基于擾動響應(yīng)的輸油管道泄漏檢測方法

尹淵博， 袁 辰， 杜薈敏， 崔兆雪， 劉翠偉， 李玉星

(1.中國石油大學(xué)(華東) 儲運與建筑工程學(xué)院,山東 青島 266580; 2.山東省油氣儲運安全省級重點實驗室，山東 青島 266580； 3.中國石油西南油氣田公司生產(chǎn)運行處，成都 610041； 4.長慶工程設(shè)計有限公司，西安 710018)

管道輸送是當(dāng)前最為環(huán)保高效的油品輸送方式，它使得油品的連續(xù)輸送成為可能[1]。但是，由于部分管道管齡增大，且受腐蝕、第三方破壞等因素影響，管道泄漏事故時有發(fā)生。其直接造成油品損失，并伴隨著人員、經(jīng)濟以及環(huán)境等多方面的間接損失。因此，研究管道的泄漏檢測技術(shù)，及時掌握管道運行狀態(tài)，對確保安全經(jīng)濟生產(chǎn)具有重大意義。經(jīng)過幾十年的積累，目前在泄漏檢測方面積累的豐富的研究成果。總的來看，檢測手段主要可以分為基于管道流動參數(shù)的檢測技術(shù)(基于軟件的技術(shù))以及基于管道外部檢測硬件的技術(shù)(基于硬件的技術(shù))[2]。前者主要包括質(zhì)量/體積平衡[3]，負(fù)壓波法等[4-6]。而后者根據(jù)用于檢測的傳感器和設(shè)備的類型，可以進一步分類為：聲學(xué)方法[7-8]、光學(xué)方法[9-10]、光纖傳感器[11-13]、以及化學(xué)組分分析、土壤監(jiān)測、超聲波流量計和蒸汽取樣等[14-17]。同時管道規(guī)模日益增大，管網(wǎng)結(jié)構(gòu)不斷復(fù)雜，將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。在其中尋找泄漏相關(guān)的信息會消耗大量的時間與資源，因此智能算法與機器學(xué)習(xí)開始進入信號識別領(lǐng)域。諧波分析法[18]、支持向量機[19-20]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[21]等均表現(xiàn)出了較好的使用效果。

在管道泄漏檢測定位過程中，壓力信號因檢測效果明顯而被廣泛應(yīng)用[22]，但是此類方法大多是通過捕捉突發(fā)泄漏引起的管道內(nèi)部參數(shù)瞬態(tài)變化，測量和分析隨后的壓力響應(yīng)，實現(xiàn)泄漏點的檢測與定位。其關(guān)鍵在于瞬態(tài)信號的捕捉，但是對于一些緩慢發(fā)展的泄漏，比如局部點蝕凹坑并逐漸擴大形成的泄漏孔，將無法產(chǎn)生足夠的瞬態(tài)信號，無法通過上述方法實現(xiàn)泄漏的檢測與定位。因此學(xué)者們開始嘗試主動引入擾動信號，通過分析擾動信號的動態(tài)響應(yīng)判斷管道是否存在泄漏。

這一領(lǐng)域的研究最早出現(xiàn)在輸水管道的泄漏檢測上，1999年，Brunone[23]針對排水管道，提出了一種基于瞬變信號和泄漏反射信號的泄漏檢測方法，并引入離散小波變化進行信號的分解與識別，并結(jié)合相關(guān)規(guī)律，設(shè)計了一種便攜式壓力發(fā)生器(portable pressure wave maker)，用于管道狀態(tài)診斷[24-28]。Lee等[29]提出了一種通過系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù)(IRF)來識別泄漏的方法，分析頻率響應(yīng)提取方法、測量位置以及背景噪聲等因素對檢測效果的影響。在這些研究中，大多是通過快速開關(guān)閥門生成擾動信號，進一步分析反射信號特征來實現(xiàn)泄漏孔的檢測和定位。而在國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域，這一技術(shù)的研究并未形成體系，王通[30]通過快速開關(guān)管道末端閥門，分析了管道末端處的壓力響應(yīng)，并進一步利用小波方法對信號奇異點進行獲取，得到了管道的泄漏信息[31]。Guo等[32]基于實驗研究與模擬分析，提出了一種利用瞬態(tài)壓力震蕩來檢測泄漏的方法，并分析了泄漏量與反射量之間的關(guān)系。楊鎮(zhèn)榜等[33]通過改變向管道內(nèi)輸入壓力波的周期實現(xiàn)管道的泄漏檢測。

顯然，基于擾動信號壓力響應(yīng)的泄漏檢測技術(shù)可以彌補依賴管道瞬態(tài)響應(yīng)實現(xiàn)泄漏檢測與定位的管道狀態(tài)診斷技術(shù)的不足，同時在檢測緩慢發(fā)展形成的泄漏孔時具有潛在應(yīng)用價值。但是目前，針對該方法定位精度的研究尚處于摸索階段。此外，快速開關(guān)閥門是引入擾動信號的主要手段，但由于閥門自身特性，無法定量描述擾動信號，限制了對反射信號影響因素進行分析。因此，文章基于室內(nèi)環(huán)道實驗系統(tǒng)，對管道施加一個主動的擾動信號，分析反射信號特征實現(xiàn)泄漏的檢測與定位，并進一步分析該方法的定位精度及誤差來源?；贔luent動網(wǎng)格技術(shù)，建立二維仿真模型，對實驗結(jié)果進行補充并驗證誤差來源。最后通過UDF函數(shù)引入不同的擾動信號，對檢測效果影響因素進行分析。

1 擾動信號壓力響應(yīng)泄漏檢測原理分析

圖1(a)為管道無泄漏孔時施加擾動信號的示意圖，其中，M為壓力傳感器，管線總長為L，壓力信號傳播速度為a。當(dāng)在I處產(chǎn)生瞬態(tài)泄漏(減壓信號)信號時，M處傳感器接收到的壓力變化(在不考慮能量損失的情況下)如圖2(a)所示。圖1(b)為管道存在泄漏孔時主動施加瞬態(tài)泄漏的示意圖，其中B為待檢測泄漏點，其他設(shè)置與圖1(a)相同，當(dāng)在I處產(chǎn)生瞬態(tài)泄漏信號時，M處傳感器接收到的壓力變化(在不考慮能量損失的情況下)如圖2(b)所示。

(a) 無泄漏孔

(a) 無泄漏孔

2 擾動信號壓力響應(yīng)泄漏檢測實驗

基于上述原理分析，對一條平穩(wěn)運行的管道施加一個擾動信號，可以得到管道系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)擾動信號到達泄漏點時，主波能量會有減小。一部分隨著漏失流體損耗，另一部分轉(zhuǎn)向形成反射波。通過分析對比同一條管道在相同工況下傳感器接收到的信號的變化，可以獲得管道的泄漏信息。

2.1 室內(nèi)管道循環(huán)泄漏實驗

實驗裝置由室內(nèi)環(huán)道流動系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分組成。如圖3所示，室內(nèi)環(huán)道系統(tǒng)管道內(nèi)徑42 mm、壁厚3 mm、長110 m。試驗管段沿線共設(shè)有2個泄漏點，4個動態(tài)壓力傳感器，傳感器1、2、3、4到末端閥的距離分別為：38.95 m、32.95 m、28.90 m、21.50 m。泄漏點A分布于傳感器1、2之間，與傳感器1距離4.20 m。泄漏點B分布于傳感器3、4之間，與傳感器3距離3.15 m。泄漏孔由球閥、短管和孔板組成。

圖3 42 mm管徑實驗環(huán)道

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由中控系統(tǒng)與動態(tài)壓力信號采集系統(tǒng)組成。其中，中控系統(tǒng)與管道沿線安裝的壓力傳感器、流量計等儀表相連，用于確定管道的運行狀態(tài)；動態(tài)壓力信號采集系統(tǒng)主要用來監(jiān)測記錄管道的瞬態(tài)信號數(shù)據(jù)，通過動態(tài)壓力傳感器采集的聲波信號經(jīng)動態(tài)數(shù)據(jù)采集卡最終傳至監(jiān)控主機。采用美國PCB公司生產(chǎn)的106 B型動態(tài)壓力傳感器，測量范圍0～57.3 kPa，敏感度43.5 mV/kPa，最低頻率響應(yīng)0.5 Hz。此處動態(tài)壓力是指本次采集數(shù)據(jù)與上次采集數(shù)據(jù)的差值。實驗流程如圖4所示。

安裝泄漏點A、泄漏點B的泄漏孔板，啟動動力系統(tǒng)，調(diào)節(jié)管道閥門，將流動參數(shù)調(diào)節(jié)至設(shè)定工況，待管道運行進入穩(wěn)定狀態(tài)以后，通過迅速開關(guān)泄漏點閥門來開展實驗。針對有無待檢測泄漏點兩種情況，更換不同的壓力等級和泄漏孔直徑重復(fù)實驗。

2.2 泄漏信號識別分析

圖5展示了250 kPa時，泄漏點A(待檢測泄漏點)1 mm持續(xù)泄漏，泄漏點B(擾動信號)3 mm迅速開啟，和僅將泄漏點B(擾動信號)3 mm迅速開啟兩種工況下，通過小波變換去噪處理，四個傳感器采集到的動態(tài)壓力信號對比圖。可以看出，相比于無待檢測泄漏點的工況，當(dāng)存在待檢測泄漏點時，采集的動態(tài)壓力信號幅值明顯減小，且增加了多個峰特征。壓力波在經(jīng)過泄漏孔A時，出現(xiàn)了能量的損失與反射。

圖6展示了450 kPa時，泄漏點A(待檢測泄漏點)1 mm持續(xù)泄漏，泄漏點B(擾動信號)3 mm迅速開啟，并通過小波變換去噪處理后，傳感器采集的動態(tài)壓力信號。如圖6(a)所示，由于傳感器1位于泄漏點A的下游，反射波與減壓波發(fā)生重合，無法進行識別，但傳感器4采集到的信號可以明顯發(fā)現(xiàn)反射波的存在。分析傳感器4采集信號的峰特征，可以實現(xiàn)泄漏孔的定位。

確定壓力波傳播速度時，為了減小局部速度變化產(chǎn)生的誤差，選擇試驗系統(tǒng)中最長的測量管段區(qū)間，即傳感器1到傳感器4之間的管道進行計算。根據(jù)傳感器1和傳感器4的安裝位置以及檢測到信號的時間差確定壓力波傳播速度為1 041.504 m/s。峰Ⅱ為傳感器檢測到的擾動信號，計算發(fā)現(xiàn)，峰值Ⅱ與峰值Ⅲ之間的距離為16.621 4 m，4號傳感器捕捉到擾動信號與反射信號的距離差為18 m。因此，結(jié)合理論分析結(jié)果，可以確定峰Ⅲ為泄漏點A的反射波，誤差為7.659%。同理，可以確定峰Ⅳ為峰值Ⅱ的末端反射波，誤差為0.121%。實驗中，為了方便控制泄漏的發(fā)生，使用球閥連接孔板制造泄漏孔，但這樣導(dǎo)致泄漏流體流動通道較長，在實驗工況壓力較低的情況下，容易使氣體進入管道內(nèi)部，形成氣液兩相流動。這將導(dǎo)致壓力波傳播速度在一個范圍內(nèi)發(fā)生波動，這一現(xiàn)象給泄漏孔的定位造成了誤差。而計算管段越長，局部速度變化產(chǎn)生的影響越小，相應(yīng)的，定位誤差也會減小。該部分將在3.1節(jié)模擬結(jié)果中進一步論證。

圖4 室內(nèi)環(huán)道循環(huán)泄漏檢測實驗流程圖

確定反射波后，根據(jù)傳感器4中采集到的泄漏點反射波與擾動信號之間的時間差，對待測泄漏點A進行定位。經(jīng)計算得到泄漏點A到傳感器4的距離為12.661 m，而實際泄漏點A到傳感器4的距離為13.25 m，定位誤差4.447%，定位精度較高，因此采用該方法進行泄漏檢測定位具有可行性與可靠性。

3 擾動信號壓力響應(yīng)泄漏檢測仿真模型

3.1 壓力響應(yīng)信號識別與分析

建立二維仿真模型，管道全長12 m，內(nèi)徑42 mm，如圖7所示，在管道上設(shè)置兩個泄漏孔A、B，其中泄漏孔A距離管道入口3 m，泄漏點B距離管道入口8 m，兩個泄漏孔大小均為2 mm。泄漏孔A為可開關(guān)閥門，用于提供擾動信號，泄漏孔B為常開閥門，為待檢測泄漏孔。在距離管道起點1 m、5 m、7 m、10 m處分別設(shè)置壓力監(jiān)測點1、2、3、4。此外，泄漏孔出口處的壓力是一個低于管道壓力而高于大氣壓的值，直接確定此處的壓力是很困難的，因此在泄漏孔的外側(cè)設(shè)置了足夠大的常壓空氣區(qū)域(5 m×8 m)，通過給定充分遠(yuǎn)處的壓力邊界計算泄漏孔處的壓力值。由于泄漏孔處壓力梯度較大，因此對局部網(wǎng)格進行加密，同時利用動網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)閥門的開關(guān)。利用UDF函數(shù)控制閥門啟閉，圍繞閥體形心進行旋轉(zhuǎn)，角速度為12 rad/s。閥門在3 s之前為關(guān)閉狀態(tài)，用于建立管道內(nèi)部穩(wěn)定的流動。在3 s時開始旋轉(zhuǎn)打開，并在3.1 s時完全打開，圖8(a)、(b)分別展示了閥門關(guān)閉與打開后的網(wǎng)格。由于仿真過程涉及到壓力波的傳播，并需要根據(jù)不同監(jiān)測位置檢測到信號的時間差來計算壓力波的傳播速度，因此應(yīng)認(rèn)為模擬介質(zhì)的密度是可變的。采用水為模擬介質(zhì)，設(shè)置其彈性模量E=2.2 GPa，設(shè)置入口速度2 m/s，出口壓力100 kPa。選擇使用SSTk-ω湍流模型。管道泄漏噴射過程屬于氣液兩相流動，氣相的存在主要是為了模擬形成一個真實的背壓條件，因此選用計算成本較低的Mixture模型。此時，連續(xù)性方程與動量方程皆與相分?jǐn)?shù)相關(guān)，如式(1)～(2)所示

(1)

(2)

圖7 泄漏孔位置

對網(wǎng)格進行無關(guān)性驗證，每次將網(wǎng)格加密一倍，得到如表1所示的不同網(wǎng)格尺寸，分析閥門完全打開，即3.1 s時刻監(jiān)測點1與監(jiān)測點3處的流動速度，得到圖9所示結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格第一次加密對速度的計算結(jié)果改變很大，但第二次以及第三次加密產(chǎn)生的影響較小。綜合考慮計算精度與計算成本，本文選擇2號網(wǎng)格進行模擬計算。

(a) 閥門關(guān)閉

表1 不同網(wǎng)格尺寸表

圖9 不同尺寸網(wǎng)格速度對比圖

圖10展示了0.2 s時泄漏點B處的水的體積分?jǐn)?shù)分布圖。不同灰度代表不同體積分?jǐn)?shù)。通過圖10可以看出，在該尺寸下，管內(nèi)流體的運動不會受到空氣區(qū)域邊界的影響，可以獲得一個較為合理的壓力出口邊界。當(dāng)管道上存在泄漏孔時，管道內(nèi)流體的流動速度與管道內(nèi)外壓差作用下形成的向外噴射速度決定了泄漏孔處的速度，受泄漏孔壁面的影響，管內(nèi)液體噴出泄漏孔后，呈現(xiàn)出與管道內(nèi)相反的噴射方向。由于空氣區(qū)域的下邊界為壁面條件，因此管道內(nèi)噴出的液體在此處匯聚并向兩側(cè)流散。

圖10 0.2 s時泄漏點B處水的體積分布圖

記錄各個監(jiān)測點的靜壓-時間數(shù)據(jù)，為了與實驗采集數(shù)據(jù)相對應(yīng)，處理后得到動態(tài)壓力-時間數(shù)據(jù)。圖11展示了使用動網(wǎng)格在0.1 s內(nèi)完全開啟閥門，3號監(jiān)測點記錄的動態(tài)壓力信號，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果表現(xiàn)出相同的波形特征。計算得到壓力波傳播速度為1 428.571 4 m/s，峰值Ⅱ與峰值Ⅲ之間的距離為2 m，而3號傳感器與泄漏孔B之間的距離是1 m，因此，峰Ⅱ與峰Ⅲ便分別代表了擾動信號與反射波。實時監(jiān)測管道內(nèi)部相分?jǐn)?shù)，并沒有出現(xiàn)氣體進入管道的現(xiàn)象，管道內(nèi)部始終是純液體流動，這使得壓力波傳播速度在全部管道內(nèi)都是一個常數(shù)。因此，基于模擬得到的檢測信號，可以實現(xiàn)泄漏孔的精確定位。

圖11 有無泄漏孔時靜壓變化率曲線

3.2 反射信號影響分析

為了進一步明確該方法的適用性，對該方法檢測效果的影響因素進行分析。設(shè)置如表2所示三種不同的擾動信號分析擾動信號特征的影響，在2 m/s速度的基礎(chǔ)上，引入不同的正弦波動生成三種擾動信號；針對管道運行壓力的分析，設(shè)置3個壓力等級：100 kPa、200 kPa和300 kPa，選擇V1作為擾動信號，設(shè)置泄漏孔尺寸為2 mm展開研究。而管道泄漏特征主要分析了泄漏孔尺寸的影響，使用擾動信號V1，出口壓力200 kPa，分別設(shè)置泄漏孔徑為1 mm、2 mm和3 mm，監(jiān)測管道的壓力響應(yīng)。

表2 擾動信號函數(shù)表達式

設(shè)置的三個擾動信號，分別代表了升壓信號V1，減壓信號V2以及一個脈沖信號V3，監(jiān)測點3的壓力響應(yīng)如圖12(a)所示，可以發(fā)現(xiàn)，對一條穩(wěn)定的管道引入相反的擾動信號時，其表現(xiàn)出了相反的壓力響應(yīng)，而響應(yīng)的幅值與擾動信號頻率相關(guān)。擾動信號的頻率增強，泄漏孔處管道內(nèi)外壓差的變化增大，液體漏失速率變化量增大，捕捉到的信號幅值隨之增大。圖12(b)展示了泄漏孔尺寸為1 mm、2 mm、3 mm時，管道的動態(tài)壓力響應(yīng)。首先，泄漏孔的尺寸會明顯影響信號幅值，隨著泄漏孔尺寸增大，捕捉到的擾動信號幅值減小，但反射信號幅值增大。這是因為大尺寸的泄漏孔會損失更多的能量，使得監(jiān)測點處捕捉到的擾動信號幅值略有降低。與此同時，泄漏孔處管道內(nèi)外壓差的變化量會略有減小，但由于泄漏孔尺寸的增大，使得液體漏失速率整體表現(xiàn)為增大趨勢，進一步導(dǎo)致轉(zhuǎn)化為反射信號的能量總體增大。圖12(c)展示了不同運行壓力對同一條管道引入相同擾動的反射信號，可以發(fā)現(xiàn)，不同壓力下的反射信號幾乎完全重合，管道的運行壓力對檢測效果的影響十分有限。這是因為決定反射信號幅值的關(guān)鍵在于液體漏失速率的變化量，而這一值與管道自身的運行壓力關(guān)聯(lián)很小。因此在相同的擾動信號和泄漏孔尺寸下，改變管道壓力，得出的反射信號幾乎重合。

4 結(jié) 論

捕捉管道瞬態(tài)壓力響應(yīng)的泄漏檢測方法無法感知到瞬態(tài)信號不明顯的泄漏特征，主動輸入擾動信號來制造壓力響應(yīng)可以成功解決這一困擾。該方法通過定期向管道注入特定波形的擾動信號，對比分析沿線傳感器捕捉的動態(tài)壓力響應(yīng)，識別信號中的異常波動，結(jié)合壓力波傳播速度即可實現(xiàn)泄漏的檢測與定位。通過分析，發(fā)現(xiàn)如下幾點結(jié)論：

(1) 泄漏口處液體漏失速率的變化是檢測方法實現(xiàn)的關(guān)鍵，擾動信號的瞬態(tài)特征越強，泄漏孔尺寸越大，泄漏孔處反射產(chǎn)生的壓力響應(yīng)越明顯，而管道的運行壓力對檢測效果影響很小。

(2) 基于反射信號實現(xiàn)泄漏孔的檢測與定位，在室內(nèi)實驗系統(tǒng)中定位誤差為4.447%，數(shù)值模擬中可以實現(xiàn)精確定位。實驗過程中由于泄漏導(dǎo)致的管道內(nèi)部產(chǎn)生氣液兩相流動是產(chǎn)生定位誤差的主要因素。此外，擾動信號在邊界處也會產(chǎn)生明顯的反射，實驗中對末端反射的定位精度達到0.121%。

文章分析了擾動信號壓力響應(yīng)泄漏檢測方法在液體管道中的定位精度，并進一步分析其檢測效果的影響因素。該方法在管道完整性管理中具有重要潛在價值，對其定位精度和影響因素的分析有利于該方法的推廣與應(yīng)用。