綜述管道堵塞的檢測(cè)技術(shù)

廖翊芳+朱倩倩

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，石油和天然氣工業(yè)進(jìn)入一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期，管道運(yùn)輸這種輸送方式在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中，正發(fā)揮著極為重要的作用。而長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)墓艿朗欠浅４嗳醯模３?huì)發(fā)生各種故障，比如堵塞，所以為了保證工廠或行業(yè)的平穩(wěn)運(yùn)行以及環(huán)境的安全，需要能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)出堵塞的位置和狀況。因此，人們致力于探尋一種迅速、可靠、實(shí)用的手段對(duì)管道內(nèi)堵塞狀況進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)堵塞位置進(jìn)行定位，它能為管理者制定排堵計(jì)劃提供信息，減小排堵作業(yè)成本，降低由于管道堵塞造成的停輸經(jīng)濟(jì)損失。本文通過查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)堵塞檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研，簡(jiǎn)要闡述了管道堵塞的主要檢測(cè)方法，并討論了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：管道堵塞；檢測(cè)技術(shù)；綜述

正文：

一、引言

堵塞是管道系統(tǒng)中普遍存在的問題，根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)引起管道堵塞的原因主要有以下幾點(diǎn)：在設(shè)計(jì)階段，管道設(shè)計(jì)的不合理；在實(shí)際運(yùn)行階段，管道內(nèi)流速達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，有沉淀物淤積；施工中設(shè)計(jì)閥門質(zhì)量差，致使閥門失靈，閥門螺桿損壞、折斷等；人為破壞造成管道的堵塞等。堵塞會(huì)對(duì)管道系統(tǒng)造成許多嚴(yán)重后果，例如，在給水管道中，堵塞會(huì)破壞給水管道正常的工作狀態(tài)，降低給水系統(tǒng)的工作效率，更甚者會(huì)破壞供水的水質(zhì)，給城市居民的健康帶來危害。另外，給水管道中的堵塞會(huì)引起管道內(nèi)壓力的上升，從而導(dǎo)致管道的應(yīng)力破壞，致使泄漏甚至爆管，出現(xiàn)生產(chǎn)事故，導(dǎo)致寶貴的水資源浪費(fèi)。如果出現(xiàn)大面積的流失，就不僅僅是資源的浪費(fèi)，而且引起環(huán)境的污染，甚至發(fā)生水災(zāi)，嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。因此對(duì)堵塞進(jìn)行檢測(cè)和控制是很有必要的。

二、管道檢測(cè)技術(shù)綜述

1.聲學(xué)方法

該方法作為一種補(bǔ)充方法與壓力波脈動(dòng)解析算法聯(lián)合使用，定位精度為20m。該方法需要先使用壓力波脈動(dòng)解析算法，確定堵塞段的大致位置（定位精度200m），然后在堵點(diǎn)前后范圍內(nèi)的地面上每隔一定距離安裝傳感器（檢波器），在管道輸入端（泵站）重復(fù)施加一定幅度（限幅）的脈沖壓力波，并用電纜將信號(hào)輸入多路放大器進(jìn)行平行等量放大、濾波等處理后，將輸出信號(hào)記錄下來。經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn)，分析堵點(diǎn)前后由地面測(cè)量的堵點(diǎn)水擊噪聲強(qiáng)度分布，得到堵點(diǎn)位置信息。

該方法易受環(huán)境影響，管道埋深也會(huì)影響其使用，需要多次反復(fù)試驗(yàn)，且只適用于小范圍的定位。

2.壓力波法

該方法是利用管道堵塞前后兩端壓差的劇烈變化來檢測(cè)管道的堵塞，其原理為：當(dāng)管道堵塞時(shí)，在管道首端發(fā)出一個(gè)脈沖壓力波，壓力波沿管道向下游傳播遇堵塞物后反彈向首端傳播，在管道首端可以獲得兩次壓力波信息；通過采集管道首端壓力信號(hào)，并利用小波變換法提取壓力信號(hào)突變信息，獲得壓力波兩次通過傳感器的時(shí)間差，最后結(jié)合壓力波波速便可以確定管道堵塞的位置。

該方法對(duì)管道堵塞檢測(cè)的靈敏度高，定位精確度高，可監(jiān)測(cè)較長(zhǎng)距離的管道，但多相體系中聲波傳導(dǎo)速度的不確定性嚴(yán)重制約了該方法的預(yù)測(cè)精度及大規(guī)模應(yīng)用，所以該項(xiàng)技術(shù)還有很大的改進(jìn)空間。

3.振動(dòng)分析

該方法是使用振動(dòng)分析方法來描述圓形管道中的堵塞效應(yīng)，提出了用快速傅里葉變換（FFT）圖來描述堵塞水平與振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)性。在流體流過障礙物的時(shí)，流動(dòng)橫截面面積減小，并且根據(jù)連續(xù)性方程，流體速度增加。按照伯努利定律，流體的壓力隨之下降。由于這種波動(dòng)的壓力和過高的速度，在管道中可以觀察到顯著的振動(dòng)響應(yīng)。用加速度計(jì)測(cè)量振動(dòng)參數(shù)，得到不同的加速度計(jì)位置（點(diǎn)A、B、C）的頻率響應(yīng)與管道內(nèi)各種堵塞厚度之間的關(guān)系。觀察到，由于B點(diǎn)處存在阻塞，在B點(diǎn)處的頻率與點(diǎn)A和C的頻率相比是最大的。所以面積和壓力的變化會(huì)改變振動(dòng)模式。通過比較管道各點(diǎn)的頻率，發(fā)現(xiàn)在最大阻塞厚度處，速度最大，頻率在7？9 kHz之間變化。

4.γ射線探堵

該方法適用于地面管道堵塞部位較為明顯時(shí)，對(duì)堵塞段填充物進(jìn)行識(shí)別，判別產(chǎn)生堵塞的主要原因。該方法利用γ射線在地面管道外進(jìn)行探堵，由于γ射線在穿透某種物質(zhì)時(shí)，一部分γ射線被該物質(zhì)吸收，而吸收的γ射線光子數(shù)目與物質(zhì)密度密切相關(guān)，且不同密度的物質(zhì)對(duì)γ射線的吸收幾乎都隨著物質(zhì)密度的增加而增加。故只要通過對(duì)γ射線光子數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)的各種堵塞物進(jìn)行區(qū)分，從而確定產(chǎn)生堵塞的位置和主要原因。

該方法主要用于地面管道堵塞發(fā)生后，在知道堵塞位置時(shí)，對(duì)堵塞段具體情況進(jìn)行判斷，識(shí)別堵塞物，以便對(duì)排堵計(jì)劃提供參考信息。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(jìn)行探堵。

5.基于瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)的堵塞檢測(cè)技術(shù)

該類方法通過對(duì)堵塞管道激發(fā)瞬態(tài)，獲得瞬態(tài)過程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終得到管道堵塞段的相關(guān)信息。為了進(jìn)行管道堵塞點(diǎn)的定位和堵塞特征的識(shí)別，需要在管道內(nèi)制造瞬態(tài)。需要激發(fā)的瞬態(tài)可以分為短時(shí)瞬態(tài)和長(zhǎng)時(shí)瞬態(tài)兩種。

基于瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)的堵塞檢測(cè)技術(shù)按照其對(duì)響應(yīng)數(shù)據(jù)處理方式的不同，可以分成兩類：頻域方法和時(shí)域方法。頻域方法中，頻率響應(yīng)函數(shù)由測(cè)試數(shù)據(jù)決定，該函數(shù)能夠描述系統(tǒng)物理特性。同時(shí)，系統(tǒng)異常通過在類似于逆向瞬態(tài)分析的過程中縮小計(jì)算的頻率響應(yīng)和試驗(yàn)結(jié)果的差距得到。時(shí)域方法中，對(duì)堵塞段的診斷基于對(duì)管道的第一個(gè)特征時(shí)間的識(shí)別（短周期分析）。由堵塞段反射的壓力波，可以判斷堵塞段的位置和尺寸。

頻域方法只需要使用諧振峰值，就能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)堵塞段位置和尺寸。而穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)的摩擦以及其它衰減效應(yīng)對(duì)該方法的精確度幾乎沒有影響。該方法依靠可觀測(cè)的共振頻率數(shù)目，其精度受使用的擬合技術(shù)或最優(yōu)化方法影響。頻域方法能迅速可靠的預(yù)測(cè)堵塞段特征。主要方法為頻率響應(yīng)法（FRA）。時(shí)域方法，依靠特征時(shí)間的識(shí)別能夠迅速可靠的預(yù)測(cè)堵塞段位置，其對(duì)堵塞段的特征時(shí)間處理采取的策略至關(guān)重要。準(zhǔn)確的識(shí)別特征時(shí)間與定位精度息息相關(guān)，時(shí)域分析的主要方法為壓力信號(hào)分析法（PSA）。

三、結(jié)語

近年來，對(duì)于定位技術(shù)，國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)主要集中在基于瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)的分析方法上。這類方法耗時(shí)較少，成本低，且具有較高的精度。然而，在實(shí)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(jìn)行堵塞點(diǎn)的定位可能無法應(yīng)對(duì)實(shí)際的復(fù)雜環(huán)境，故需要根據(jù)實(shí)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(diǎn)統(tǒng)籌起來，揚(yáng)長(zhǎng)避短。

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作者簡(jiǎn)介：

廖翊芳（1996.09-）女，漢，湖南省郴州市，身份證號(hào)：431024199609183322，本科生，研究方向：環(huán)境工程

朱倩倩（1995.12-）女，漢，河南省周口市，身份證號(hào)：412702199512123144，本科生，研究方向：環(huán)境工程endprint