張 宇 張 碩 王亞偉 劉 杰

（1.92453部隊(duì) 福州 350000）（2.山東理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院 淄博 255030）

1 引言

隨著航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，尤其近年某潛艇海水管破裂引發(fā)的人們對(duì)管路泄漏診斷問(wèn)題的思考，船舶管路泄漏問(wèn)題逐漸引起人們的關(guān)注。船舶管路系統(tǒng)包括動(dòng)力管路和船舶系管路，是保證船舶航行性能和安全，滿足船舶正常運(yùn)行和人員生活需要的重要系統(tǒng)［1］。由于船舶管路長(zhǎng)期處于強(qiáng)噪聲、強(qiáng)振動(dòng)、高溫、潮濕甚至腐蝕的狀態(tài)下，且管系布局復(fù)雜，維護(hù)保養(yǎng)困難，泄漏故障難以避免。若診斷不及時(shí)將造成環(huán)境污染、資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，甚至發(fā)生火災(zāi)，嚴(yán)重威脅人身財(cái)產(chǎn)的安全。為此，本文從泄漏診斷方法、綜合選擇和評(píng)定及發(fā)展趨勢(shì)三個(gè)方面對(duì)船舶管路泄漏診斷技術(shù)進(jìn)行了匯總分析，重點(diǎn)論述了基于信號(hào)處理的方法的泄漏診斷方法，并結(jié)合九項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)泄漏診斷方法進(jìn)行了綜合評(píng)定，最后根據(jù)當(dāng)前現(xiàn)狀探討了船舶管路泄漏診斷技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

2 船舶管路泄漏診斷的主要方法

管路泄漏診斷技術(shù)按照側(cè)重不同通常劃分為外部監(jiān)測(cè)法與內(nèi)部監(jiān)測(cè)法、靜態(tài)方法與動(dòng)態(tài)方法、基于硬件的方法與基于軟件的方法三類［2］。本文從硬件、軟件兩個(gè)角度對(duì)船舶管路的泄漏診斷方法進(jìn)行分類評(píng)述。

2.1 基于硬件的方法

基于硬件的方法主要依賴儀器設(shè)備、物理化學(xué)方法達(dá)到泄漏檢測(cè)的目的。主要包括以下幾種。

2.1.1 人工巡視法

船舶管路大多采用人工巡視的辦法，該方法主要依靠巡視者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，存在盲目性強(qiáng)、檢測(cè)速度慢、無(wú)法進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)的缺點(diǎn)。

2.1.2 浮子法

浮子法常通常在機(jī)艙和貨艙的四個(gè)角落布置裝有浮子和報(bào)警電路正極的污水井，當(dāng)污水積累到一定量時(shí)，浮子上浮接通污水報(bào)警電路，發(fā)出警報(bào)。該方法雖能監(jiān)測(cè)管路泄漏，但需要污水累積一定量才能發(fā)出警報(bào)，只用于一些不重要的水管路監(jiān)測(cè)。

2.1.3 雙層管泄漏檢測(cè)法

雙層管泄漏檢測(cè)與壓力變送器配合使用于高壓油管泄漏的檢測(cè)，雙層管泄漏檢測(cè)通過(guò)在高壓油管內(nèi)層與外層之間設(shè)置裝有報(bào)警電路的回流集油壺，當(dāng)高壓油管內(nèi)層泄漏時(shí)，燃油流回集油壺，達(dá)到一定高度時(shí)觸發(fā)報(bào)警電路；壓力變送器用于檢測(cè)高壓油管是否破裂并發(fā)出警報(bào)。該方法雖然能對(duì)泄漏發(fā)出報(bào)警，但在主機(jī)啟動(dòng)或完車過(guò)程中會(huì)頻繁報(bào)警且不能確定泄漏位置。

2.1.4 滲透檢測(cè)法

滲透檢測(cè)是根據(jù)滲透液具有毛細(xì)現(xiàn)象的特性，通過(guò)涂上顯像劑顯像進(jìn)行管路缺陷檢測(cè)。滲透液的性能和工件物理狀態(tài)共同決定著檢測(cè)工件的效率和檢測(cè)質(zhì)量。該方法檢測(cè)精度高，但檢測(cè)周期較長(zhǎng)，通常作為輔助檢測(cè)方法。

2.1.5 液壓試驗(yàn)法

液壓試驗(yàn)將清潔的管路一端堵上，在另一端注入一定壓力的水，通過(guò)滲水現(xiàn)象判斷故障點(diǎn)。該方法具有檢測(cè)精度高、定位性能好的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)油管進(jìn)行檢測(cè)時(shí)存在污染系統(tǒng)的隱患，且前期準(zhǔn)備工作復(fù)雜、不能在役檢測(cè)。

2.1.6 鹵素檢漏法

鹵素檢漏法是基于泄漏冷劑與火焰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使得火焰的顏色發(fā)生變化的特性達(dá)到檢測(cè)泄漏冷劑的目的，常用于空調(diào)系統(tǒng)和冷庫(kù)系統(tǒng)的管路故障檢測(cè)。該方法在使用過(guò)程中易受到外界環(huán)境的限制，對(duì)鹵素濃度有一定要求，且存在起火和窒息的隱患，一般不建議使用。

2.1.7 氣泡檢測(cè)法

氣泡檢測(cè)法通常用于空調(diào)系統(tǒng)和冷庫(kù)系統(tǒng)的制冷劑的泄漏檢測(cè)。該方法需先進(jìn)行系統(tǒng)泄漏位置的粗略判斷，通過(guò)涂抹發(fā)泡水查找鼓泡可完成泄漏點(diǎn)的大致定位。該方法操作簡(jiǎn)單，但僅適用于有一定壓力的氣態(tài)工質(zhì)管路，且泄漏點(diǎn)無(wú)法精確定位。

上述基于硬件的船舶管路泄露檢測(cè)技術(shù)具有原理簡(jiǎn)單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，但存在連續(xù)檢測(cè)性差、管路泄漏缺乏預(yù)判性的問(wèn)題，一般不作為主要的管路檢測(cè)手段。

2.2 基于軟件的方法

為了解決管路泄漏測(cè)量精度低、泄漏點(diǎn)定位難的問(wèn)題，逐步在硬件的基礎(chǔ)上采用先進(jìn)的控制理論進(jìn)行信號(hào)分析處理的基于軟件的方法，該方法可分為以下幾種。

2.2.1 光纖檢測(cè)法

光纖傳感法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，具有信號(hào)衰減弱、抗電磁干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)被應(yīng)用到管路泄漏檢測(cè)中［3］。

文獻(xiàn)［4］基于Sagnac干涉儀的直線型光路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用不破壞管路壁的1根單模光纖結(jié)構(gòu)部署于復(fù)雜彎曲的船舶管系，通過(guò)合理設(shè)置零點(diǎn)頻率的落點(diǎn)范圍確定船舶管路傳感光纖的合適區(qū)段以及設(shè)置延遲光纖環(huán)與消盲光纖環(huán)的長(zhǎng)度提高采集完整泄漏信號(hào)的傳感光纖的靈敏度。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有優(yōu)良的抗噪抗擾性能，響應(yīng)時(shí)間快速，能夠達(dá)到復(fù)雜工況下船舶管路泄漏監(jiān)測(cè)的目的。盡管該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室具有較好的監(jiān)測(cè)效果，但真正運(yùn)用到船舶中還有待實(shí)踐的檢驗(yàn)；此外，在船舶管路斷裂、多點(diǎn)泄漏等診斷方面，該系統(tǒng)還需改進(jìn)提升。

2.2.2 基于信號(hào)處理的方法

船舶管路診斷信號(hào)包含主機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的高斯噪聲，敲擊、突發(fā)振動(dòng)等一些突發(fā)因素產(chǎn)生的脈沖噪聲，管路的彎頭、直徑變化及間歇性加壓等產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)噪聲，風(fēng)、浪等自然因素及碰撞引起的壓力波動(dòng)噪聲等信號(hào)，對(duì)大量泄漏信號(hào)診斷分析將變得極為困難，為此，選擇合適的信號(hào)處理方法頗為重要。

1）負(fù)壓波法

負(fù)壓波法檢測(cè)原理為當(dāng)管路某處突然發(fā)生泄漏時(shí)，在泄漏處將引起瞬態(tài)壓力突降，形成一個(gè)負(fù)壓波，該波以聲速向管路兩端傳播，可分別被上下游壓力傳感器捕捉到，如圖1所示。由式（1）可知，通過(guò)計(jì)算上下游接收到負(fù)壓波的時(shí)間差和傳播速度確定泄漏點(diǎn)的位置。

圖1 負(fù)壓波法

泄漏位置：

式中a為負(fù)壓波傳播速度，L為管路長(zhǎng)度，?t為管路首、尾端壓力傳感器檢測(cè)到負(fù)壓波的時(shí)間差。

文獻(xiàn)［5］對(duì)負(fù)壓波的關(guān)鍵技術(shù)波速和上下游傳感器檢測(cè)到的時(shí)間差進(jìn)行了分析，重點(diǎn)研究了氣體含量、管徑對(duì)波速的影響并利用互相關(guān)分析法確定負(fù)壓波傳播到兩壓力傳感器的時(shí)間差，進(jìn)一步提高了管路泄漏定位精度。負(fù)壓波法具有計(jì)算量小，響應(yīng)時(shí)間快，對(duì)突發(fā)性泄漏檢測(cè)效果較好的優(yōu)點(diǎn)，若泄漏較小或者泄漏速度很慢，則該方法會(huì)失效。

2）壓力梯度法

壓力梯度法的原理為流體在穩(wěn)定流動(dòng)的條件下，壓力分布呈線性變化，當(dāng)管路中發(fā)生泄漏時(shí)，漏點(diǎn)之前的流量變大，漏點(diǎn)之后的流量變小，導(dǎo)致漏點(diǎn)前壓力分布斜率變大，漏點(diǎn)后相應(yīng)的斜率變小，兩條斜率不同的直線必將有一個(gè)交點(diǎn)，那么此交點(diǎn)即為泄漏點(diǎn)，其變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 壓力梯度法

在進(jìn)行泄漏位置定位的分析中，文獻(xiàn)［6］認(rèn)為船舶海水管路中各種生物或者雜質(zhì)容易使流量計(jì)失去作用，對(duì)管路上的流量計(jì)壽命造成一定的影響，此外還增加了輪機(jī)員額外的工作量；為此，采用分別在上下游端安裝兩個(gè)壓力變送器求得壓力梯度，確定泄漏點(diǎn)的位置。與負(fù)壓波法相比，壓力梯度法采用上下游安裝雙壓力傳感器的方法減少了管路工況變化帶來(lái)的干擾，降低了誤報(bào)警率，但存在檢測(cè)精度低、定位誤差大的缺點(diǎn)。

3）壓力-流量平衡法

壓力-流量平衡法是通過(guò)上下游的流量差和壓力變化來(lái)進(jìn)行泄漏判斷，在工況穩(wěn)定的情況下，上下游的流量差、壓力差是穩(wěn)定的，若出現(xiàn)輸差的異常變化，則斷定管路有異常情況發(fā)生。

傳統(tǒng)的流量平衡法需將流量計(jì)安裝在管路中，大大增加了工程量并破壞了管路工作介質(zhì)流場(chǎng)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生了一定的誤差影響。文獻(xiàn)［7］采用不需要破壞管路完整性的超聲波流量計(jì)來(lái)檢測(cè)船舶管路泄漏和泄漏點(diǎn)定位的方法，具有負(fù)壓波檢測(cè)法響應(yīng)速度快、定位精度高以及流量平衡法具有的泵閥操作誤報(bào)警低的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)［8］利用超聲波流量計(jì)對(duì)船舶管路泄漏和堵塞故障工況進(jìn)行了研究，利用超聲波縱波能夠在液體中傳播而表面波不能在液體中傳播的特性對(duì)管路故障工況進(jìn)行定位分析，并采用多脈沖法對(duì)超聲波傳播時(shí)差進(jìn)行多次測(cè)量，提高了故障點(diǎn)定位精度。與壓力梯度法相比，采用不破壞管路工作介質(zhì)流場(chǎng)的壓力-流量平衡法具有檢測(cè)精度高、誤報(bào)警率低的優(yōu)點(diǎn)。

4）聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)法

聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)法是對(duì)管路在自身與外界作用下產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波信號(hào)進(jìn)行采集、分析處理，完成泄漏判斷及其位置定位［9～10］。

文獻(xiàn)［11］基于頻譜分析和特征參數(shù)法分析了不同壓力、孔徑下泄漏的聲發(fā)射信號(hào)特征及其變化規(guī)律，研究對(duì)比了彎管、法蘭等結(jié)構(gòu)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響。文獻(xiàn)［12］認(rèn)為與基于頻域特征提取泄露信號(hào)的方法相比，采用基于時(shí)域統(tǒng)計(jì)特征的管路泄漏檢測(cè)方法具有更高的精度、適應(yīng)性、魯棒性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法提高了管路泄漏檢測(cè)的靈敏度和可靠性，實(shí)現(xiàn)了低成本、低環(huán)境要求。

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有檢測(cè)精度高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)材料較為敏感，易受到機(jī)電噪聲的干擾。

5）小波變換法

小波變換法是一種在時(shí)域和頻域具有良好局部特性的信號(hào)處理方法，利用噪聲與有用信號(hào)在各個(gè)尺度上的小波譜具有不同表現(xiàn)的特征去除噪聲，對(duì)重構(gòu)出的原信號(hào)進(jìn)行多尺度分析，通過(guò)檢測(cè)小波變換系數(shù)模的局部極值點(diǎn)獲得信號(hào)的突變點(diǎn)，完成泄漏點(diǎn)的檢測(cè)。

文獻(xiàn)［13］針對(duì)船舶管系泄漏干擾噪聲信號(hào)復(fù)雜的特點(diǎn)，研究分析了小波變換模極大值去噪法、小波變換尺度間相關(guān)性去噪法和小波閾值去噪法三種去噪方法以及haar小波、sym6小波和db5小波三種小波基的特點(diǎn)，選取采用了基于db5小波的缺省閾值去噪法完成船舶管系正常運(yùn)行、水泵開(kāi)啟、水泵關(guān)閉和管路發(fā)生泄漏時(shí)的四種典型工況特征信號(hào)的提取。文獻(xiàn)［14～15］分別采用基于haar小波基、db5小波基對(duì)背景噪聲進(jìn)行分解、重構(gòu)，分離并恢復(fù)了原始信號(hào)波形。

小波變換法通過(guò)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行去噪、局部特征提取、奇異點(diǎn)檢測(cè)等處理提高了管路泄漏定位精度，達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果，但結(jié)合船舶管路布局復(fù)雜、生存環(huán)境惡劣的實(shí)際，該方法仍處于實(shí)驗(yàn)探索階段。

2.2.3 基于模型的方法

基于模型的方法是利用建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)管路系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較，判斷泄漏的產(chǎn)生。

文獻(xiàn)［4～5］基于流體網(wǎng)絡(luò)理論分別建立了船舶中央冷卻管路系統(tǒng)流體網(wǎng)絡(luò)模型和海水系統(tǒng)管路的流體網(wǎng)絡(luò)模型，以實(shí)測(cè)的壓力、流量等參數(shù)作為邊界條件，通過(guò)流體網(wǎng)絡(luò)模型得到的壓力、流量等參數(shù)值與實(shí)測(cè)值相比較判斷泄漏的產(chǎn)生。文獻(xiàn)［16］基于船舶管路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和空間分布特征并根據(jù)流體性能隨溫度變化的特性分別建立了壓載水和消防水管系統(tǒng)的等溫流體網(wǎng)絡(luò)模型以及冷卻水和潤(rùn)滑油系統(tǒng)的熱管路泄漏檢測(cè)模型。該類方法對(duì)模型精確性要求較高，但存在較多影響計(jì)算精度的因素，故采用此類方法進(jìn)行泄漏診斷難度較大。

2.2.4 人工智能檢測(cè)法

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)學(xué)者開(kāi)始將人工智能控制算法應(yīng)用與船舶管路診斷領(lǐng)域，取得了明顯的進(jìn)步。

文獻(xiàn)［17～19］分別提出了基于船舶管路泄漏檢測(cè)的SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和自適應(yīng)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法研究方法，對(duì)管路工況與管路壓力、流量信號(hào)奇異性之間的關(guān)系進(jìn)行了研究分析，將利用小波變換模極大值方法提取的管路工況的特征向量輸入設(shè)計(jì)和組建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練建立輸入與輸出間良好的非線性映射，實(shí)現(xiàn)了船舶管路泄漏識(shí)別。文獻(xiàn)［20］認(rèn)為BP算法易受初始權(quán)值的影響陷入局部極小、收斂速度慢和引起振蕩效應(yīng)等缺點(diǎn)，提出了一種基于GA-BP算法訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并通過(guò)測(cè)試樣本驗(yàn)證改進(jìn)方法有效性的方案，仿真結(jié)果表明基于GA-BP算法的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管路泄漏檢測(cè)具有收斂速度快、全局尋優(yōu)能力強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

目前，基于人工智能的泄漏檢測(cè)診斷的方法尚處于實(shí)驗(yàn)階段，有許多問(wèn)題待解決。此外，由于船舶管路生存環(huán)境惡劣、工況變化復(fù)雜，對(duì)大量樣本的收集或在專家先驗(yàn)知識(shí)獲取的方面存在一定局限性。

3 泄漏檢測(cè)方法的綜合評(píng)定和選擇

為綜合評(píng)定上述船舶管路泄漏診斷技術(shù)的性能，參考文獻(xiàn)［21］選擇靈敏度、定位能力、評(píng)估能力、響應(yīng)時(shí)間、有效性、適應(yīng)能力、誤報(bào)警率、維護(hù)要求和費(fèi)用九項(xiàng)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行評(píng)定。如表1所示，采用0（無(wú)）、0.1（較差/較低）、0.3（差/低）、0.5（中等）、0.7（優(yōu)/高）、0.9（較優(yōu)/較高）六個(gè)等級(jí)進(jìn)行量化分析。

表1 主要泄漏診斷方法的性能對(duì)比

由表1可知：從評(píng)估能力方面來(lái)看，光纖檢測(cè)法具有檢測(cè)管路泄漏量精度最優(yōu)的性能；從有效性方面來(lái)看，人工巡視法、滲透檢測(cè)法、液壓試驗(yàn)法、鹵素檢漏法和氣泡檢測(cè)法不具備連續(xù)檢測(cè)管路的能力；從維護(hù)要求和費(fèi)用方面看，浮子法、雙層管泄漏檢測(cè)法、壓力梯度法和壓力-流量法最符合經(jīng)濟(jì)性原則。綜合以上分析并結(jié)合船舶管路診斷最重要的性能指標(biāo)是有效性、維護(hù)要求和費(fèi)用的實(shí)際，一般選擇壓力梯度法作為主要的泄漏診斷方法。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著航運(yùn)業(yè)的飛速發(fā)展，船舶專業(yè)化、大型化、智能化水平的提高加速了管路泄漏診斷技術(shù)的研究，尤其是先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展，融合智能機(jī)艙的管路泄漏診斷系統(tǒng)的研究必將成為重點(diǎn)。但是當(dāng)前船舶管路泄漏診斷系統(tǒng)的研究仍處于探索階段，基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，需投入更多的努力。

1）診斷機(jī)理方面的研究

船舶管路系統(tǒng)包括海水管路、淡水管路、滑油管路、燃油管路等系統(tǒng)，流體介質(zhì)流量、溫度、壓力等特性受外界環(huán)境影響較大，尤其管路長(zhǎng)期處于強(qiáng)噪聲、高潮濕、強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境下，泄漏、破裂、腐蝕等故障不可避免，只有深入研究故障征兆與原因的映射關(guān)系，才能有針對(duì)性的開(kāi)發(fā)實(shí)用性較強(qiáng)的診斷技術(shù)和診斷系統(tǒng)。

2）智能泄漏診斷系統(tǒng)研究

先進(jìn)控制理論的發(fā)展促進(jìn)了智能控制系統(tǒng)的研究，特別是模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)在管路診斷領(lǐng)域的應(yīng)用，加強(qiáng)獲取信息全面性的多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)和提高診斷準(zhǔn)確性的多智能診斷方法的研究有助于智能泄漏診斷系統(tǒng)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，使得機(jī)艙一體化、智能化的研制成為可能。

3）擴(kuò)展應(yīng)用研究

國(guó)內(nèi)外相繼基于輸油管路、輸氣管路等開(kāi)發(fā)出了糅合先進(jìn)控制理論的管路檢測(cè)診斷系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，取得了較好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。可結(jié)合船舶管路特點(diǎn)有針對(duì)性的吸收輸油管路、輸氣管路等檢測(cè)診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)擴(kuò)展應(yīng)用于船舶管路泄漏診斷系統(tǒng)的研制中，爭(zhēng)取早日研究出適于我國(guó)國(guó)情的、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的船舶管路泄漏診斷系統(tǒng)。