基于瞬變流的輸油管道泄漏檢測(cè)模擬

楊鎮(zhèn)榜，徐寬

（1.長(zhǎng)江大學(xué)，油氣鉆井技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏研究室，湖北武漢430100；2.中石化中原石油工程井下特種作業(yè)公司，河南濮陽(yáng)457001）

基于瞬變流的輸油管道泄漏檢測(cè)模擬

楊鎮(zhèn)榜1，徐寬2

（1.長(zhǎng)江大學(xué)，油氣鉆井技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏研究室，湖北武漢430100；2.中石化中原石油工程井下特種作業(yè)公司，河南濮陽(yáng)457001）

針對(duì)輸油管道泄漏檢測(cè)的現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并研究了一種基于瞬變流的檢測(cè)輸油管道泄漏點(diǎn)的方法，該方法利用管道均勻豎直的特點(diǎn)，在下游流體出口處設(shè)置閥門(mén)和壓力檢測(cè)裝置，當(dāng)輸油管道發(fā)生泄露時(shí)，周期性關(guān)閉閥門(mén)產(chǎn)生瞬變流即連續(xù)壓力波，以連續(xù)壓力波為輸入信號(hào)，泄漏管道為系統(tǒng)，檢測(cè)管道出口處的壓力信號(hào)為輸出信號(hào)來(lái)檢測(cè)泄漏。當(dāng)產(chǎn)生同樣周期及振幅的連續(xù)壓力波時(shí)，由于泄漏點(diǎn)所在的位置不同及壓力波造成管道共振，輸出信號(hào)即管道出口檢測(cè)到的壓力也不同，根據(jù)這一特性，不斷改變輸入的壓力波周期，即可產(chǎn)生不同的系統(tǒng)頻率響應(yīng)圖。由此判斷出泄漏點(diǎn)位置。

輸油管道；泄漏檢測(cè)；瞬變流；頻率響應(yīng)

輸油管道是油氣儲(chǔ)運(yùn)的命脈，在石油產(chǎn)出后負(fù)責(zé)運(yùn)輸石油到煉制廠(chǎng)或儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)，輸油管道往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米，且掩埋于地下，如果泄漏發(fā)生很難第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并檢測(cè)泄漏點(diǎn)。因此泄漏一旦發(fā)生，極可能發(fā)生重大經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患，甚至對(duì)土壤、水資源造成長(zhǎng)時(shí)間的污染。在泄漏檢測(cè)的歷史上很多學(xué)者專(zhuān)家研究了對(duì)輸油管道泄漏的檢測(cè)方法。最早人們采用認(rèn)為查找的方式，派工作人員或動(dòng)物到可能的泄漏管段沿管道檢查泄漏點(diǎn)[1]，這種方法無(wú)疑耗費(fèi)大量人力物力且難以迅速實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)的檢測(cè)。之后聲學(xué)法被廣泛采用，利用泄露時(shí)產(chǎn)生的聲波來(lái)檢測(cè)泄漏點(diǎn)，但由于聲波傳播距離極為有限，難以滿(mǎn)足輸油管道數(shù)千米的要求，且聲波在傳播過(guò)程中會(huì)摻入大量噪聲，去除這些噪聲極為困難[1]。除此之外還有利用發(fā)射性示蹤劑的檢測(cè)方法，這種方法所需周期較長(zhǎng)，難以及時(shí)檢測(cè)到泄漏信息。到了本世紀(jì)，壓力波法逐漸被發(fā)現(xiàn)且應(yīng)用，Mpesha提出了使用壓力波來(lái)檢測(cè)泄漏點(diǎn)[2]，由于輸油管道流體處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，只需在出口安設(shè)閥門(mén)即可產(chǎn)生水擊，操作簡(jiǎn)單易實(shí)施，他根據(jù)發(fā)生泄漏時(shí)壓力波頻率不同的特點(diǎn)判斷泄漏點(diǎn)，整個(gè)計(jì)算在頻域上進(jìn)行。在他之后該方法被許多學(xué)者深入研究[3-9]。本文在Mpesha的基礎(chǔ)上，提出了使用系統(tǒng)頻響圖的方法，利用管道泄漏時(shí)其固有頻率改變的特性來(lái)檢測(cè)泄漏點(diǎn)。

1 連續(xù)壓力波法檢測(cè)輸油管道泄漏

圖1為使用連續(xù)壓力波對(duì)輸油管進(jìn)行泄漏檢測(cè)的示意圖，從入口到泄漏點(diǎn)為管段1，從泄漏點(diǎn)到出口為管段2，壓力傳感器安設(shè)在閥門(mén)前。a截面為入口截面，c截面為出口截面，b截面為閥門(mén)前端截面，箭頭指向?yàn)榱黧w流動(dòng)方向。當(dāng)泄漏出現(xiàn)時(shí)，周期性關(guān)閉位于管道出口端的閥門(mén)，產(chǎn)生連續(xù)壓力波，連續(xù)壓力波在管道內(nèi)來(lái)回傳播并與管道系統(tǒng)發(fā)生共振，此時(shí)閥門(mén)后的壓力傳感器接收到連續(xù)壓力波的壓力信號(hào)并通過(guò)傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻域制成系統(tǒng)的頻率響應(yīng)圖，由于共振的存在，與管道系統(tǒng)頻率相近的壓力波振幅會(huì)被放大，根據(jù)系統(tǒng)頻率響應(yīng)圖的波峰點(diǎn)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)泄漏檢測(cè)。

圖1 泄漏檢測(cè)示意圖Fig.1 Diagram of leak detection in pipes

1.1 瞬變流檢測(cè)法的理論計(jì)算

瞬變流理論中有一種傳遞矩陣法，根據(jù)管段的特征和管道中點(diǎn)的特性計(jì)算其對(duì)流經(jīng)它們前后的流體壓力和流量的影響并寫(xiě)出這些管段和點(diǎn)的傳遞矩陣，而判斷管道不同部位的關(guān)系。

在發(fā)生泄漏的輸油管道中，泄漏點(diǎn)的傳遞矩陣為[9]

式中：QL0=泄漏流量，m3/s;

ΔHL0=泄漏點(diǎn)前后的水頭損失,m。

漏點(diǎn)前后的管段1和管段2分別長(zhǎng)為l1和l2，其場(chǎng)傳遞矩陣為[9]

式中：Z=環(huán)空管柱特征阻抗，Z=a2μ/gAiω

μ=壓力波的傳播系數(shù);

閥門(mén)的點(diǎn)傳遞矩陣為[9]

式中:ΔHv0=恒定流狀態(tài)下經(jīng)過(guò)閥門(mén)的水頭損失，m;

Qv0=恒定流狀態(tài)下經(jīng)過(guò)閥門(mén)的流量，m3/s。

因此輸油管道入口端和出口端的關(guān)系可以寫(xiě)為

所有符號(hào)上標(biāo)表示擴(kuò)展矩陣。

將式（1）（2）（3）代入式（4）中，由于輸油管道出口和入口連接為儲(chǔ)存裝置，可將a、c截面的壓力視為恒定，因此可得

壓力波在環(huán)空中傳播的周期為4L/a，故其固有角頻率為ωth=πa/(2L)，對(duì)于奇次諧波有：

當(dāng)泄漏較小時(shí)，可認(rèn)為aQL0/4gAHL0=0，從而上式化簡(jiǎn)為

對(duì)上式取倒數(shù)有

從上式可看出，如果沒(méi)有泄漏發(fā)生，系統(tǒng)頻率響應(yīng)圖中應(yīng)為等振幅的諧波，當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，諧波振幅呈正弦狀周期關(guān)系。且頻率為xL*，由此可判斷泄漏點(diǎn)位置。

1.2 檢測(cè)步驟

由于本方法利用管道共振特性進(jìn)行檢測(cè)，需要不斷改變閥門(mén)的振蕩頻率。首先確定一個(gè)閥門(mén)振蕩的數(shù)值并讓其振蕩直至形成穩(wěn)定連續(xù)壓力波，此時(shí)該壓力波部分頻率與管道共振，并得到該頻率點(diǎn)的振幅值，即系統(tǒng)頻響圖上的一個(gè)點(diǎn)。然后改變閥門(mén)振蕩頻率，重復(fù)上述步驟，再次得到一個(gè)點(diǎn)，多次改變閥門(mén)振蕩頻率從而得到多個(gè)點(diǎn)直至可以繪制曲線(xiàn)，由于共振頻率整數(shù)倍的頻率同樣共振，所以得到的系統(tǒng)頻響圖類(lèi)似正弦狀，有多個(gè)諧波組成。此時(shí)從左至右記錄每個(gè)諧波波峰振幅的數(shù)值以及其諧波數(shù)。諧波波峰振幅的變化呈周期性。要判斷其周期并清晰顯示出來(lái)需要采用FFT（快速傅里葉變換）將上述兩變量轉(zhuǎn)換為頻譜，根據(jù)頻譜圖的主頻位置即可判斷出泄漏點(diǎn)位置。

2 模擬研究

對(duì)該方法進(jìn)行模擬驗(yàn)證基于MATLAB，對(duì)1.2中的步驟進(jìn)行模擬。設(shè)置參數(shù)如表1所示。

表1 模擬參數(shù)Table1 Simulation parameters

在MATLAB中對(duì)式（4）進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，發(fā)生泄漏時(shí)，諧波振幅呈周期變化，而未發(fā)生泄露時(shí)，諧波振幅不變。這與式（9）一致。

圖2 泄漏與未泄露對(duì)比Fig.2 Comparison between pipe with leak and without leak

記錄諧波的振幅值以及其對(duì)應(yīng)諧波數(shù)，將諧波振幅取倒數(shù)作為縱坐標(biāo)，諧波數(shù)為橫坐標(biāo)，繪制為圖像如圖3所示。

圖3 諧波振幅倒數(shù)與諧波數(shù)關(guān)系圖Fig.3 Relation between magnitude and m

從圖3中可以明顯看到存在周期關(guān)系，為了明顯表現(xiàn)出其周期值或頻率值，將圖3中數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，得到其頻譜圖，如圖4所示。

從圖4中可以看出，主頻位于0.2處，而實(shí)際設(shè)置的泄漏點(diǎn)也位于0.2總管道長(zhǎng)度。當(dāng)泄漏位置改變時(shí)，保持其他參數(shù)不變進(jìn)行模擬，設(shè)定泄漏位置分別為200、300、400 m時(shí)，重復(fù)上述步驟進(jìn)行模擬，結(jié)果如下圖所示。圖5中不同泄漏位置所對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)主頻值分別為0.2、0.3、0.4，與設(shè)定的值相同，這說(shuō)明使用該方法檢測(cè)泄漏點(diǎn)位置是可行的的。

圖4 諧波振幅和諧波數(shù)的頻譜圖Fig.4 Spectrum of magnitudes and m

圖5 不同泄漏位置對(duì)比Fig.5 Comparison between pipe with different leak location

3 結(jié)論

提出了一種使用瞬變流檢測(cè)輸油管道泄漏的方法，該方法僅需安裝一個(gè)閥門(mén)和傳感器，簡(jiǎn)單易實(shí)施。且能有效檢測(cè)泄漏點(diǎn)。該方法采用傳遞矩陣法，根據(jù)管道共振特性檢測(cè)泄漏點(diǎn)，且最后使用FFT進(jìn)行頻域分析，整個(gè)過(guò)程在頻域進(jìn)行，有效防止了噪聲干擾。由于管道系統(tǒng)的多樣性，該方式可能不適用于所有管道系統(tǒng)，針對(duì)不同管道系統(tǒng)的檢測(cè)方法還有待研究。

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Simulation of Leak Detection of Oil Pipeline by Transient Flow Method

Y
ANG Zhen-bang1,XV Kuan2
（1.Lost Circulation Control Division,Oil and Gas Drilling Technology National Engineering Laboratory, Yangtze University,Hubei Wuhan 430100,China; 2.Sinopec Zhongyuan Petroleum Engineering Downhole Special Operation Company,Henan Puyang 457001,China）

The present situation of pipeline leakage detection technology was summarized,and a method of leak detection based on transient flow was presented.Based on straight and smooth characteristics of pipes,this method can detect the leakage by transient flow produced by periodically switching on and off the valve installed on exit of pipes. The pipe system can be determined by pressure wave as input signal and the pressure measured at exit of pipes as output signal.When leakage appears,the inherent frequency of pipes system is changed,and if the continuous pressure wave is produced,resonance will happen in the pipes.Therefore the leakage can be located by researching the frequency response diagram in different valve frequency.

Oil pipeline;Leakage detection;Transient flow;Frequency response

TE 832

A

1671-0460（2017）03-0517-03

2016-10-28

楊鎮(zhèn)榜（1993-），男，湖北潛江人，長(zhǎng)江大學(xué)石油與天然氣工程專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生，研究方向：鉆井工藝。E-mail：393244572@qq.com。