【《管道泄漏故障检测技术综述》7400字】

管道泄漏故障检测技术综述1.1泄漏检测技术概况随着社会经济高速发展，对于能源的需求不断增加，管道输运在水利水电、能源化工、城市供水、污水处理等工业与民生领域发挥着举足轻重的作用。材料腐蚀、施工意外或者自然灾害等原因会使管道发生泄漏事故，对工业生产、社会生活和自然环境造成重大影响。物流管道运输负责运输几乎所有气体和大多数流体。根据运输对象的不同，可分为石油管道运输，天然气管道运输和固体浆体管道运输三种类型。本文重点关注的管道是石油和天然气管道。大多数管道泄漏问题是裂纹泄漏，垫片泄漏，人为损坏和环境因素。例如，如果某些管道埋在地下，则在使用过程中它们会被周遭土壤腐蚀。同样，也会发生地下水腐蚀，大气腐蚀和运输介质腐蚀的情况。运输工具引起的腐蚀是最多样化的：在管道中，主要的腐蚀杂质是细菌，二氧化碳，硫化氢，氯化物和有机酸。在水油混合管道中，腐蚀性最大的是水。如果其中包含污水或海水，腐蚀性会更加严重。在天然气管道中，天然气中含有水蒸气。当水蒸气在管壁上冷凝形成水膜时，二氧化碳的酸性气体溶解在水膜中并引起一定程度的腐蚀。在天然气的长距离运输过程中，由于内部环境和外部环境的影响，管道极易发生各种故障。如果故障进一步发展，则会发生天然气泄漏问题。天然气泄漏问题的发生不仅会影响管道，经营公司的经济利益，还会引起火灾和爆炸事故。因此，及时发现泄漏问题和管道的位置，并采取合理的措施保护管道[14]，是非常重要的。管道泄漏故障检测技术的发展是比较迅速的，从最初的需要花费时间和人力的管外直接检漏法，发展到现在的间接检漏技术，对我们的生活和工作都带来了许多便利。探地雷达法、探地雷达法、统计检漏法、以及质量平衡法均属于间接检漏技术。还有漏磁探伤技术、机器人检测技术和其他硬件检测技术以及各种基于软件的管道泄漏检测技术。以下三种主要方法是基于软件的管道泄漏检测技术，分别是负压波方法，次声波方法和分布式光纤监控系统，SCADA系统（SupcrvisoryControlAndDataAcquisition），即数据采集和监视控制系统，当前已成为管道铺设的标准配置。该系统已广泛应用于石油管道运输中，这使得基于信号的管道泄漏检测方法成为可能，例如负压波方法，超声波方法和次声波方法（在管壁和流体中的传播）。1.2负压波法1.1.1检查和精确定位的基本原理负压波法是在管道泄漏时，由于工作压力和液体的相对密度变化而引起的一种工作压力波。负压波方法基于测得的波速和到达上，中和下游液位传感器的工作压力波来确定泄漏的位置[15]。在管道泄漏检测系统软件中，污水处理厂的每一侧都装有液位传感器，以接收从管道传输的工作压力值。图1中演示了精确定位的相关机制和原理。假设管道的长度为L（m），泄漏点为C（C是管道上的任意点），负压波的快速传播为V（米/秒）。管道中的液态水流速为（m/s），声波在液体管道中的传播速度通常在至之间。在通常的管道中，流速约为，因此通常比大三个数量级。图1负压波检测法原理图Fig.1Schematicdiagramofnegativepressurewavemethod在上图中，假设是在泄漏点产生的压力波到达个工位的时间，是在个工位的传输时间。根据压力传感器在两个端点处检测到的时间，可以估计泄漏位置，如式2-1，式2-2和式2-3所示：T1=XV−V0∆T=T1X=12VLV−V∆T的绝对值为T1−T2=因此，由引起的定位误差小于管段长度的，在这总情况下，几乎不会对构成影响。从等式2-3可以简化为X=12×L+V∆T如果测量时间差，则泄漏点的位置可以通过等式2-5获得。1.1.2负压波法测泄漏检测与定位实验通过上面的简单介绍，我们可以知道从负压波的头端到负压波，输送流体和压力传感器的速度之间的时间差，并且可以计算出消失点的位置。根据该信息，可以通过以下公式计算出输送介质的流量：v=kt上述式中，流体的体积弹性系数用表示，单位为。代表流体的密度，；E代表管道的弹性模量，单位为；代表管子的直径;代表管子的厚度，表示与管道应力有关的校正系数。可以看出，负压波在管道中间的传播速度将受到管道材料，流体密度，管道尺寸等因素的影响。而负压波从首端到末端压力传感器的时间差有多种确定方法，比如相关处理法、小波变换法和模式识别法。本次实验由小波变换法通过检测信号的突变来确定时间差，最后确定泄露位置。实验部分主要进行了不同泄漏孔径、不同泄漏位置、不同进口压力、不同采样周期的管道泄漏检测实验，以此来分析不同泄漏工况下对管道泄漏定位精度的影响。1.1.3实验平台及参数该实验管道泄漏检测定位平台由实验回路，信号检测系统和辅助系统组成。实验循环是从现有实验循环中重建的。管道由碳钢管制成。管道长度为，分为三层。DN管道直径，PN压力等级；数据采集模式被引入至数据采集过程中，实现信号的采集操作，该采集体系含有机箱、cDAQ-9184型板，并借助型电流输入模块（属于C系列，并行16通道）；辅助系统由罐区、泵房、地下供水池、工艺管线、阀组、排水槽等组成。罐区内有1座6m3储水罐；泵房内共有3台多级给水泵，可模拟三个输油泵站，泵房内设有地下水池。1.1.4实验方案（1）在不同泄漏孔大小的输水管道泄漏检测实验中，泄漏点两端压力传感器的距离为2000m，管径为DN50（60.3mm），实验介质为水，在首端进口压力为1.2MPa，泄漏时间10s，采样时间30s，采样周期为0.02s，泄漏点距离首端压力传感器的距离为300m的情况下，分别进行了泄漏孔径为3mm，5mm，10mm的泄漏实验。结果表明由于泄漏孔较小，造成泄漏检测系统灵敏度急剧下降，从而使泄漏定位误差较大；例如：泄漏孔为3mm时，由于泄漏量过小，管道泄漏检测系统没有定位到泄漏位置，随着泄漏孔大小的不断变大，泄漏检测系统的灵敏度不断提高，泄漏检测系统的定位位置越接近实际的泄漏位置。（2）在不同泄漏位置的输水管道泄漏检测实验中，泄漏点两端压力传感器的距离为2000m，管径为DN50（60.3mm），实验介质为水，在首端进口压力为1.2MPa，泄漏时间10s，采样时间30s，采样周期为0.02s，泄漏孔为10mm的情况下，分别进行了泄漏点距首端压力传感器300m，1000m，1800m的泄漏实验。结果表明，泄漏孔的位置处于管道的首端时，其泄漏定位的误差就越低，但泄漏位置处于管道首端处并不是影响泄漏定位误差的唯一因素；泄漏孔处于管道中间和末端位置时之所以定位误差高，是因为泄漏位置处于管道中间和末端时比泄漏位置处于管道首端时损失了更多的能量，从而使负压波衰减的速度更快。（3）在不同进口压力的输水管道泄漏检测实验中，泄漏点距两端压力传感器的距离为2000m，管径为DN50（60.3mm），实验介质为水，在泄漏时间10s，采样时间30s，采样周期为0.02s，泄漏孔为10mm，泄漏点距首端压力传感器300m的情况下，为了实现不同进口压力，将实验室三台泵机组串联运行，分别进行了首端进口压力为1.2MPa、1.95MPa、1.7MPa的泄漏实验。结果表明，当管道进口压力为1.95MPa时，泄漏定位的误差最低，随着管道进口压力的变大，其定位误差有所升高，但是变化幅度并不大，由此可知，增大进口压力并不一定能提高管道泄漏定位的精度，而且过大的管道压力也是造成泄漏发生的原因之一。（4）在不同采样周期的输水管道泄漏检测实验中，泄漏点两端压力传感器的距离为2000m，管径为DN50（60.3mm），实验介质为水，在首端进口压力为1.2MPa，泄漏时间10s，采样时间30s，泄漏点距首端压力传感器300m，泄漏孔为10mm的情况下，分别进行了采样周期为0.02s、0.04s、0.1s的泄漏实验。结果表明，当采样周期较小时，其泄漏定位的误差也相对较小；随着采样周期的变大，管道泄漏位置误差也变得更大，这主要是因为采样时间段的大小直接影响泄漏点处的负压波何时传播到管道顶部和末端的压力传感器。从负压波定位公式可以知道，负压波在消失点的第一端和最后端传播到压力传感器的波之间的时间差将直接影响管道泄漏的定位精度。1.1.5实验结论泄漏孔直径存在差异性，同时所处位置各异，不同进口压力、不同采样周期下的泄漏实验结果可知，泄漏孔越大，采样周期越小，这种情况下具有较大的入口压力，泄漏孔越靠近管道的首端时，则管道泄漏检测系统灵敏度及定位精度就越高。实验结果表明：当泄漏孔为10mm、采样周期为0.02s、此时管道具有的进口压力、泄漏位置为300m时，其泄漏定位精度最高。1.3次声波无损检测技术1.3.1次声波无损检测技术原理次声波具有频率低、波长长、传输距离远等特点，是目前国内外通用的一种输气管道检测技术，原理与负压波相同，,为放置于管道中两个测量端点的传感器之间的间距，而代表声波的传播速度，此外，参数还有传感器之间存在的时间差，此时可以精准推算出从上游传稿器出现信号位置到信号消失位置的间距。次声波可以实时监测管道的运行状态，对泄漏点进行定位，2014年中石化普光气田采用次声波检测技术对两条输气管道的完整性进行检测，快速找到泄漏点位置，但该方法还存在一些缺点，如第三方的噪声干扰会影响信号的传播，造成信号的衰减[16]。图2声发射检测原理图Fig.2Schematicdiagramofacousticemissiondetection1.3.2泄漏管道次声波的产生载流体运输过程中，所使用的的管道壁是被习惯看做弹性体的。当管道泄漏时，在压力下会从泄漏点喷射管道中的流体，并且与管道壁的摩擦会导致管道壁振动。图3管道泄漏的声发射源模型图Fig.3Modeldiagramofacousticemissionsourceforpipelineleakage上述振动类型是环形、纵向与横向的某一种或者混合存在，进而分别产生面波、纵波、横波。针对此是管道内的振动情况，选择薄壁振动理论来进行解释。假设管道是自由支撑的，并且管壁是弹性体，则三次方程的三个根可以用来表示三个方向上的振动频率[17]。∆3+k2∆2+kk0=121−σ21+σl4k1=121−σ2k2=1+123−σl2b=h212d2其中：是管道的平均直径，单位；是管道的长度，单位；是管道的壁厚，单位；而横波的振动波束则可以表示为，即泊松比。该模型来源于理想的空心管，具有一定的指导理论意义。而实际使用状况中的管道则处于复杂情况中，内含的流体存在差异性流动速度，且产生压力。1.3.3次声波监测与泄漏点定位此声波法与负压波法定位原理相同，其泄漏点定位公式为：X=L+vb其中：上游检测器的位置与信号消失位置之间的间距，波的传播速度，单位为；时差；上游和下游检测器安装位置间距，单位为。1.3.4次声波法检测泄露与定位实验该测试线的总长度为，管径为，入口压力为，出口压力为，排量为。管道中充满了成品油，泄漏测试油的排放点距离第一站。当信号采样周期为时，来自测试管线的第一个站点和最后一个站点的泄漏信号与背景信号的信号宽度差异很大，但幅度与背景信号相差不大（图4）。补偿算法被引入应用于精确找出消失点位置的环节（图5），这是体系自身的选择，此外，还需要开展重复性验证与精确度诊断，此时借助的是神经网络模型（确认消失点距第一个站点）（图6）。由此可以总结出，次声泄漏检测方式中的定位体系展示出突出的实时效果，同时，定位精准，优势突出。图4试验管道首末站监测的泄漏信号Fig.4Leakagesignalsmonitoredbytheheadandendstationsofthetestpipeline图5经算法补偿和滤噪后的泄漏信号Fig.5Leakagesignalafteralgorithmcompensationandnoisefiltering图6泄漏诊断神经网络训练及结果校验Fig.6Leakdiagnosisneuralnetworktrainingandresultverification1.3.5实验结论基于次声波方法的管道泄漏检测定位技术是通过检测泄漏管道产生的次声波来检测和定位泄漏点。通过将振动机理与泄漏管道的频率计算，次声波的传播特性以及检测和定位的理论与计算相结合，得出以下结论：泄漏流体摩擦管道壁使管道振动。管壁上的这种振动包括水平振动，纵向振动和环形振动；壁振动会产生次声波，而次声波具有能量高，不易丢失，不易接收的优点。通过噪声补偿和传感器接收的次声波的减少处理，传播距离比普通的声波，光波和无线电波更远，因此可以非常精确地定位。简而言之，基于次声波特征的管道泄漏检测和定位技术的优点包括：波长长，可以绕过一些大的障碍物并引起衍射；低频，可以大大减少传播过程中的能量损失；传播速度快，实时在线检测；传播距离长，可以检测长途管道而不会发生故障。1.4分布式光纤技术1.4.1检测原理分布式光纤技术采用了先进的拉曼光时域分析光纤温度测量技术，具有定位准确，测量精度高，温度不受光缆应力和变形影响的测量精度的特点。根据拉曼散射效应：激光脉冲与纤维分子相互作用，并且散射的类型很多。其中，拉曼散射是由于纤维分子的热振动而产生的，该振动将产生比光源斯托克斯（Stokes）光和波长较短的反斯托克斯（Anti-Stokes）光更长的波长。反斯托克斯光信号的强度与温度有关，而斯托克斯光信号与温度无关[18]。从反斯托克斯光信号与斯托克斯光信号的强度在光波导的任何一点的比率，可以得到该点的温度。光学时域反射仪（OTDR）技术用于通过光波通过光纤的传输速度以及背光源回波的速度来定位这些热点。该原理的使用使得可以沿着光纤进行温度场的分布式测量[19]。原理图如图7：图7分布式光纤监测系统原理图Fig.7Schematicdiagramofdistributedopticalfibermonitoringsystem其管道泄漏监测原理图如图8：图8管道泄漏监测原理图Fig.8Schematicdiagramofpipelineleakagemonitoring泄漏探测是依据泄漏附近环境温度变化来判断的，如图9：图9泄漏位置与温度关系图Fig.9Relationbetweenleakagelocationandtemperature分布式光纤管道泄漏检测技术使用两组在检测光纤中同时沿相反方向传播的光波，从而可以在传感器的两端产生干扰信号。当管道泄漏时，靠近管道泄漏点的测试光纤将产生应力和应变，这将导致该位置的光波发生相位调制。调相光波分别在传感器的两端沿光纤传播[20]。使用两个光电检测器检测传感器两端干扰信号变化的时间差，可以准确计算泄漏的位置。定位公式可以表示为：（公式2-13）1.4.2管道泄漏定位实验在管道泄漏定位测试中，作为传感器的光缆长度为，折射率为，光波在光纤中的传播速度为。测试系统的采样率为，以管线的一端作为管线的泄漏点，光测试电缆的第一端与该点相对应的位置为。图10中表示出了测试信号的互相关的计算结果，相关峰的位置为。根据上式，消失点与头部之间的距离为，绝对误差仅为，相对误差为。测试结果表明，分布式光纤管道泄漏测试技术可以达到较高的泄漏定位精度。图10两端测试信号互相关曲线Fig.10Cross-correlationcurveoftestsignalsatbothends1.4.3检漏系统工程安装要求由于在有些情况下，即使原有光纤与管道离的很近，当发生如图11情况时，由于光纤和泄漏点处于管道的两端，仍然无法报警，所以光纤检测系统里面的光纤需要均匀分布在管道周围，如图12所示，才能确保泄漏报警。图11光纤分布图aFig.11Opticalfiberdistributiondiagrama图11光纤分布图bFig.12Fiberdistributionb因此，在安装项目时，应将其放置在加热管的底部附近，并可以使用不锈钢绑带将其固定，如下图所示：图13光纤分布实图Fig.13Realdistributionofopticalfiber1.5仿真实验1.5.1仿真软件介绍StonerPipelineSimulator(SPS)和PipelineStudio管道仿真软件都涉及油、气、水等领域，在管道仿真软件的研发和应用方面是全球公认的领跑者。斯托纳管道模拟器（）[21]是先进的瞬态流量模拟应用软件。它分为气体和液体两个模块，用于模拟管道网络中天然气或液体（分批）的动态流动。可以模拟任何现有的或计划中的管道，并且可以预测正常或异常情况下各种控制策略的结果，例如管道破裂，设备故障或其他异常情况。模拟软件系列主要由以下5个模块组成：模拟器离线模拟器，训练器，预测器，在线模拟模块和泄漏检测模块。其中，，和是软件的在线产品。操作需要支持来自系统的实时数据。PipelineStudio[22]是英国EnergySolution(ESI)公司开发的一款气体和液体仿真软件，它包含TGNET和TLNET两个软件模块，分别应用于气体和液体模拟。在PipelineStudio3.0版本中包含了TGNET7.2和TLNET7.2两个模块。它是长期有效的天然气管道离线仿真软件，可以对天然气管道中的单相流进行稳态仿真和动态仿真，并且已在全球范围内广泛使用。该软件具有完整的图形界面，稳定的数学解决方案技术，完整的设备仿真，灵活便捷的理想化控制模式和多约束调整，温度跟踪器，气体跟踪器，气体属性跟踪器以及详细的默认设置。可以在批处理模式和交互模式下使用，灵活和开放的输入和输出模式，易于学习和使用。使用该软件分析天然气管道的正常工况和意外工况，测试和评估天然气管道的设计或运行参数的调整，最终实现系统的优化性能。通过稳态和瞬态模拟支持广泛的液压分析，例如动态管道包装分析，需求分析，停止启动分析，反向分析，泄漏分析等。由于SPS在应用以及计算方面都较为复杂，此次仿真我们用到的是PipelineStudio仿真软件。TLNET不需要编写任何程序，人机操作界面友好，操作方便。1.5.2建模过程TLNET将液体分为混和流体(CompositionalFluid)和层流流体(TabularFluid)。混和流体对应的状态方程是BWRS，在已知流体每种组分的百分比时使用；层流流体对应的状态方程是TABLE。将泵分为普通泵(GenericPump)、离心泵(CentrifugalPump)和往复泵(ReciprocatingPump)。普通泵在不知道泵细节时，使用最广泛，不需要建立泵的特性曲线，也不用最小和最大速度去约束，只需要输入绝热系数和机械负荷系数，再确定合理的设计极限不被超过即可。离心泵和往复泵则需要用压头曲线和效率曲线去建立泵的特性曲线(CPID)[23]。在长途输油的实际生产过程中，由于长途输油管道是一个分布式参数系