王 正，王洪誠，傅 磊，穆帥歡，王 蕾

（1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500）

管道泄漏檢測新方法研究

王 正1，王洪誠2，傅 磊2，穆帥歡1，王 蕾1

（1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500）

為提高管道泄漏檢測的準(zhǔn)確度、降低漏報(bào)率，提出一種基于負(fù)壓波多壓力傳感器管道泄漏檢測的新方法。該方法依據(jù)泵站前后端的所有壓力傳感器接收減壓波的先后順序，綜合判斷減壓波是由管道泄漏引起還是由泵站工況波動(dòng)調(diào)整引起；并且根據(jù)不同狀況下各個(gè)壓力傳感器測試點(diǎn)檢測到壓力變化各不相同，從而確定故障性質(zhì)和故障點(diǎn)。仿真實(shí)驗(yàn)表明：該方法不僅能降低系統(tǒng)漏報(bào)和誤報(bào)率，而且能夠提高系統(tǒng)泄漏點(diǎn)的定位準(zhǔn)確度。

泄漏檢測；減壓波；綜合判斷；準(zhǔn)確定位

0 引 言

負(fù)壓波法是目前國際上應(yīng)用較多的管線泄漏檢測和漏點(diǎn)定位方法。當(dāng)某處管道上突然發(fā)生泄漏時(shí)，在管道的內(nèi)外形成了壓力差，在壓力差的作用下泄漏點(diǎn)的流體沿泄漏缺口流失，壓力下降，泄漏點(diǎn)兩邊相鄰區(qū)域的流體迅速向泄漏點(diǎn)流動(dòng)，流體連續(xù)的流動(dòng)還導(dǎo)致泄漏點(diǎn)上下游的流體填補(bǔ)因流失造成的空穴，這樣就形成了一種泄漏點(diǎn)處沿管道依次向上、下游方向擴(kuò)散的現(xiàn)象，這種因泄漏產(chǎn)生的減壓波動(dòng)稱為負(fù)壓波[1-2]。從20世紀(jì)80年代起，我國一些研究機(jī)構(gòu)開始研究基于負(fù)壓波的管道泄漏檢測與定位技術(shù)，雖然在多條管線的泄漏檢測中得到了比較成功地應(yīng)用，但是其中存在諸多問題[3-4]。本文提出了一種基于負(fù)壓波多壓力傳感器管道泄漏檢測新方法[5-6]，該方法通過安裝的壓力傳感器對管道內(nèi)壓力參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，結(jié)合泵站前后的壓力傳感器來分析判斷是否為真實(shí)泄漏引起壓力變化，對泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位，并及時(shí)關(guān)閉相關(guān)閥門，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)和快速有效地做出反應(yīng)，最大限度降低損失。

1 負(fù)壓波單壓力傳感器檢測法

1.1 檢測與定位原理

負(fù)壓波法是根據(jù)壓力傳感器捕捉到特定的瞬態(tài)壓力降的波形進(jìn)行泄漏判斷，泄漏位置則根據(jù)負(fù)壓波傳播到上、下游的時(shí)間差來估算[7]，其傳播的速度在不同規(guī)格的管線中不同。在管道檢漏系統(tǒng)中，泵站兩端各裝有一個(gè)壓力傳感器，接收管道中傳來的壓力值。定位原理如圖1所示，設(shè)管道長度為L（m），泄漏點(diǎn)為C（C是管道上面的任意一點(diǎn)），負(fù)壓波傳播速度為V（m/s），管道內(nèi)流體流速為V0（m/s），一般V0比V大3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

圖1 泄漏點(diǎn)的定位原理圖

在上圖中假設(shè)T1為泄漏點(diǎn)C處產(chǎn)生壓力波傳到1站的時(shí)間，T2為傳到2站時(shí)間，根據(jù)兩個(gè)端點(diǎn)壓力傳感器所檢測到劇降的時(shí)間ΔT（s），即可估算泄漏位置，如式（1）、式（2）、式（3）所示：

若測出時(shí)間差ΔT，泄漏點(diǎn)C的位置即可由式（4）求得。

1.2 存在的缺點(diǎn)

當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，管道內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓波,但是能否正確地檢測到該負(fù)壓波的存在呢？另外，該檢測法能否準(zhǔn)確辨別出負(fù)壓波的產(chǎn)生是否由管道泄漏所引起？在實(shí)際管道運(yùn)輸過程中，負(fù)壓波的產(chǎn)生除了可能是由管道泄漏引起之外，還可能是由于工況波動(dòng)調(diào)整造成，如起泵、調(diào)泵、停泵等。這些工況調(diào)整引起的干擾造成了系統(tǒng)虛警率的大幅提高，所以，為了降低系統(tǒng)虛警率，提升系統(tǒng)準(zhǔn)確性，解決虛警問題是必要的[8-10]。

2 負(fù)壓波多壓力傳感器檢測法

2.1 雙壓力傳感器負(fù)壓波檢測法

負(fù)壓波雙壓力傳感器檢測法原理圖如圖2所示。在泵1站近端和遠(yuǎn)端各安裝一個(gè)壓力傳感器A1與A2；在泵2站近端和遠(yuǎn)端各安裝一個(gè)壓力傳感器B2與B1。雙壓力傳感器負(fù)壓波檢測法判斷模式見表1。

圖2 雙壓力傳感器法原理圖

表1 雙壓力傳感器法判定模式

由表1可得泵1、2站兩端壓力傳感器接收到的壓力波的先后順序，這樣可以較準(zhǔn)確地判斷出壓力波的產(chǎn)生是由工況調(diào)整造成的還是由管道泄漏造成。在實(shí)際操作中，該方法也存在一些問題。譬如，當(dāng)泄漏是發(fā)生在泵站的兩個(gè)檢測點(diǎn)A1、A2之間，且泄漏點(diǎn)距A1近端（或B1近端）較近的時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)認(rèn)為泄漏是由1站（或2站）的工況調(diào)整造成的。這樣，系統(tǒng)的漏報(bào)率就會(huì)增大。

2.2 多壓力傳感器負(fù)壓波檢測法

圖3 多壓力傳感器原理圖

表2 多壓力傳感器法判定模式1）

負(fù)壓波多壓力傳感器檢測法原理圖如圖3所示。對雙壓力傳感器法進(jìn)行一定升級(jí)便可得到多壓力傳感器檢測法，多壓力傳感器法綜合了泵站前后的4個(gè)傳感器進(jìn)行判斷。在泵1站前遠(yuǎn)端與前近端各安裝一個(gè)壓力傳感器分別為C1和C2；在泵1站后近端與后遠(yuǎn)端各安裝一個(gè)壓力傳感器分別為A1和A2；在泵2站前遠(yuǎn)端與前近端各安裝一個(gè)壓力傳感器B1和B2；在泵2站后近端與后遠(yuǎn)端各安裝一個(gè)壓力傳感器D1和D2。當(dāng)泵1站和泵2站有工況調(diào)整以及管道中間發(fā)生泄漏時(shí)，判斷方法與雙壓力傳感器法基本相同。當(dāng)在泵站前或者泵站后兩個(gè)檢測點(diǎn)之間發(fā)生泄漏時(shí)，譬如在B1與B2之間并且距離B2近時(shí)發(fā)生，壓力波按時(shí)間先后順序依次到達(dá)泵2前近端、泵2前遠(yuǎn)端、泵2后近端、泵2后遠(yuǎn)端、泵1后遠(yuǎn)端、泵1后近端、泵1前近端、泵1前遠(yuǎn)端。但當(dāng)泵2站有工況波動(dòng)調(diào)整時(shí)，壓力波按時(shí)間先后順序依次到達(dá)泵2后近端、泵2前近端、泵2后遠(yuǎn)端、泵2前遠(yuǎn)端、泵1后遠(yuǎn)端、泵1后近端、泵1前近端、泵1前遠(yuǎn)端。并且在管道發(fā)生泄漏時(shí)候，各個(gè)傳感器檢測點(diǎn)壓力值都是降低的；但在工況波動(dòng)調(diào)整時(shí)候，所調(diào)整泵站前端與后端傳感器檢測點(diǎn)壓力值變化是巧合相反的。通過上述兩種方法同時(shí)判斷，將會(huì)大大提高系統(tǒng)判斷的準(zhǔn)確率，雙壓力傳感器法中的漏報(bào)情況得以解決。

根據(jù)壓力波到達(dá)先后順序進(jìn)行判斷，多壓力傳感器負(fù)壓波法泄漏檢測的判斷模式見表2。

根據(jù)各個(gè)檢測點(diǎn)壓力值的變化情況進(jìn)行判斷，多壓力傳感器負(fù)壓波法泄漏檢測點(diǎn)的壓力變化情況見表3。

由表2和表3聯(lián)合分析判斷，可以避免雙壓力傳感器中漏報(bào)情況的發(fā)生，并且可以根據(jù)負(fù)壓波到達(dá)先后順序初步確定泄漏點(diǎn)的位置，這樣不僅可以降低虛警率，為系統(tǒng)正常運(yùn)行提供保障，還可以為泄漏點(diǎn)定位提供有效數(shù)據(jù)。

3 仿真驗(yàn)證

利用上述基于負(fù)壓波的多壓力傳感器檢測方法結(jié)合專用管道仿真軟件（stoner pipeline simulator，SPS）對輸油管道的泄漏、工況調(diào)整等狀況進(jìn)行模擬仿真設(shè)計(jì)。

表3 檢測點(diǎn)壓力變化情況

管道仿真數(shù)據(jù)設(shè)置如下：管道全長為42km，管道直徑為300mm，泵1站與泵2站之間距離為40km，A1與增壓泵、A1與A2、C2與C1、C2與增壓泵、B1與增壓泵、B1與B2、D2與D1、D2與增壓泵等之間的距離都為0.5 km，泵1站流體壓力為4.9 MPa，泵2站流體壓力為3.4MPa，泵1站流體溫度為60℃，泵2站流體溫度為45℃，負(fù)壓波傳播速度為1050m/s，流體的流速為3m/s。

3.1 壓力波到達(dá)測試點(diǎn)順序仿真驗(yàn)證

管道在如下條件下產(chǎn)生負(fù)壓波，S表示狀況設(shè)置點(diǎn)到傳感器距離，T1表示忽略流體流速時(shí)負(fù)壓波到達(dá)各個(gè)檢測點(diǎn)的時(shí)間，T2表示常態(tài)時(shí)負(fù)壓波到達(dá)各個(gè)檢測點(diǎn)的時(shí)間。

1）泵1站工況調(diào)整時(shí)的仿真條件：在仿真系統(tǒng)中對1站進(jìn)行模擬工況調(diào)整，引起壓力變化；泵1站工況調(diào)整時(shí)測得時(shí)間數(shù)據(jù)如表4所示。

通過表中數(shù)據(jù)可以得出：當(dāng)泵1站工況調(diào)整時(shí)，壓力波按時(shí)間先后順序依次到達(dá)C2與A1、C1與A2、B1、B2、D1、D2，不管是否考慮管道流體流速的影響都可以得到相同結(jié)果，并且還可以看出壓力波幾乎同時(shí)到達(dá)1站前端和后端。

2）泵2站工況調(diào)整時(shí)的仿真條件：在仿真系統(tǒng)中對2站進(jìn)行模擬工況調(diào)整，引起壓力變化；泵2站工況調(diào)整時(shí)測得數(shù)據(jù)如表5所示。

表4 泵1站工況調(diào)整時(shí)測得時(shí)間數(shù)據(jù)

表5 泵2站工況調(diào)整時(shí)測得時(shí)間數(shù)據(jù)

通過表5數(shù)據(jù)可以得出：當(dāng)1站工況調(diào)整時(shí)，壓力波按時(shí)間先后順序依次到達(dá)D1與B2、D2與B1、A2、A1、C2、C1，不管是否考慮管道流體流速的影響都可以得到相同結(jié)果，并且還可以看出壓力波幾乎同時(shí)到達(dá)2站前端和后端。

3）模擬管道泄漏時(shí)的仿真條件：在仿真系統(tǒng)中對A2與B1之間且距離A2點(diǎn)10km處進(jìn)行模擬管道泄漏，引起壓力變化；距離A2點(diǎn)10 km處模擬泄漏測得時(shí)間數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 距離A2點(diǎn)10km處模擬泄漏測得時(shí)間數(shù)據(jù)

通過表中數(shù)據(jù)可以得出：距A2點(diǎn)10km處發(fā)生泄漏時(shí)，壓力波按時(shí)間先后順序依次到達(dá)A2、A1、C2、C1、B1、B2、D1、D2，不管是否考慮管道流體流速影響都可以得到相同結(jié)果，并且還可以看出壓力波是先到達(dá)1站后端，然后再到達(dá)1站前端。

4）模擬管道泄漏時(shí)的仿真條件：在仿真系統(tǒng)中對A1與A2之間且距離A1點(diǎn)0.2km處進(jìn)行模擬管道泄漏，引起壓力變化，當(dāng)距離A2近時(shí)與3）相同；距離A1點(diǎn)0.2km處模擬泄漏測得時(shí)間數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 距離A1點(diǎn)0.2km處模擬泄漏測得時(shí)間數(shù)據(jù)

通過表中數(shù)據(jù)可得出：距A1點(diǎn)0.2km處發(fā)生泄漏時(shí)，壓力波按時(shí)間先后順序依次到達(dá)A1、A2、C2、C1、B1、B2、D1、D2，不管是否考慮管道流體流速的影響都可以得到相同結(jié)果，并且還可以看出壓力波是先到達(dá)1站后端，然后再到達(dá)1站前端。

5）模擬管道泄漏時(shí)的仿真條件：在仿真系統(tǒng)中對B1與B2之間且距離B2點(diǎn)0.2km處進(jìn)行模擬管道泄漏，引起壓力變化，當(dāng)距離B2近時(shí)與3）相同；時(shí)間測試數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 距離B2點(diǎn)0.2km處模擬泄漏測得時(shí)間數(shù)據(jù)

通過表中數(shù)據(jù)可得出：距B2點(diǎn)0.2 km處發(fā)生泄漏時(shí)，壓力波按時(shí)間先后順序依次到達(dá)B2、B1、D1、D2、A2、A1、C2、C1，不管是否考慮管道流體流速的影響都可以得到相同結(jié)果，并且還可以看出壓力波是先到達(dá)2站前端，然后再到達(dá)2站后端。

3.2 檢測點(diǎn)壓力變化仿真驗(yàn)證

管道在距離A1點(diǎn)19km處發(fā)生泄漏、泵1站壓力由3.4 MPa升到4.9 MPa、泵1站壓力由4.9 MPa降到3.4MPa狀況下的壓力傳感器測量值的變化情況，如表9所示。

可以得到：當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，所有檢測點(diǎn)壓力傳感器壓力都將下降；泵1站升壓力時(shí)，泵1站前端壓力傳感器壓力下降，泵1站后端所有壓力傳感器壓力都上升；泵1站降壓力時(shí)，泵1站前端壓力傳感器壓力上升，泵1站后端所有壓力傳感器壓力都下降。

A new method of pipeline leak detection

WANG Zheng1，WANG Hongcheng2，F(xiàn)U Lei2，MU Shuaihuan1，WANG Lei1
（1.School of Mechanical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；2.School of Electric Information，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

In order to improve the accuracy and reduce the false negative rates of pipeline leak detection,a new method of pipeline leak detection was proposed based on suction-wave multipressure sensors.The method was applied to comprehensively determine whether the negative pressure wave was induced by pipeline leakage or the working-condition regulation of pumping stations according to the sequence of negative pressure waves received by all pressure sensors at the front and back ends of pumping stations.And under different conditions,the pressure detected at each test point of pressure sensors were different as well,which was thus used as the basis for diagnosing and determining the nature and points of failure.Simulation experiments show that this method can not only reduce false negative and false positive rates of the system,but also improve the positioning accuracy of system leak points.

leak detection；negative pressure wave；comprehensive judgment；precise positioning

A

：1674-5124（2015）05-0030-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.008

2014-09-10；

：2014-11-25

西南石油大學(xué)電氣工程學(xué)科建設(shè)專項(xiàng)基金（xkjj2013010）

王 正（1987-），男，重慶市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)榫軆x器及機(jī)械。