負(fù)壓波法的管道泄漏檢測(cè)與定位實(shí)驗(yàn)研究

王梓鑒 朱躍 王建 劉祁

摘 要：本文主要介紹了負(fù)壓波法的管道泄漏檢測(cè)與定位原理，通過分析不同泄漏位置、不同泄漏孔徑、不同進(jìn)口壓力、不同采樣周期的泄漏實(shí)驗(yàn)對(duì)管道泄漏定位精度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)泄漏孔為10mm、采樣周期為0.02s、管道進(jìn)口壓力為1.95MPa、泄漏位置為300m時(shí)，其泄漏定位精度最高。

關(guān)鍵詞：負(fù)壓波;微泄漏;定位;實(shí)驗(yàn)研究

1 引言

管道運(yùn)輸作為當(dāng)今世界的五大運(yùn)輸方式之一，憑借其高

效、安全、經(jīng)濟(jì)、便捷等眾多優(yōu)點(diǎn)，在輸送油氣、城市供水、城市燃?xì)獾阮I(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)地位。但是，由于管道老化，地理?xiàng)l件的變化以及人為因素的破壞，管道泄漏事故時(shí)有發(fā)生。管道泄漏事故的發(fā)生不僅影響了正常的工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境污染，而且威脅著人類的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。因此，尋求行之有效的管道泄漏檢測(cè)與定位方法顯得尤為重要。

2 負(fù)壓波法管道泄漏檢測(cè)與定位原理

當(dāng)管道因老化（腐蝕）、地理?xiàng)l件變化（山體滑坡、地震等），以及第三方人為破壞（施工、盜油等）的影響，造成管道泄漏時(shí)，由于泄漏點(diǎn)處會(huì)立即因流體介質(zhì)損失而引起局部流體密度減少，從而在泄漏點(diǎn)處出現(xiàn)瞬時(shí)壓力降低，當(dāng)以泄漏前的壓力作為參考標(biāo)準(zhǔn)，該壓力下降被稱為負(fù)壓波（也叫減壓波），該負(fù)壓波以一定的速度向漏點(diǎn)上下游兩端傳播，經(jīng)過若干時(shí)間后，通過安裝在泄漏點(diǎn)上下游兩端的壓力傳感器捕捉到的特定的瞬態(tài)壓力信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)泄漏檢測(cè)，同時(shí)，根據(jù)壓力傳感器接收到的負(fù)壓波的時(shí)間差，即可實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)定位[2]。

2.1 負(fù)壓波定位公式

在管道首末兩端的位置處分別裝有兩個(gè)壓力傳感器，兩傳感器之間的距離為L。假設(shè)泄漏點(diǎn)到上游壓力傳感器的距離為XL，負(fù)壓波從泄漏點(diǎn)處傳播到首末端壓力傳感器的時(shí)間分別是t1和t2，負(fù)壓波的傳播速度為a，流體介質(zhì)的速度為v，則首端壓力傳感器和末端壓力傳感器先后檢測(cè)到負(fù)壓波的時(shí)間差為：

Δt=t1-t2

故有：

由于負(fù)壓波傳播過程類似于聲波在流體介質(zhì)中的傳播，傳播速度為聲波在管道輸送流體中的傳播速度。聲波在液體管道中的傳播速度一般約為1000-1200m/s之間[3]，而流體介質(zhì)的速度約為10m/s，a遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于v，故公式（2.1）可簡(jiǎn)化為：

由負(fù)壓波定位公式可以看出負(fù)壓波法的管道泄漏檢測(cè)與定位的關(guān)鍵技術(shù)在于：如何精確的確定負(fù)壓波在管道的傳播速度;如何精確的確定負(fù)壓波信號(hào)傳播到泄漏點(diǎn)兩端壓力傳感器的時(shí)間差[4]。

2.2 負(fù)壓波傳播速度a

在傳統(tǒng)的管道泄漏檢測(cè)與定位方法中，負(fù)壓波在管道中傳播速度被視為定常值，鋼管輸水時(shí)，波速一般為1200-1400m/s，輸送原油和成品油時(shí)，一般為900-1100m/s。實(shí)際上，負(fù)壓波的傳播速度由下式?jīng)Q定：

a-水擊波傳播速度，m/s;ρ-液體密度，kg/m3;K-液體的體積彈性系數(shù)，Pa;E-管材彈性模量，對(duì)于鋼管為206.9×109Pa;D-管道平均直徑，m;δ-管壁厚度，m;Ψ-系數(shù)，取決于管道的固定情況，當(dāng)管道中只有一端固定時(shí)Ψ=5/4-μ，當(dāng)管道兩端固定，限制軸向位移時(shí)（如埋地管道）Ψ=1-μ2，當(dāng)管道由多個(gè)膨脹點(diǎn)連結(jié)時(shí)，Ψ=1;μ-泊松系數(shù)，鋼管的μ=0.3。

3 管道泄漏檢測(cè)與定位的實(shí)驗(yàn)研究

3.1 管道泄漏檢測(cè)與定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)環(huán)道改建而成，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由實(shí)驗(yàn)環(huán)道、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)環(huán)道由現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)環(huán)道改建而成，管線由碳鋼管組成，管道長度L=2000m，共分為三層，管徑為DN50，壓力等級(jí)為PN16;

信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)采用NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，該采集系統(tǒng)主要由NI機(jī)箱：型號(hào) cDAQ-9184;卡件：16通道C系列電流輸入模塊，型號(hào) NI-9028;輔助系統(tǒng)由罐區(qū)、泵房、地下供水池、工藝管線、閥組、排水槽等組成。罐區(qū)內(nèi)有1座6m3儲(chǔ)水罐;泵房?jī)?nèi)共有3臺(tái)多級(jí)給水泵，可模擬三個(gè)輸油泵站，泵房?jī)?nèi)設(shè)有地下水池。

3.2 管道泄漏檢測(cè)與定位實(shí)驗(yàn)

本文實(shí)驗(yàn)部分主要進(jìn)行了不同泄漏孔徑、不同泄漏位置、不同進(jìn)口壓力、不同采樣周期的管道泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，以此來分析不同泄漏工況下對(duì)管道泄漏定位精度的影響。

3.2.1 不同泄漏孔大小的輸水管道泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方案：泄漏點(diǎn)兩端壓力傳感器的距離為2000m，管徑為DN50（60.3mm），實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水，在首端進(jìn)口壓力為1.2MPa，泄漏時(shí)間10s，采樣時(shí)間30s，采樣周期為0.02s，泄漏點(diǎn)距離首端壓力傳感器的距離為300m的情況下，分別進(jìn)行了泄漏孔徑為3mm，5mm，10mm的泄漏實(shí)驗(yàn)。

結(jié)果表明由于泄漏孔較小，造成泄漏檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度急劇下降，從而使泄漏定位誤差較大;例如：泄漏孔為3mm時(shí)，由于泄漏量過小，管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)沒有定位到泄漏位置，隨著泄漏孔大小的不斷變大，泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度不斷提高，泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的定位位置越接近實(shí)際的泄漏位置。

3.2.2 不同泄漏位置的輸水管道泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方案：泄漏點(diǎn)兩端壓力傳感器的距離為2000m，管徑為DN50（60.3mm），實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水，在首端進(jìn)口壓力為1.2MPa，泄漏時(shí)間10s，采樣時(shí)間30s，采樣周期為0.02s，泄漏孔為10mm的情況下，分別進(jìn)行了泄漏點(diǎn)距首端壓力傳感器300m，1000m，1800m的泄漏實(shí)驗(yàn)。

結(jié)果表明，泄漏孔的位置處于管道的首端時(shí)，其泄漏定位的誤差就越低，但泄漏位置處于管道首端處并不是影響泄漏定位誤差的唯一因素;泄漏孔處于管道中間和末端位置時(shí)之所以定位誤差高，是因?yàn)樾孤┪恢锰幱诠艿乐虚g和末端時(shí)比泄漏位置處于管道首端時(shí)損失了更多的能量，從而使負(fù)壓波衰減的速度更快。

3.2.3 不同進(jìn)口壓力的輸水管道泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方案：泄漏點(diǎn)距兩端壓力傳感器的距離為2000m，管徑為DN50（60.3mm），實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水，在泄漏時(shí)間10s，采樣時(shí)間30s，采樣周期為0.02s，泄漏孔為10mm，

泄漏點(diǎn)距首端壓力傳感器300m的情況下，為了實(shí)現(xiàn)不同進(jìn)口壓力，將實(shí)驗(yàn)室三臺(tái)泵機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行，分別進(jìn)行了首端進(jìn)口壓力為1.2MPa、1.95MPa、2.7MPa的泄漏實(shí)驗(yàn)。

結(jié)果表明，當(dāng)管道進(jìn)口壓力為1.95MPa時(shí)，泄漏定位的誤差最低，隨著管道進(jìn)口壓力的變大，其定位誤差有所升高，但是變化幅度并不大，由此可知，增大進(jìn)口壓力并不一定能提高管道泄漏定位的精度，而且過大的管道壓力也是造成泄漏發(fā)生的原因之一。

3.2.4 不同采樣周期的輸水管道泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方案：泄漏點(diǎn)兩端壓力傳感器的距離為2000m，管徑為DN50（60.3mm），實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水，在首端進(jìn)口壓力為1.2MPa，泄漏時(shí)間10s，采樣時(shí)間30s，泄漏點(diǎn)距首端壓力傳感器300m，泄漏孔為10mm的情況下，分別進(jìn)行了采樣周期為0.02s、0.04s、0.1s的泄漏實(shí)驗(yàn)。

結(jié)果表明，當(dāng)采樣周期較小時(shí)，其泄漏定位的誤差也相對(duì)較小;隨著采樣周期的變大，管道泄漏定位的誤差也相應(yīng)地變大，主要是因?yàn)椴蓸又芷诘拇笮≈苯佑绊懙叫孤c(diǎn)處的負(fù)壓波傳播到管道首末端壓力傳感器的時(shí)間點(diǎn)捕捉，由負(fù)壓波定位公式可知，負(fù)壓波傳播到泄漏點(diǎn)處首末兩端壓力傳感器的時(shí)間差會(huì)直接影響管道泄漏的定位精度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由不同泄漏孔大小、不同泄漏孔位置、不同進(jìn)口壓力、不同采樣周期下的泄漏實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，泄漏孔越大，采樣周期越小，管道進(jìn)口壓力相對(duì)大，泄漏孔越靠近管道的首端時(shí)，則管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度及定位精度就越高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)泄漏孔為10mm、采樣周期為0.02s、管道進(jìn)口壓力為1.95MPa、泄漏位置為300m時(shí)，其泄漏定位精度最高。

參考文獻(xiàn)：

[1]王桂增，葉昊.流體輸送管道的泄漏檢測(cè)與定位[M].北京：清華大學(xué)，2010.

[2]馬小林，王澤根，謝靜文.負(fù)壓波在管道泄漏檢測(cè)與定位中的應(yīng)用[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2013（03）：17-19.