燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)定位技術(shù)

王嚴(yán)

【摘 要】燃?xì)夤艿佬孤┒ㄎ患夹g(shù)是管道管理工作人員關(guān)注度最高的一個(gè)問(wèn)題，管道泄漏定位系統(tǒng)也是管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。本文介紹了一些國(guó)內(nèi)外用于燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)定位的方法以及一些新的其它方法，并分析了各種方法的利弊。指出只有快速準(zhǔn)確地確定漏點(diǎn)位置，才能及時(shí)采取措施，減少損失。

【關(guān)鍵詞】燃?xì)夤艿?；泄漏檢測(cè)；泄漏定位

管道輸送具有成本低，節(jié)省能源，安全性高及供給穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)的管道運(yùn)輸業(yè)發(fā)展的很快，但由于不可避免的腐蝕、自然或第三方損壞等因素，管道泄漏事故頻繁發(fā)生。如果泄露后不采取及時(shí)的措施，不僅對(duì)能源造成極大的浪費(fèi)、經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染。由于管道泄漏后可能帶來(lái)嚴(yán)重后果，管道泄漏的預(yù)防及泄漏發(fā)生后的及時(shí)報(bào)警、定位，對(duì)重大事故的預(yù)防具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，燃?xì)夤艿佬孤┒ㄎ患夹g(shù)在實(shí)際工作中有著非常重要的作用，在已檢測(cè)出管道發(fā)生泄漏的基礎(chǔ)上，只有快速準(zhǔn)確地確定漏點(diǎn)位置，才能及時(shí)采取措施，減少損失。

1管道泄漏檢測(cè)定位的主要方法

泄漏點(diǎn)定位是管道泄漏檢測(cè)中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，如何快速準(zhǔn)確地確定泄漏點(diǎn)的位置是管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。目前已有的檢漏方法中，流量平衡法、壓力突變法和溫度監(jiān)測(cè)法等泄漏檢測(cè)方法不能用于確定泄漏點(diǎn)的位置?；谟布姆椒ǎ鐧z漏電纜法、光纖傳感器等價(jià)格昂貴，不適于長(zhǎng)輸管道的泄漏檢測(cè)定位。下面介紹工程實(shí)際中常用的一些方法。

1.1管內(nèi)檢測(cè)法

這類方法是通過(guò)漏磁技術(shù)、超聲波技術(shù)、渦流技術(shù)、錄像技術(shù)等投球技術(shù)將探測(cè)球從管道的一端放入，該探測(cè)球在管道內(nèi)部借助流動(dòng)介質(zhì)的推動(dòng)順流而下，利用各種技術(shù)采集管道內(nèi)的各種信息，然后從管道的另一端將探測(cè)球取出，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，確定漏點(diǎn)位置。此檢測(cè)法能夠比較準(zhǔn)確地進(jìn)行泄漏點(diǎn)的定位，但是容易發(fā)生堵塞停運(yùn)等嚴(yán)重事故，而且造價(jià)很高，對(duì)管道條件要求嚴(yán)格，不適合進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。

1.2負(fù)壓波定位技術(shù)

負(fù)壓波法是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較多的管道泄漏檢測(cè)和泄漏定位的方法。當(dāng)管道發(fā)生泄漏后，在泄漏點(diǎn)的周圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓，該負(fù)壓會(huì)沿著管道的上下游傳播，稱之為負(fù)壓波。該負(fù)壓的大小與泄漏孔和泄漏量的大小有關(guān)。同時(shí)由于負(fù)壓到達(dá)安裝在管道兩端的壓力傳感器的時(shí)間不同，可以通過(guò)測(cè)量該時(shí)間差并利用信號(hào)相關(guān)處理方法來(lái)確定泄漏點(diǎn)的位置。負(fù)壓傳播的速度與在管道內(nèi)介質(zhì)中傳播的聲速相同。這就是用壓力波進(jìn)行泄漏診斷的原理。圖中，

L為管道長(zhǎng)度，x為泄漏點(diǎn)，t1和t2為負(fù)壓波傳播到上下游的時(shí)間。

定位公式為：

（1）

式中：XL — 泄漏點(diǎn)距首端測(cè)壓點(diǎn)的距離，m；

L — 管道全長(zhǎng)，m；

a—負(fù)壓波在管道流體介質(zhì)中的傳播速度，m/s；

△t—上下游傳感器接收到壓力波的時(shí)間差△t=t1-t2，s。

如何檢測(cè)到并識(shí)別泄漏引發(fā)的負(fù)壓波是提高負(fù)壓波法檢測(cè)定位準(zhǔn)確性和靈敏度的關(guān)鍵。所以，應(yīng)區(qū)分由泄漏引起的負(fù)壓波和操作中因改變操作條件（如泵的啟、停，閥門的開、閉）引起的壓力波動(dòng)。由于由泵、閥引起的負(fù)壓波與泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波方向不同，靳世久等人[1]提出利用模式識(shí)別技術(shù)，在管道的每一端僅需一個(gè)壓力傳感器，進(jìn)行泄漏的檢測(cè)與定位。管道發(fā)生泄漏后，要及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏位置就必須精確地獲得泄漏引發(fā)的壓力波傳播到上下游傳感器的時(shí)間差，這就必須準(zhǔn)確地捕捉到泄漏壓力波信號(hào)序列的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)。而由于燃?xì)夤艿婪笤O(shè)環(huán)境復(fù)雜，不可避免的電磁干擾、震動(dòng)等因素，使得采集到的壓力波信號(hào)序列附加了大量噪聲，所以定位的關(guān)鍵就是如何從噪聲中準(zhǔn)確地提取出信號(hào)的特征點(diǎn)。蔡正敏等人[2]提出了利用小波變換進(jìn)行濾噪。小波分析能同時(shí)反映出信號(hào)在時(shí)域和頻域的局部的和整體的信息，并能隨信號(hào)頻率的變化自動(dòng)地調(diào)整時(shí)間一頻率窗，實(shí)驗(yàn)證明了小波變換作為一種新的信號(hào)處理技術(shù)，在管道泄漏的在線監(jiān)測(cè)中除噪是十分有效的。

管內(nèi)壓力波的傳播速度決定于液體的彈性、密度和管材的彈性。常溫輸送的原油一般壓力波取為一常數(shù)，但是國(guó)內(nèi)的原油大多屬于高凝、高粘原油，隨著管道中流體溫度的變化，密度和液體的壓縮性也會(huì)有所變化，所以壓力波并不是一個(gè)常數(shù)。考慮溫度的瞬變壓力波傳播速度的計(jì)算公式如下：

（2）

式中： t—為溫度，℃；

K—為液體體積彈性系數(shù)，Pa；

ρ—為液體的密度，kg/m3；

E—為管材的彈性模量，Pa；

D—為管道的直徑，m；

e—為管壁厚度，m；

C1—為與管道約束條件有關(guān)的修正系數(shù)。

該方法具有很快的響應(yīng)速度和較高的定位精度，可迅速檢測(cè)出大的泄漏，自動(dòng)化程度高，但是對(duì)于比較小的泄漏或已經(jīng)發(fā)生的泄漏效果不佳。不過(guò)隨著新型高精度傳感器和高速計(jì)算機(jī)的使用，隨著信號(hào)檢測(cè)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，尤其是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模式識(shí)別技術(shù)的開發(fā)研究，通過(guò)不斷改進(jìn)算法和動(dòng)力模型，負(fù)壓波管道泄漏檢測(cè)定位方法可進(jìn)一步提高其性能。

1.3 基于軟件的定位方法

（1）統(tǒng)計(jì)決策法

在眾多的泄漏檢測(cè)方法中，由殼牌公司開發(fā)的統(tǒng)計(jì)決策法是一種比較新的檢測(cè)方法。它使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)管道的入、出口實(shí)測(cè)的壓力、流量值進(jìn)行分析，連續(xù)計(jì)算發(fā)生泄漏的概率。在泄漏確定以后，可以通過(guò)實(shí)測(cè)的壓力、流量值計(jì)算泄漏量的大小，并使用最小二乘法進(jìn)行泄漏定位。對(duì)于單管，可用最小二乘法按下式進(jìn)行泄漏的定位計(jì)算：

（3）

式中：XL —為泄漏點(diǎn)距離管道首端的距離；

、 、 和 —分別為管道入口和出口處的壓力和流量的樣本

平均值；

L—為管長(zhǎng)；

K—是由摩擦系數(shù)、流體密度和管徑?jīng)Q定的常數(shù)。

統(tǒng)計(jì)學(xué)方法不需計(jì)算復(fù)雜的管道模型，降低了計(jì)算上的復(fù)雜性。統(tǒng)計(jì)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)還具有在線學(xué)習(xí)能力，可以適應(yīng)管道參數(shù)的變化。而且該方法可以發(fā)現(xiàn)較小的泄漏點(diǎn)，可對(duì)管道進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。統(tǒng)計(jì)檢漏系統(tǒng)比常規(guī)方法投入費(fèi)用更低，而且更易維護(hù)，由于僅需很少的計(jì)算量，使得有可能實(shí)現(xiàn)在PC機(jī)上運(yùn)行該系統(tǒng)。在實(shí)際管道泄漏檢測(cè)中取得了良好的效果。

（2）壓力梯度泄漏定位方法

壓力梯度法是一種技術(shù)上不太復(fù)雜，常被使用的一種泄漏定位方法。管道發(fā)生泄漏時(shí)會(huì)在漏失點(diǎn)產(chǎn)生額外的壓力損失，使其上游的壓力梯度較陡，而下游的壓力梯度較為平緩，根據(jù)上游站和下游站的流量等參數(shù)，計(jì)算出相應(yīng)的水力坡降，然后分別對(duì)上游站出站壓力和下游站進(jìn)站壓力作圖，其交點(diǎn)就是理想的泄漏點(diǎn)，原理圖如圖1所示。P1、P2分別為上游端的兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，用以測(cè)得上游段的壓力梯度，P3、P4分別為下游端的兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，用以測(cè)得下游段的壓力梯度。

可采用如下管道泄漏壓力梯度定位方法：

（4）

式中：XL—上游站到泄漏點(diǎn)的距離；

Pi（P0）—上游站（下游站）測(cè)量的釋放（吸入）壓力；

— 上游站與下游站之間流體的平均密度；

hi，h0 — 分別為上游站和下游站的壓頭；

C — 系數(shù)；

ρ1、ρ2—分別為上游和下游到泄漏點(diǎn)之間流體平均密度；

f 1和f2—分別為上游和下游的流體平均摩擦系數(shù)；

L—泵站間管道長(zhǎng)度；

Qi和Q0—分別為管道上游和下游的體積流量；

D—管道直徑。

其它很多管道泄漏檢測(cè)方法中，很多檢漏法都是利用壓力梯度法進(jìn)行泄漏定位。如實(shí)時(shí)模型法，利用該法檢測(cè)到管道泄漏后，使用穩(wěn)態(tài)模型，根據(jù)管道內(nèi)的壓力梯度變化即可確定泄漏點(diǎn)的位置。

1.4 其它方法

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道泄漏檢測(cè)定位方法已初露端倪，它是一種基于經(jīng)驗(yàn)的類似人類的認(rèn)知過(guò)程的方法。能夠運(yùn)用自適應(yīng)能力學(xué)習(xí)管道的各種工況，對(duì)泄漏進(jìn)行分類識(shí)別，而且具有一定的抗干擾能力。隨著高速計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)和數(shù)學(xué)的發(fā)展，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的的檢測(cè)定位方法有著廣闊的應(yīng)用前景。

另外，在應(yīng)用負(fù)壓波法進(jìn)行泄漏定位時(shí)，為了精確測(cè)量時(shí)間差，可以采用基于GPS（Global Positioning System）時(shí)間標(biāo)簽的管道泄漏定位方法。GPS輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖和含有時(shí)間信息的數(shù)據(jù)流強(qiáng)化各傳感器采集的信號(hào)同步，通過(guò)采集頻率與時(shí)間標(biāo)簽的換算可以分別確定管道泄漏點(diǎn)上游和下游的泄漏負(fù)壓波的速度，然后再利用泄漏點(diǎn)上下游檢測(cè)到的泄漏特征信號(hào)的時(shí)間標(biāo)簽差值就可以確定管道泄漏的位置?；贕PS時(shí)間標(biāo)簽的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)泄漏定位精度較高。

2結(jié)束語(yǔ)

隨著管道工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)管道泄漏檢測(cè)定位的要求也越來(lái)越高，單一的檢測(cè)定位方法已不能滿足實(shí)際工作的需要。目前，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論、信號(hào)處理、模式識(shí)別、人工智能等學(xué)科的發(fā)展以及SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統(tǒng)的大量應(yīng)用，基于軟件的管道泄漏檢測(cè)方法為各種現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用提供了平臺(tái)，將有著良好的發(fā)展前景。研究適合我國(guó)燃?xì)夤艿缹?shí)際情況的泄漏檢測(cè)定位系統(tǒng)是一個(gè)非常有實(shí)際意義的課題。

參考文獻(xiàn)：

[1]靳世久、王立寧、李健.瞬態(tài)負(fù)壓波結(jié)構(gòu)模式識(shí)別法原油管道泄漏檢測(cè)技科[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，1998，12（1）：59-64.

[2]蔡正敏、吳浩江、黃上恒、胡時(shí)岳.小波變換在管道泄漏在線監(jiān)測(cè)中去噪的應(yīng)用[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù).2001，20（2）：253-256.

（作者單位：新疆燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司）