孫中旺，閆科樂(lè)，儲(chǔ)佳偉，劉衛(wèi)國(guó)，楊 磊，趙佳飛

(1.大連理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.中國(guó)石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266071)

0 引言

隨著我國(guó)能源供給結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變以及對(duì)清潔能源的需求增加，天然氣在當(dāng)今化石燃料市場(chǎng)上占據(jù)優(yōu)勢(shì)，運(yùn)輸天然氣最快捷、最可行的方式是通過(guò)管道[1-2]。從海底開(kāi)采出的天然氣攜帶有沙礫、水及凝析油等雜質(zhì)，輸運(yùn)過(guò)程中，這些雜質(zhì)的不斷堆積會(huì)形成固體沉積，隨著輸運(yùn)里程的增加，沉積物的累計(jì)會(huì)加劇管道堵塞[3]。大量堵塞可能導(dǎo)致深水開(kāi)發(fā)中管道破裂等災(zāi)難性事件，造成重大安全事故，威脅人身安全[4]。因此，當(dāng)管道形成堵塞時(shí)，需要快速精準(zhǔn)定位堵塞位置，采取合適的解堵措施，保障管道安全運(yùn)行[5-6]。

目前，國(guó)內(nèi)外研究者已經(jīng)提出了一些不同的管道堵塞檢測(cè)方法和技術(shù)。Watanabe等提出了利用聲波技術(shù)檢測(cè)管道泄漏位點(diǎn)，通過(guò)在管道內(nèi)2個(gè)終端檢測(cè)到的信號(hào)的聲波脈沖響應(yīng)來(lái)估計(jì)管道的泄漏點(diǎn)[7-8]；隨后，Koyama等將該方法擴(kuò)展到管道堵塞和堵塞程度的檢測(cè)上[9]；接著，Sharp等研究了聲波法檢測(cè)管道堵塞，這一方法理論上可行，但是聲波信號(hào)易受環(huán)境噪音等的干擾，如何提高抗干擾能力還是急需解決的問(wèn)題[10]。Scott等提出的利用背壓法檢測(cè)天然氣管道堵塞，可以確定堵塞面積，但不能得到堵塞位置及長(zhǎng)度[11]。為解決這一問(wèn)題，Liu和Scott等將背壓法與特性曲線法結(jié)合，可對(duì)非完全堵塞位置進(jìn)行估算[12]。

近年來(lái)，基于瞬態(tài)分析的壓力波脈沖法也被廣泛研究[13-14]。Gudmundsson等在輸水管道中利用快速關(guān)閉閥門(mén)產(chǎn)生水擊脈沖壓力波，通過(guò)壓力波反射信號(hào)可以檢測(cè)到管路內(nèi)由水合物沉積堵塞造成的管徑變化，并分析管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)[15-16]。Sebastian開(kāi)發(fā)的用于預(yù)測(cè)氣液兩相管道流動(dòng)的壓力波傳播特性的模型表明，壓力波檢測(cè)堵塞的能力受到摩擦系數(shù)、管徑、管內(nèi)流速以及聲速的影響[17]。Adeleke等開(kāi)發(fā)出一種快速定位堵塞位置以及準(zhǔn)確判斷堵塞程度的理論模型，其發(fā)現(xiàn)黏性阻力是影響準(zhǔn)確檢測(cè)堵塞程度的關(guān)鍵因素，但是對(duì)堵塞段定位及堵塞長(zhǎng)度檢測(cè)影響不大[18-19]。為驗(yàn)證壓力脈沖波法檢測(cè)管道堵塞的有效性，Chu等搭建了長(zhǎng)為220 m的壓力波堵塞檢測(cè)實(shí)驗(yàn)管路平臺(tái)，并模擬管道堵塞進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法可有效地檢測(cè)長(zhǎng)距離輸運(yùn)管路堵塞位置、堵塞長(zhǎng)度及堵塞面積[20-21]。

目前，對(duì)壓力脈沖波在復(fù)雜管道中的傳播特性及堵塞檢測(cè)研究很少，但這又是該技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)化應(yīng)用不可避免的問(wèn)題。因此為了解決這一問(wèn)題，本文改造搭建一條長(zhǎng)18.1 m的壓力波法復(fù)雜管道堵塞檢測(cè)實(shí)驗(yàn)管路，利用閘板閥模擬堵塞，結(jié)合FFT諧波分析技術(shù)，對(duì)堵塞定位檢測(cè)，并檢驗(yàn)該技術(shù)是否適用于低含水氣液混輸管道。以驗(yàn)證利用壓力脈沖波法檢測(cè)復(fù)雜天然氣管道堵塞的可行性，為該技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)依據(jù)和工程支撐。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1所示為復(fù)雜管路壓力波法堵塞檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)流程圖。該裝置主要由注氣系統(tǒng)、注液系統(tǒng)、壓力脈沖波產(chǎn)生系統(tǒng)、主體管路系統(tǒng)、單點(diǎn)堵塞系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量及采集系統(tǒng)6部分組成。

圖1 壓力波法堵塞檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置照片及流程Fig.1 Pictures and procedure of blockage detection experimental device with pressure wave method

注氣系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)及儲(chǔ)氣罐組成，利用空氣作為系統(tǒng)氣源。注液系統(tǒng)由儲(chǔ)液罐與蓄水池組成，作為系統(tǒng)水源。壓力脈沖波產(chǎn)生系統(tǒng)的核心部件是1個(gè)快速閉合電磁閥，當(dāng)其迅速工作時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)將管道中的部分流體釋放到大氣中，并在管道入口產(chǎn)生1段壓力脈沖波，隨后，脈沖波向主體管道傳播。管路系統(tǒng)采用不銹鋼材料，管道直徑為100 mm，包含17個(gè)三通結(jié)構(gòu)，其中盲端1與電磁閥之間的管道長(zhǎng)為8.25 m；盲端2與電磁閥之間的管道長(zhǎng)為18.58 m。單點(diǎn)堵塞系統(tǒng)由距電磁閥8.89 m的閘板閥組成，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求通過(guò)調(diào)節(jié)閘板閥開(kāi)度以模擬不同堵塞率。數(shù)據(jù)測(cè)量及采集系統(tǒng)由1個(gè)動(dòng)態(tài)壓力傳感器D1、1個(gè)靜態(tài)壓力傳感器、1個(gè)高速數(shù)據(jù)采集卡及1個(gè)工業(yè)電腦組成，靜壓傳感器用于記錄管道內(nèi)的靜態(tài)壓力；動(dòng)態(tài)壓力傳感器用于記錄由電磁閥快速閉合產(chǎn)生的瞬態(tài)動(dòng)態(tài)壓力；利用高速數(shù)據(jù)采集卡獲取這些傳感器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用Labview數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行同步記錄。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟及方法

1) 檢查氣密性。閘板閥全開(kāi)，保持管路通暢，關(guān)閉電磁閥。利用注氣系統(tǒng)向管路注氣并加壓到0.5 MPa，關(guān)閉單向閥，檢查管路氣密性。

2)加壓到實(shí)驗(yàn)壓力。確認(rèn)管路氣密性良好后，打開(kāi)單向閥繼續(xù)注氣到實(shí)驗(yàn)壓力1.5 MPa，隨后關(guān)閉注氣系統(tǒng)。

3)數(shù)據(jù)測(cè)量及采集。打開(kāi)數(shù)據(jù)測(cè)量及采集系統(tǒng)，控制電磁閥快速開(kāi)閉，產(chǎn)生壓力脈沖波，隨后打開(kāi)數(shù)據(jù)測(cè)量，采集壓力波信號(hào)。當(dāng)壓力脈沖波沿管道傳播直至振幅衰減為0時(shí)，完成實(shí)驗(yàn)。

4)氣液混輸管道堵塞檢測(cè)。先利用注液系統(tǒng)向管路注入實(shí)驗(yàn)所需含水量，然后繼續(xù)向管路中注氣并加壓到0.5 MPa檢查氣密性，隨后重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 閘板閥全關(guān)(100%堵塞率)

首先將閘板閥全關(guān)，探究壓力脈沖波在復(fù)雜管道的傳播特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。圖2中為數(shù)據(jù)采集卡采集到的原始信號(hào)，橫坐標(biāo)為壓力波在管道內(nèi)的傳播時(shí)間，縱坐標(biāo)為動(dòng)態(tài)壓力。由圖2可知，在復(fù)雜管道中采集到的是無(wú)規(guī)律的高低頻混疊壓力信號(hào)，隨著壓力波在管道內(nèi)的傳播，高頻信號(hào)逐漸衰減直至消失，且衰減速度高于低頻信號(hào)。但對(duì)于長(zhǎng)距離輸運(yùn)管道堵塞檢測(cè)而言，所得到的壓力波信號(hào)僅為單峰低頻信號(hào)[21]。

圖2 100%堵塞率時(shí)堵塞檢測(cè)原始信號(hào)Fig.2 Original signals of blockage detection at 100% blockage rate

本文實(shí)驗(yàn)中，電磁閥發(fā)射的低頻負(fù)壓波沿著管道連續(xù)傳播，當(dāng)遇到三通結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)發(fā)生反射和透射。由于三通截面積由小變大，引起的反射波為正壓波，反射波的頻率發(fā)生變化，形成高頻波；引起的反射波逆向傳播到管道入口，再次反射。而三通引起的透射波仍為負(fù)壓波，沿管道繼續(xù)傳播，遇到盲端/堵塞時(shí)會(huì)引起反射負(fù)壓波。這些反射波逆向傳播時(shí)仍會(huì)經(jīng)過(guò)三通結(jié)構(gòu)并引起透射負(fù)壓波和反射正壓波，隨后繼續(xù)傳播到管道入口處再次反射。因此，壓力波在管道入口和堵塞點(diǎn)之間來(lái)回傳播反射，直至衰減為0。在管道入口至堵塞點(diǎn)之間分布著9個(gè)不同位置的三通結(jié)構(gòu)，靠近電磁閥的三通優(yōu)先產(chǎn)生反射波，隨著透射波的繼續(xù)傳播，后面的三通陸續(xù)產(chǎn)生反射波。

不同位置的三通產(chǎn)生的反射高頻正壓波由于時(shí)間差會(huì)相互疊加，增強(qiáng)振幅；盲端及堵塞點(diǎn)產(chǎn)生的反射低頻負(fù)壓波也會(huì)相互疊加，導(dǎo)致反射波振幅大于入射波；同時(shí)低頻壓力波和高頻壓力波的疊加，產(chǎn)生高低頻混疊信號(hào)。

壓力波在管道內(nèi)的多次反射和透射，使高頻信號(hào)迅速衰減；同時(shí)頻率越高，衰減系數(shù)越高，衰減也越快?？紤]到入射波振幅較小，隨著傳播過(guò)程的衰減振幅逐漸降低，壓力波能量下降，導(dǎo)致采集后期只有明顯的低頻壓力波信號(hào)。

由原始信號(hào)可知，信號(hào)采集受噪聲影響較小，主要干擾信號(hào)由管道內(nèi)三通結(jié)構(gòu)引起。為確定三通所產(chǎn)生的高頻信號(hào)的頻率范圍，采用FFT諧波變換法對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行不同頻率的低通濾波分析[22-23]，所得信號(hào)頻譜圖如圖3所示，圖3(a)，(b)，(c)分別代表100 Hz、150 Hz及200 Hz低通濾波變換后的信號(hào)頻譜。由圖3(a)可知，100 Hz濾波后的動(dòng)壓信號(hào)曲線較為平滑，高頻信號(hào)均被過(guò)濾，因此所發(fā)射的入射波頻率低于100 Hz。對(duì)比3種不同的濾波信號(hào)，發(fā)現(xiàn)在100 Hz與150 Hz低通濾波后的信號(hào)曲線相差無(wú)幾，而200 Hz濾波變換后仍保留大量高頻信號(hào)，因此三通產(chǎn)生的反射高頻壓力波頻率集中在150～200 Hz之間。

圖3 100%堵塞率時(shí)FFT不同頻率低通濾波信號(hào)Fig.3 FFT low-pass filtered signals with different frequencies at 100% blocking rate

為定位堵塞點(diǎn)，對(duì)FFT 150 Hz低通濾波信號(hào)頻譜圖進(jìn)行放大分析，如圖4所示。P1為動(dòng)壓傳感器D1測(cè)得的入射波；P2為D1測(cè)得的盲端1反射波，由于盲端1與電磁閥之間的三通產(chǎn)生的反射正壓波與盲端1產(chǎn)生的反射負(fù)壓波相互疊加，導(dǎo)致P2振幅遠(yuǎn)小于P1振幅；而P3為D1測(cè)得的堵塞點(diǎn)反射波，由于堵塞點(diǎn)產(chǎn)生的反射波與三通盲端產(chǎn)生的反射波疊加，使得P3振幅大于P1振幅。

圖4 100%堵塞率時(shí)FFT 150 Hz低通濾波信號(hào)放大圖Fig.4 Magnification of FFT 150 Hz low-pass filtered signals at 100% blocking rate

堵塞點(diǎn)位置計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中：L為堵塞點(diǎn)至D1間的計(jì)算距離,m；C為當(dāng)?shù)芈曀?，本文均?40 m/s；T1表示入射波時(shí)間,s；T′表示所計(jì)算的堵塞點(diǎn)反射波時(shí)間,s。

由式(1)得，盲端1距D1計(jì)算距離為7.66 m，而實(shí)際距離為7.75 m，因此，盲端1的定位誤差為1.11%。同理，根據(jù)P1與P3的時(shí)間差T1和T3，得到堵塞點(diǎn)至D1之間的計(jì)算距離為8.48 m，而實(shí)際距離為8.39 m，因此,堵塞點(diǎn)定位誤差為1.07%，誤差均在允許范圍內(nèi)。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，利用壓力波法定位復(fù)雜管道堵塞，外界干擾信號(hào)較小時(shí)，采用FFT諧波變換方法對(duì)采集到的高低頻混疊原始信號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí)在150 Hz濾波頻率下得到的頻譜信號(hào)更利于對(duì)堵塞進(jìn)行定位。

2.2 閘板閥部分打開(kāi)(不同堵塞率)

隨后進(jìn)行堵塞率分別為93%，85%，70%和50%的4組堵塞檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證不同堵塞率下的堵塞定位效果及差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，入射波遇到堵塞之后，會(huì)產(chǎn)生反射波和透射波，均為負(fù)壓波；透射波穿過(guò)堵塞段，沿管道繼續(xù)傳播到盲端2處，并反射。

圖5 不同堵塞率時(shí)堵塞檢測(cè)原始信號(hào)Fig.5 Original signals of blockage detection at different blockage rates

采用FFT 150 Hz低通濾波對(duì)不同堵塞率原始信號(hào)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出在不同堵塞率時(shí)壓力波振幅衰減速率有差異，在堵塞率85%及93%時(shí)衰減速率較快，其中85%堵塞率衰減最快，而當(dāng)堵塞率70%及以下時(shí)，振幅衰減速率較慢。這是因?yàn)樵诙氯俜直群芨邥r(shí)，堵塞產(chǎn)生的入射波的反射率高，透射率低，此時(shí)反射波和透射波在管道內(nèi)會(huì)來(lái)回反射，高堵塞率增加反射次數(shù)，衰減快；同時(shí)閘板閥結(jié)構(gòu)會(huì)改變壓力波相位，導(dǎo)致入射波和反射波的相互疊加改變振幅，加快信號(hào)的衰減。

圖6 不同堵塞率時(shí)FFT 150 Hz低通濾波信號(hào)Fig.6 FFT 150 Hz low-pass filtered signals at different blocking rates

圖7為不同堵塞率時(shí)150 Hz低通濾波信號(hào)放大圖。圖7中，P1為入射波，P2為堵塞產(chǎn)生的反射波，P3為盲端2產(chǎn)生的反射波。堵塞及盲端2位置計(jì)算結(jié)果如表1所示。由表1可知，不同堵塞率下堵塞位置預(yù)測(cè)均較為準(zhǔn)確，最大誤差1.93%。盲端2位置預(yù)測(cè)在堵塞率85%時(shí)預(yù)測(cè)不夠準(zhǔn)確，誤差達(dá)到3.53%，可能與反射波相互疊加導(dǎo)致的振幅快速衰減有關(guān)，其他堵塞率時(shí)盲端2定位均較為準(zhǔn)確。

圖7 不同堵塞率時(shí)FFT 150 Hz低通濾波信號(hào)放大圖Fig.7 Magnification of FFT 150 Hz low-pass filtered signals at different blocking rates

表1 不同堵塞率時(shí)堵塞及盲端2定位結(jié)果及誤差Table 1 Location results and errors of blockage and blind flange 2 at different blocking rates

2.3 氣液混輸管道堵塞檢測(cè)

實(shí)際工程中，天然氣輸運(yùn)管道內(nèi)含有少量的水，形成氣液混輸工況。為了檢驗(yàn)壓力波堵塞檢測(cè)技術(shù)是否適用于氣液混輸管道，本文利用實(shí)驗(yàn)管道進(jìn)行1.5 MPa下，管道含水量8%，堵塞率100%的堵塞定位實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示，其中，圖8(a)為原始信號(hào)，圖8(b)為FFT 150 Hz低通濾波信號(hào)。

由圖8可得，氣液混輸管道內(nèi)壓力波傳播特性與輸氣管道差異明顯。對(duì)于氣液混輸管道，入射波快速衰減，并且管內(nèi)長(zhǎng)期處于負(fù)壓狀態(tài)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要有以下3方面：

圖8 100%堵塞率時(shí)氣液混輸管道堵塞檢測(cè)信號(hào)Fig.8 Detection signals of gas-liquid mixed transportation pipeline at 100% blockage rate

1)對(duì)于輸氣管道，假設(shè)管內(nèi)的任一界面均為理想界面，壓力波在管道內(nèi)傳播遇到理想界面后為全反射，不存在折射。而汽液混輸管道底部有一層液體，入射波到達(dá)汽水界面后不會(huì)完全反射，有一部分壓力波折射進(jìn)水相，然后又會(huì)從水相折射回氣相，與原來(lái)的壓力波相互疊加，消耗了能量。

2)底部水層受到劇烈壓力波動(dòng)后，產(chǎn)生強(qiáng)烈震蕩，導(dǎo)致部分壓力波能量轉(zhuǎn)化為水的動(dòng)能，進(jìn)一步消耗能量，加快振幅衰減。

3)堵塞產(chǎn)生的反射負(fù)壓波峰值高，與三通產(chǎn)生的正壓波疊加后仍然為負(fù)壓波。同時(shí)，在壓力波動(dòng)瞬間，管道內(nèi)外強(qiáng)烈的壓差促進(jìn)汽水界面的水層的激濺，分裂成為多個(gè)液滴，并且液滴迅速霧化，形成的小水珠分布在管內(nèi)各層空間中，由于水珠的拖曳力延緩管道壓力的恢復(fù)，造成管內(nèi)長(zhǎng)期處于負(fù)壓狀態(tài)，隨著時(shí)間的推移，壓力恢復(fù)速率變慢，恢復(fù)時(shí)間增加。

對(duì)圖8(b)的信號(hào)進(jìn)行放大，如圖9所示。其中，P1為入射波，P2為盲端1產(chǎn)生的反射波，P3為堵塞產(chǎn)生的反射波。根據(jù)堵塞計(jì)算理論得到堵塞段定位誤差為0.48%，盲端1的定位誤差為1.94%。說(shuō)明壓力波堵塞檢測(cè)技術(shù)適用于氣液混輸管道。

圖9 100%堵塞率下氣液混輸管道FFT 150 Hz低通濾波信號(hào)放大圖Fig.9 Magnification of FFT 150 Hz low-pass filtered signals at 100% blocking rates of gas-liquid mixed transportation pipeline

3 結(jié)論

1)基于壓力波法定位復(fù)雜天然氣管道堵塞時(shí)，對(duì)采集到的無(wú)規(guī)律高低頻混疊動(dòng)壓信號(hào)進(jìn)行FFT諧波變換分析，發(fā)現(xiàn)三通導(dǎo)致的高頻信號(hào)的頻率集中在150～200 Hz之間，同時(shí)，外界干擾信號(hào)較小時(shí)，采用150 Hz低通濾波頻率所得到的頻譜信號(hào)最好，更利于對(duì)堵塞定位分析。

2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，100%堵塞率下，堵塞定位誤差為1.07%；在堵塞率50%時(shí)，堵塞定位誤差最大達(dá)到1.93%，而在堵塞率85%時(shí)盲端2定位誤差最大，達(dá)到3.53%。另外對(duì)于含液率8%的氣液混輸管道，由于管內(nèi)液滴霧化的影響，所采集到的壓力波信號(hào)與輸氣管道有較大差異，此時(shí)，100%堵塞率時(shí)定位誤差為0.48%，亦可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，壓力脈沖波法可以快速、精準(zhǔn)地檢測(cè)復(fù)雜管道堵塞，也適用于氣液混輸管道，具有較好的可靠性與實(shí)用性。但在工程現(xiàn)場(chǎng)，電磁環(huán)境更加復(fù)雜，信號(hào)干擾更明顯，下一步將提高傳感器抗干擾能力和信號(hào)去噪能力；同時(shí)，不同位置及不同種類(lèi)的堵塞定位會(huì)有所差異，因此，爬/降坡管道以及流動(dòng)管道堵塞定位，也是下一步研究重點(diǎn)。