礦井供水管道泄漏檢測方法的研究與應(yīng)用

摘要：隨著礦井生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)展和新采區(qū)的開發(fā)，井下管網(wǎng)也會變得更為龐大和復(fù)雜，通過負(fù)壓波診斷法及流量平衡判漏法，可以對管道泄漏點快速定位，提高礦井工作效率和管理水平。

關(guān)鍵詞：管道泄漏 負(fù)壓波診斷 流量平衡

井下供水系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)不可缺少的重要組成部分，由于井下自然條件惡劣，管道長期受淋水侵蝕、巷道變形、礦井采動壓等影響，易出現(xiàn)跑冒滴漏或突然斷裂，影響礦井正常生產(chǎn)。如何快速的診斷出管道泄漏位置是確保礦井安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。管道泄漏檢測方法可以采用負(fù)壓波聯(lián)合流量平衡法及流量平衡判漏法。

1 管道泄漏負(fù)壓波診斷法

井下水管管道在正常運(yùn)行狀態(tài)下，內(nèi)部壓力較高。當(dāng)管道因人為損壞、外部擠壓、管道腐蝕等因素導(dǎo)致發(fā)生泄漏時，由于管道內(nèi)外壓力差較大，使其管內(nèi)輸送的液體在內(nèi)外壓差的作用下快速流失。由于管內(nèi)物質(zhì)不間斷地從泄漏點流出，管內(nèi)液體密度逐漸變小，管道泄漏點的內(nèi)部壓力不斷加大。泄漏點處壓力突然下降，但因液體的連續(xù)性，管道中的液體流速不會立即發(fā)生變化，使得泄漏點和相鄰區(qū)域之間存在壓力差。這種壓力差會使得泄漏點上下游的高壓液體流向泄漏點，從而使得泄漏點相鄰區(qū)域的密度和壓力降低。這種現(xiàn)象從泄漏點處沿管道向相鄰區(qū)域擴(kuò)散，相當(dāng)于泄漏點處產(chǎn)生了以一定波速傳播的負(fù)壓力波。

負(fù)壓波沿著管道能夠傳播數(shù)十千米，傳播距離比較長，可以把壓力傳感器安裝在管道泄漏點的上下游兩端，以此來采集負(fù)壓波信號。因為負(fù)壓波本身含有大量的有關(guān)泄漏點的信息，所以可以根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)檢測出泄漏。通過兩傳感器測量到的時間，計算時間差，又根據(jù)負(fù)壓波沿管道傳播的大概速度，就能夠大概地定位出泄漏點。

圖1 負(fù)壓波泄漏定位

圖1中上下游兩傳感器之間的距離為L，泄漏點與上游傳感器之間的距離為X，液體的流速為V，負(fù)壓波的傳播速度為a，上游傳感器檢測到負(fù)壓波的時刻為t1時刻，下游傳感器檢測到負(fù)壓波的時間為t2時刻。令Δt=t1-t2，則

Δt=-（1）

等價于X=[L（a-V）+Δt（a2-V2）]，式中的負(fù)壓波的傳播速度遠(yuǎn)大于液體的流速，因此液體的流速V忽略不計?？珊喕癁椋篨=（L+a·Δt） （2）

其中X——泄漏點距離上游傳感器的距離，單位為m；L——上下游傳感器之間的距離，單位為m；a——負(fù)壓波在管道中的傳播速度，單位為m/s；Δt——上下游兩壓力傳感器接受到負(fù)壓波的時間差，單位為s。

X和L可直接測量得到，負(fù)壓波的傳播速度a與時間差Δt未知，需要在實際監(jiān)測系統(tǒng)中根據(jù)傳感器測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行間接計算。

由管道泄漏定位公式（2）可知，上下游傳感器檢測到負(fù)壓波信號的時間差Δt是影響管道泄漏定位精度的一個重要因素。采用時延估計計算上下游傳感器接收到負(fù)壓波信號的時間差Δt。

互相關(guān)算法是進(jìn)行時延估計的一種常用方法。對上下游傳感器采集到的負(fù)壓波信號進(jìn)行相關(guān)分析，建立模型如下：

x1（t）=s（t）+n1（t）x2（t）=αs（t+D）+n2（t） （3）

其中x1（t）、x2（t）分別為上下游壓力傳感器檢測到的信號；s（t）為泄漏信號；n1（t）、n2（t）為測量過程中的加性噪聲；s（t）、n1（t）、n2（t）兩兩互不相關(guān)；D為上下游兩傳感器檢測到信號的時間差；α表示泄漏信號在傳播過程中的能量損失。

假設(shè)x1（t）、x2（t）為零均值平穩(wěn)隨機(jī)信號，則互相關(guān)函數(shù)為： Rx1x2（τ）=E（x1（t）x2（t+τ））（4）

因已假設(shè)s（t）、n1（t）、n2（t）兩兩互不相關(guān)，則：

Rx1x2（τ）=αRss（τ+D） （5）

式中Rss（τ+D）為自相關(guān)函數(shù)，因Rss（τ+D）≤Rx1x2（0），當(dāng)τ=-D時互相關(guān)函數(shù)Rx1x2取得最大值，由此得到上下游兩傳感器檢測到信號的時間差Δt。

要得到正確的上下游兩傳感器檢測信號的時間差Δt，需要上下游兩傳感器的采集時間必須同步。但是井下管道分布復(fù)雜，兩監(jiān)測點之間的距離長，因PLC內(nèi)部晶振存在誤差，所以管道上下游兩傳感器的采樣難以同步。為了解決這個問題，選擇使用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)校時。通過NTP協(xié)議（Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議）， PLC以固定的時間間隔向LAN（Local Area Network，局域網(wǎng)）中的NTP服務(wù)器發(fā)送時鐘請求。根據(jù)服務(wù)器的應(yīng)答，確定最可靠和最精確的時鐘，并同步站時鐘。

由管道泄漏定位公式中可知影響泄漏定位的另一因素是負(fù)壓波在管道中的傳播速度。負(fù)壓波的傳播速度由下式?jīng)Q定：V= （6）

式中V——負(fù)壓波在管道中的傳播速度，單位為m/s；K——液體的體積彈性系數(shù)，單位為Pa；ρ——液體密度，單位為kg/m3；E——管材的彈性模量，單位為Pa；D——管道直徑，單位為m；e——管壁厚度，單位為m；C1——管道約束條件有關(guān)的修正系數(shù)。

由公式（6）可以看出負(fù)壓波的傳播速度與液體的彈性系數(shù)、液體密度以及管材的彈性模量和管道的尺寸規(guī)格有關(guān)。而液體的彈性系數(shù)和密度均與溫度有關(guān)。為了獲得準(zhǔn)確的負(fù)壓波在管道中的傳播速度，需在現(xiàn)場實際測量。

2 流量平衡判漏法

在一條未發(fā)生泄漏的管道內(nèi)，利用“流入等于流出”的原理，實時監(jiān)測管道上下游的流量。如果下游流出的流量小于上游流入的流量，則說明可能發(fā)生了泄漏。但由于管道內(nèi)流體的狀態(tài)及其物力性質(zhì)關(guān)系到流量的測量，與溫度、壓力、粘度、密度等有直接的關(guān)系，使得在未發(fā)生泄漏的管道上下游監(jiān)測流量值仍有差別。但是上下游的流量差很小。

Q1（t）-Q0（t）=ΔQ（t） （7）

其中Q1（t）——上游流入流量；Q0（t）——下游流出流量；ΔQ（t）——流量差。

正常情況下上下游流量差的絕對值很小，將流量差絕對值的最大值作為管道的流量閾值？著：

管道在正常情況下|ΔQ（t）|很小，若上下游之間發(fā)生泄漏，|ΔQ（t）|將增大。在不考慮外部干擾的情況下，可以認(rèn)為：實際監(jiān)測的管道的上下游流量差小于流量閾值ε時，管道未發(fā)生泄漏；若上下游流量差大于流量閾值ε，管道發(fā)生泄漏，如圖2所示。

管道本身工況的改變，如調(diào)節(jié)閥門等，也將產(chǎn)生負(fù)壓波，容易產(chǎn)生誤報警。雖然管道泄漏和管道工況改變均產(chǎn)生負(fù)壓波，但是管道發(fā)生泄漏時上下游流量差增大，而當(dāng)管道工況改變時上下游流量差下降。因此利用流量平衡法可以有效地對管道的運(yùn)行狀況進(jìn)行判斷，識別出負(fù)壓波是由于管道泄漏產(chǎn)生還是由于管道工況的改變，降低誤報率。

3 結(jié)束語

通過該檢測技術(shù)手段，有助于完善礦井管網(wǎng)系統(tǒng)，促進(jìn)礦井節(jié)能減排，提高節(jié)能效果。一旦井下發(fā)生嚴(yán)重的管路泄漏，能夠在第一時間基于檢測結(jié)果對泄漏點的位置進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，以便及時采取措施加以防范，保證礦井生產(chǎn)，并且為查找處理故障節(jié)約時間。節(jié)省大量的人力物力，提高工作效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]王曉宇，王樹立.管道泄漏檢測及定位技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].江蘇工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2008（03）.

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[3]馬歡.管道泄漏檢測與定位技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J].科教文匯（中旬刊），2007（02）.

作者簡介：

姜傳成（1981-），男，大學(xué)學(xué)歷，兗礦集團(tuán)東灘煤礦機(jī)電科技術(shù)員；萬鵬（1976-），男，大學(xué)學(xué)歷，兗礦集團(tuán)東灘煤礦機(jī)電科副科長。