技术的带动下，世界船舶科技迅猛发展，船舶工 业成为高新技术应用的重要领域峭】，船舶技术发展呈现出前所未有的活力，现代 造船技术从模式到工艺都发生了质的变化，安全和环保技术成为世界船舶科技发 展中的新热点。纵观全球，世界主要造船国家纷纷加大科技创新力度，各种大型 综合性船舶科研计划相继出台。我国船舶工业如果不能紧跟当今世界船舶科技发 展的总体趋势和方向，与先进水平的差距将会进一步加大。 “十一五以来，我国船舶科技实力明显增强。但与先进造船国家相比，我 们船舶工业的技术实力和水平还存在相当大的差距，主要表现为：基础领域缺乏 原创技术，自主船型缺少国际品牌，关键配套尚无自主产品，船舶设计技术基础 薄弱，技术储备不足，造船管理技术落后，信息化应用水平低。目前，我国虽然 是一个造船大国，但还不是造船强国，在某些关键领域仍然受制于人。 8 第一章绪论 随着计算机、网络、通讯等技术的飞跃发展，以及信息技术在现代船舶上的 广泛应用，将对船舶的安全航行、提高航运效率、降低营运成本、促进科学管理 起到了空前的作用1 9 。如船舶设备管理及保养信息在保证船舶设备管理水平方面 发挥了重要作用。国外大型船舶基本上都装有机舱检测系统、主机工况检测、主 机功率检测装置，这些系统对船舶机舱所有的机电设备做实时检测、记录、报警 等信息化处理，判断各类设备当前的运行状态。信息化、自动化、智能化是当今 国际船舶技术研发的前沿与热点。“船舶自动化技术和“船舶企业信息化工程 应用技术 被列入国家船舶科技发展“十一五 规划纲要的“重点技术领域 优先主题 ，“机舱自动化系统”被列为重大创新项目。 随着船舶安全性能要求的不断提高和信息化技术的发展，船舶装置故障诊断 技术是为了保障船舶安全运行而形成的- - n 新型应用技术1 1 0 j 。2 0 世纪以前，船 舶结构简单、维修费用低，人类对船舶的维修方式基本上是事后维修，及某部分 运行出现问题后再进行故障分析和维护，故障诊断完全没有引起人们的重视。进 入2 0 世纪后，随着船舶设备本身技术水平和复杂程度的提高，设备故障对船舶 产生显著影响，出现了定期维修，以便在事故发生之前加以处理。1 9 6 0 年以后， 海难事故频发，人们开始意识到传统的定期维修的弊端，开始变定期维修为预知 维修，即监测船舶的工作，预先发现潜在的故障因素，及早采取措施，防止突发 性故障。预知维修方式，不仅大大减少了灾难的发生，而且避免了失修和过剩维 修，经济效益可观，很快被大多数船舶公司所公认，促使船舶故障诊断技术得到 了迅速的发展。 故障诊断技术发展至今，取得了很大的进步。但是目前，故障诊断方法的分 类还没有统一的标准。根据其理论和方法的特点，一般分为基于信号处理的方法、 基于解析模型的方法和基于知识的方法等三类【l l 】： ( 1 ) 基于信号处理的方法。通常利用信号模型，直接根据检测数据进行判 断，也可采用相应的信号分析与处理方法，如相关函数、频谱、自回归滑动平均 等，提取诸如方差、幅值、频率等特征。 ( 2 ) 基于解析模型的方法是最早发展起来的故障诊断方法。它又可以分为 参数估计方法、状态估计方法、等价空间方法等三种。 ( 3 ) 基于知识的方法。与基于信号处理的方法类似，也不需要系统的定量 数学模型，但它克服了后者的缺点，引入了诊断对象的许多信息，特别是可以充 分的利用专家诊断知识等，所以是一种很有前途的方法，尤其是在非线性系统领 域。其中，人工神经网络和模糊逻辑推理应用前景最为广泛。 世界上现今虽有一些可用于实际故障诊断专家系统，但也仅适合于某一机 型，难以适合我国航海事业发展的需要。我国在船舶故障诊断、维修及工况优化 第一章绪论 等方面研究起步较晚。近年来，虽然经过国内航海界众多院校、研究所的专家努 力，取得了一定的成绩，但由于设计思想与实际应用不尽相符，轮机人员无法满 意，致使难以应用。因此，船舶故障诊断技术仍处于初级阶段，也是当前的研究 重点方向。随着计算机技术、控制理论、信号处理、人工智能等的发展及其在船 舶故障诊断中的应用，船舶故障诊断技术将向智能化的方向发展。 1 6 船舶管道泄漏检测方法的发展动态 虽然船舶管道泄漏智能诊断与定位研究的方法很多，但目前主要向以下几个 方面发展1 1 2 】： ( 1 ) 管道在线无损检测技术； ( 2 ) 管道监控泄漏检测定位技术的智能化方法，特别是把现代控制理论的 新方法用于泄漏检测诊断上； ( 3 ) 微机在线实时监控和基于人工智能诊断的专家系统； ( 4 ) 先进的检测手段，研制新一代的检测仪器、仪表装置； ( 5 ) 应用数字信号处理技术，将现场被噪声污染的采样信号还原成真实有 用的信号； ( 6 ) 研究适于中国国情的，拥有自主知识产权的船舶管道泄漏监控系统。 1 7 本文主要的研究工作 通过利用理论研究和试验研究相结合的方法，分析船舶典型管系的泄漏机 理，规律及其流体参数的表现特征，建立典型的船舶管系泄漏故障状态确定的理 论模型与分析方法，利用实验平台加以论证。 1 0 第二章管道泄漏检测方法研究 第二章管道泄漏检测方法研究 2 1 负压波联合流量法原理 2 1 1 负压波泄漏检测原理 在日常的输水输油管道中，为了及时检测出管道的泄漏，人们采取了多种方 法，包括流量平衡法、基于模型的检测方法及瞬态压力波方法等。目前，基于软 件的泄漏检测方法主要有流量差法、负压波法、压力点分析法、统计检漏法等。 本文采用的负压波法实际是一种声学检测方法，所谓负压波就是在管道介质中传 播的声波，当管道突然发生泄漏时，管道的首端压力将有所下降，而流量会有微 小上升，与此同时，末端的压力和流量也会有所下降。管道在泄漏点两边的液体 将会向泄漏点处补充，这一过程依次向上下游传递，就相当于在泄漏点处产生了 以一定速度传播的负压波 6 1 。只要管道两端的瞬态流量能够准确地捕捉到包含泄 漏的信息，就可以检测出泄漏，并能够根据负压波传播到两端的时间和压力波的 传播速度进行定位。该方法具有很快的响应速度和较高的定位精度，定位原理如 图2 1 所示【1 3 】。 压办嗍压办嗍 图2 1 负压波检测原理图 f i g u r e 2 1p r i n c i p l ed i a g r a mo f t h en e g a t i v ep r e s s u r ew a v ed e t e c t i o n 如图2 1 所示，在长为工的管道左右两端分别安装一个压力传感器，压力传 感器接收的压力信号将传入计算机，通过计算机可以监测两端压力波形。当负压 波被压力传感器接收到后，从计算机上可以检测到压力值的变化，该方法计算原 理如图2 2 所示【1 4 1 ，波从泄漏点传播到左右两端的时间分别为如，匕，两个压力 传感器检测到负压波的时间差t t 一幻为缸。 图2 2 负压波检测方法计算原理图 f i g u r e 2 2c a l c u l a t i o nd i a g r a mo ft h en e g a t i v ep r e s s u r ew a v ed e t e c t i o nm e t h o d 第二章管道泄漏检测方法研究 则有： = 生一生 口一，口+ i ， 又k = l l c 由( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可得： x = k = 缸讹叫+ 址( 口2 - n 式中：x 泄漏点到上游或者下游监测点的距离( m ) ； 三一上下游监测点的距离( m ) ； 口压力波的传播速度( m s ) 。 式( 2 1 ) 式( 2 2 ) 式( 2 3 ) 由于口一般在1 0 0 0 m s 以上，而介质流速一般在1 5 m $ 至3 m sz f 司，相对 于波速a 流速1 ，可以忽略不计。因此( 2 3 ) 式可以简化为： “ 石= 圭( 三+ 口f ) 式( 2 4 ) 2 1 2 负压波波速的求取 通常情况下，管道传输过程温度是变化的，因此压力波的传播速度不是一个 定值，负压波的传播速度可以用公式( 2 5 ) 进行修正【1 5 。2 0 】： 口2 式( 2 5 ) 式中：k 液体的体积弹性系数) ； 尸液体的密度( k g m 3 ) ； e 一管材的弹性模量( p 口) ； d 一管道的直径( 研) ； 甜道壁厚( 聊) ； c _ 与管道约束条件有关的修正系数。 ( 1 ) e 、d 、e 的求取。根据实验所用管道的材料和规格，可以分别确定e 、 d 、p 的大小，本实验所用管材为钢管，钢管的弹性模量为e = 2 0 6 9 x1 0 9 p a ； 1 2 第二章管道泄漏检测方法研究 直径d - - 0 0 5 r a m ，壁厚度e - - 0 0 0 4 5 m 。 ( 2 ) 管道约束系数c 的选取条件： 1 ) 管道上游端固定、下游端自由伸缩时，取1 一； 2 ) 管道两端都固定时，取l 一2 ； 3 ) 管道全部用膨胀接头连接时，取l 。 其中z 为管材泊松系数，对于钢管取= o 3 。本实验布置属于第三种情况， 所以取c = 1 0 3 2 = o 9 1 。 ( 3 ) 水的密度p ，水的密度与温度有关，表2 1 2 1 】列出了o c 到4 9 。c 的水 的密度，实验时取室温作为实验温度。 表2 1 不同温度下水的密度p ( 七g 砌3 ) t a b l e 2 it h ew a t e rd e n s i t yo fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ( k g m 3 ) 吖印 dj234 d9 9 9 8 4 09 9 9 8 9 89 9 9 9 49 9 9 9 6 49 9 9 9 7 2 1 09 9 9 6 9 99 9 9 6 0 59 9 9 4 9 79 9 9 3 7 79 9 9 2 4 4 2 09 9 8 2 0 39 9 7 9 9 i9 9 2 7 6 99 97 - 5 3 79 97 2 9 5 3 09 9 5 6 4 59 9 5 3 3 99 9 5 d 2 49 9 4 7 d d9 9 4 3 6 9 4 0 9 9 2 2 1 2 9 9 1 ，8 2 6 9 9 1 4 3 29 9 1 0 3 l 9 9 0 6 3 2 t ( ， 56789 d9 9 9 9 6 49 9 9 9 4 09 9 9 9 0 19 9 9 8 4 89 9 9 7 8 1 1 0 9 9 9 0 9 9 9 9 8 9 4 39 9 8 7 7 49 9 8 5 9 59 粥4 0 4 2 09 9 7 0 4 39 9 6 7 8 29 9 6 5 1 19 9 6 2 3 19 9 5 9 4 3 3 09 9 4 0 2 99 9 3 6 8 l9 9 3 3 2 59 9 2 9 6 29 9 2 5 9 1 4 09 9 0 2 0 89 8 9 7 8 69 8 9 3 5 89 8 8 9 2 29 8 8 4 9 7 ( 4 ) 水的弹性模量k 。水的弹性模量和水的密度一样也与温度有关，表2 2 列出了0 。c 到4 9 水的弹性模量大小。 下面就根据以上条件举例计算负压波在介质为水，温度为2 0 c 时的传播速 度： a 2 02 可0 面2 3 1 2 丽x 1 0瓦l。丽9