管道堵塞定位技術(shù)研究進展

趙旗

摘 要： 管道堵塞是管道運行過程中常見的安全問題，準確確定堵塞發(fā)生位置和長度是解堵作業(yè)的前導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)。通過對國內(nèi)外各類文獻進行調(diào)研，較為系統(tǒng)與詳細地闡述了管道堵塞定位技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀。國內(nèi)對管道堵塞定位技術(shù)的研究有著豐富的經(jīng)驗，對各種方法均有進行探索，如注油試壓法、壓力波法、卸放油法、應(yīng)力應(yīng)變法、水力瞬變法、分布式光纖法等。國外對管道堵塞定位技術(shù)的研究方向主要集中在基于瞬態(tài)實驗的堵塞定位技術(shù)，并在這方面做了較多的工作，包括使用數(shù)值分析和用實驗數(shù)據(jù)來驗證方法的準確性和適用性。對全部堵塞和部分堵塞的檢測方法也都進行了一定的探索。

關(guān) 鍵 詞：管道；堵塞；定位；研究現(xiàn)狀

中圖分類號：TE 832 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-2023-04

Abstract： Pipeline blockage is one of common security problems in the process of pipeline operation. Determining the position and length of the blockage accurately is a key to plug removal. Based on various types of domestic and foreign literature researches， research status and development of pipeline blockage positioning technology were introduced. Many methods of pipeline blockage positioning in our country were summarized， such as fuel injection pressure test method， pressure wave method， oil discharge method， the stress-strain method， hydraulic transient method， distributed optical fiber method and so on. Foreign research tread of the pipeline blockage location technology is based on the transient experiment. A lot of work to validate the transient experiment method has been carried out， including using numerical analysis method and experimental data to validate the accuracy and applicability of the method.

Key words： pipeline； blockage； location； research status

1 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對管道堵塞定位技術(shù)的研究有著豐富的經(jīng)驗，且對各種方法均有進行探索。根據(jù)對堵塞點的檢測方式的不同，可將管道堵塞定位法大體分為管道內(nèi)部檢測法和管道外部檢測法兩類。

1.1 管道內(nèi)部檢測法

1.1.1 注油試壓法

曾多禮、何立剛等[1]較早提出采用注油試壓的方法檢測完全堵塞的成品油管道。如圖1所示，當管道完全堵塞時，堵塞物會與管道的端部形成密閉的容積，而堵塞物和管道端部之間的距離與密閉容積的大小成正比。當向密閉容積段注油時，液壓將隨之發(fā)生變化，變化量與諸多因素有關(guān)。當其它因素為已知條件時，液壓變化量的大小僅取決于注油量和管道長度。反之，已知注油量和壓力變化，就能計算出管段長度，從而確定堵塞點的基本位置。

該方法需要對管道進行注油加壓，工程操作量大，操作成本較高，操作時間較長，精確度也欠佳，故其并不是一種十分理想的堵塞定位檢測方法。

1.1.2 壓力波法

壓力波法應(yīng)用壓力波反射原理，具體的檢測過程如圖2所示，在堵塞管道的A端注入一個壓力波信號，則壓力波在管道內(nèi)沿著正向箭頭的方向傳播。

當壓力波到達堵塞點P后，將會產(chǎn)生反射，反射波再反向傳播到監(jiān)測點A。通過計算可得壓力波在管中的傳播速度a，輔以監(jiān)測點A得到的兩個壓力波響應(yīng)信號的時間差，就可計算出監(jiān)測點A與堵塞點P之間的距離。

王通、閻詳安[2]較早將該法應(yīng)用到了堵塞點的檢測上。劉恩斌、李長俊等[3]通過對處理算法進行簡化并且使用壓力傳感器實現(xiàn)了壓力信號分析法檢堵，驗證了該方法的可行性。而趙乃卓、韓萬超等[4]提出了采用球形模型來對堵塞產(chǎn)生正負壓波進行放大，同時利用小波變換法良好的降噪能力與時頻局域的特性來進行壓力波的突變檢測。

此種方法對管道堵塞檢測的靈敏度高，定位精確度高，可監(jiān)測較長距離的管道，是目前主流的堵塞定位檢測技術(shù)。但多相體系中聲波傳導(dǎo)速度的不確定性嚴重制約了該方法的預(yù)測精度及大規(guī)模應(yīng)用，所以該項技術(shù)還有很大的改進空間。

1.1.3 卸放油法

粗略定位堵塞點之后，在該定位點上、下各1 km的范圍內(nèi)分別采用優(yōu)選法選取探點、開挖探坑、鉆孔放油從而逐步縮小檢測范圍逼近堵塞點，最后在接近冰堵點的小范圍管線上鉆大孔，然后用鋼筋來探孔從而確定堵點的具體位置。

該方法的計算值與實際堵點位置誤差約為1 km，實施該方法需對管道進行反復(fù)的放油卸壓。故其定位精度并不是很高，且工作量大，操作過程復(fù)雜，操作耗時也較長，在實踐中應(yīng)用的并不廣泛。

1.2 管道外部檢測法

1.2.1 應(yīng)力應(yīng)變法

陳寶忠[6]、馬秋寧等[7]較早對采用應(yīng)力應(yīng)變原理進行堵塞點定位的研究。其基本操作原理為給發(fā)生堵塞的管道注油加壓，由于冰堵點前管道壓力較冰堵點后的管道壓力要大，故在冰堵點前管道受壓變形程度較冰堵點后也要大。因此可以通過基于應(yīng)力應(yīng)變原理的傳感器來對整條管線的壓力數(shù)據(jù)進行采集，對采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析來判斷冰堵點的具體位置，從而實現(xiàn)對堵塞點的定位。

該方法需對管線上選定的測壓點進行開挖作業(yè)，并且需要去除測壓點處的防腐層和保溫層以保證傳感器測量的準確性，為提高測量過程的效率，使用黃金分割法來進行測壓點優(yōu)選。陳寶忠等[6]應(yīng)用該原理設(shè)計了檢測設(shè)備并對撫順石油三廠至乙烯廠長27 km的管線進行了檢測，檢測7個點就準確的找到了堵塞點的具體位置。馬秋寧等[7]則分別在長27 km的瓦斯氣管線和長13 km的氫氣管線上進行了實驗，取得了良好的效果。而郝嬌、林長健等[8，9]則研究了如何對應(yīng)變式傳感器的卡具進行優(yōu)化，以提高該檢測方法的測量精度。

總的來說，采用應(yīng)力應(yīng)變法對堵塞點進行定位，操作簡單，用時短，且定位相對來說較為準確。因而，該檢測技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。

1.2.2 水力瞬變法

邱正陽、鄧松圣等[10]在對前人方法總結(jié)的基礎(chǔ)上提出了水力瞬變法，其基本原理是通過輸油泵給被堵塞管段加壓到一定的壓力，然后利用特性已知的泄放單元進行壓力的泄放，使全線形成瞬態(tài)的流動，然后在指定的地點對壓力的變化情況進行檢測，最后通過對監(jiān)測點得到數(shù)據(jù)的處理和分析，判斷出堵塞點的具體位置，如圖3所示。

邱正陽、鄧松圣等[11]又在之前的基礎(chǔ)上進行了實驗?zāi)M與研究。根據(jù)實驗的結(jié)果，作者得出當管道長度大于100 km時，指定監(jiān)測點無法獲取明顯的瞬態(tài)壓力響應(yīng)。進行的10組實驗的測試結(jié)果表明該方法可達到了一定的檢測精度。

本方法的關(guān)鍵是非穩(wěn)態(tài)管流數(shù)學(xué)模型的建立，對堵塞長度不同、管徑不同等情形應(yīng)分別進行數(shù)值模擬計算、實驗和分析。同時由于泄放單元的局限性，本法對測試管道的長度也具有一定的要求。

1.2.3 分布式光纖法

國內(nèi)周琰等[12]較早對分布式光纖法進行了研究，其基本的檢測原理是通過在管道附沿線并排敷設(shè)由三條單膜光纖構(gòu)成的光纜，三條光纖基于Mach-Zehnder光纖干涉儀原理組成了分布式微振動檢測傳感器。光纜中有兩條光纖為傳感光纖，當傳感光纖在管道沿途受到作用時，光纖中傳播的光波相位將發(fā)生變化，光波相位的變化信息將會通過第三條光纖傳輸給光電探測器，光電探測器可實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)變。采集到的信號采用小波變換來進行處理，其可對包括管道堵塞在內(nèi)的管道沿線異常狀況進行及時的反饋。趙乃卓等[12]以周琰[13]的研究為基礎(chǔ)，結(jié)合石油管道在冰堵后會發(fā)生膨脹而擠壓光纖這一現(xiàn)象，提出使用該方法檢測堵塞以及定位堵塞點的檢測方法。

分布式光纖法精確度高，反應(yīng)迅速，但由于在鋪設(shè)管道的同時必須在管道沿線鋪設(shè)分布式光纖檢測系統(tǒng)，增加了管道建設(shè)的成本，其對小型管道工程以及復(fù)雜管道工程不可取，僅在長距離輸油和輸氣管道中應(yīng)用較多。

1.2.4 射線探堵

鄧明晰等[14]較早對 射線探堵進行了研究。由于 射線在穿透某種物質(zhì)時，部分 射線會被該物質(zhì)吸收，而 射線被吸收的光子數(shù)目與該物質(zhì)密度有很大的關(guān)聯(lián)，且密度不同的物質(zhì)對 射線的吸收量幾乎與物質(zhì)密度的成正比，故只要通過對 射線光子數(shù)目進行計數(shù)就可以實現(xiàn)對管道內(nèi)的各種堵塞物進行區(qū)分，從而確定產(chǎn)生堵塞的位置和主要原因。

該方法無論管內(nèi)介質(zhì)是氣體亦或是液體都適用，但由于自身的局限性其只適用于小范圍且堵塞部位較為明顯的地面管道進行探堵。

1.2.5 水力坡降曲線法

水力坡降曲線法的基本原理如圖4所示，曲線1為管道正常運行時的水力坡降曲線；曲線2為管道開始產(chǎn)生堵塞時的水力坡降曲線，管道首端和堵塞點之間由于堵塞的發(fā)生而產(chǎn)生憋壓，堵塞點到管道終點段則由于堵塞發(fā)生而產(chǎn)生失壓。曲線3為完全堵塞后管道的水力坡降曲線。而管道水力坡降曲線的奇異點就對應(yīng)著管道的堵塞點的位置。

劉恩斌、李長俊等[15]通過建立管道運行的數(shù)學(xué)模型并輔以采集到的堵塞點兩端的實際壓力等運行參數(shù)，來對管道進行模擬仿真，從而得到了整條管線的水力坡降曲線，然后通過小波變換來查找管道水力坡降曲線的奇異點并最終推算出了堵塞點的具體位置。

堵塞位置的定位精度與管道的仿真精度密切相關(guān)，仿真精度越高，則定位的精度也精確。采用仿真方法可大大縮短用工時長，簡化操作過程，減少檢測設(shè)備，降低用工成本。

2 國外的研究現(xiàn)狀

國外對管道堵塞定位技術(shù)的研究方向主要集中在基于瞬態(tài)實驗的堵塞定位技術(shù)，并在這方面做了較多的工作，包括使用數(shù)值分析法和采用實驗數(shù)據(jù)來對方法的準確性和適用性進行驗證。對全部堵塞和部分堵塞的檢測方法也進行了一定的探索。

Hasan等[16]在定位氣井堵塞位置時使用了壓力瞬態(tài)分析法，開發(fā)了預(yù)測氣管線部分堵塞位置的瞬態(tài)模擬軟件。并且使用該軟件定位氣井部分堵塞位置。Liangjian Liu等[17]提出了一種能估計堵塞形式的氣管線堵塞定位法。同時建立了一個新的平均壓力模型，該模型通過檢查兩端都關(guān)閉后的管路的平均壓力能夠定位管道部分堵塞段。Pedro J等[18]使用基于流體瞬態(tài)分析的頻率響應(yīng)圖來進行非連續(xù)性堵塞的定位數(shù)值分析。該方法較適用于復(fù)雜或參數(shù)不太詳細的管路。Najeem A等[19]建立了一個適用于堵塞特征檢測的簡單的數(shù)值模型?？刂品匠讨锌紤]了粘度的影響，并使用廣義的Newton-Raphson方程來進行線性函數(shù)分段線性有限體積方程的迭代優(yōu)化，該法可應(yīng)用在具有復(fù)雜幾何構(gòu)造的管線上。Meniconi S等[20]對部分堵塞的管道進行了頻域-時域耦合實驗。證明了頻率響應(yīng)分析法在確定部分堵塞段徑向收縮長度和堵塞區(qū)域長度上較為準確，而壓力信號分析法定位堵塞位置較為準確?；趯嶒灲Y(jié)果文中提出了兩種方案的聯(lián)合方案，從而大大提高了計算精確度和計算效率。

3 結(jié)束語

早期定位技術(shù)使用的方法采用的裝備多，耗時長，定位精度也低。近年來，國內(nèi)外研究熱點主要集中在基于瞬態(tài)實驗的分析方法上。這類方法耗時較少，成本低，且具有較高的精度。然而，在實際工況下，管道堵塞情況復(fù)雜多變，單純的使用一種方法進行堵塞點的定位可能無法應(yīng)對實際的復(fù)雜環(huán)境，故需要根據(jù)實地情況采用多種技術(shù)相結(jié)合的方法，將各種方法的優(yōu)缺點統(tǒng)籌起來，揚長避短。

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