尹淵博， 袁 辰， 杜薈敏， 崔兆雪， 劉翠偉， 李玉星

(1.中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院,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運行處，成都 610041； 4.長慶工程設計有限公司，西安 710018)

管道輸送是當前最為環(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，及時掌握管道運行狀態(tài)，對確保安全經濟生產具有重大意義。經過幾十年的積累，目前在泄漏檢測方面積累的豐富的研究成果?？偟膩砜矗瑱z測手段主要可以分為基于管道流動參數的檢測技術(基于軟件的技術)以及基于管道外部檢測硬件的技術(基于硬件的技術)[2]。前者主要包括質量/體積平衡[3]，負壓波法等[4-6]。而后者根據用于檢測的傳感器和設備的類型，可以進一步分類為：聲學方法[7-8]、光學方法[9-10]、光纖傳感器[11-13]、以及化學組分分析、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，管網結構不斷復雜，將產生海量數據。在其中尋找泄漏相關的信息會消耗大量的時間與資源，因此智能算法與機器學習開始進入信號識別領域。諧波分析法[18]、支持向量機[19-20]、神經網絡[21]等均表現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)泄漏引起的管道內部參數瞬態(tài)變化，測量和分析隨后的壓力響應，實現泄漏點的檢測與定位。其關鍵在于瞬態(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，將無法產生足夠的瞬態(tài)信號，無法通過上述方法實現泄漏的檢測與定位。因此學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)響應判斷管道是否存在泄漏。

這一領域的研究最早出現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，并結合相關規(guī)律，設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)脈沖響應函數(IRF)來識別泄漏的方法，分析頻率響應提取方法、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閥門生成擾動信號，進一步分析反射信號特征來實現泄漏孔的檢測和定位。而在國內相關領域，這一技術的研究并未形成體系，王通[30]通過快速開關管道末端閥門，分析了管道末端處的壓力響應，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系。楊鎮(zhèn)榜等[33]通過改變向管道內輸入壓力波的周期實現管道的泄漏檢測。

顯然，基于擾動信號壓力響應的泄漏檢測技術可以彌補依賴管道瞬態(tài)響應實現泄漏檢測與定位的管道狀態(tài)診斷技術的不足，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動網格技術，建立二維仿真模型，對實驗結果進行補充并驗證誤差來源。最后通過UDF函數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。當在I處產生瞬態(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，其他設置與圖1(a)相同，當在I處產生瞬態(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。當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 室內管道循環(huán)泄漏實驗

實驗裝置由室內環(huán)道流動系統(tǒng)與數據采集系統(tǒng)兩部分組成。如圖3所示，室內環(huán)道系統(tǒng)管道內徑42 mm、壁厚3 mm、長110 m。試驗管段沿線共設有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

數據采集系統(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)信號數據，通過動態(tài)壓力傳感器采集的聲波信號經動態(tài)數據采集卡最終傳至監(jiān)控主機。采用美國PCB公司生產的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0.5 Hz。此處動態(tài)壓力是指本次采集數據與上次采集數據的差值。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)，調節(jié)管道閥門，將流動參數調節(jié)至設定工況，待管道運行進入穩(wěn)定狀態(tài)以后，通過迅速開關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?？梢钥闯?，相比于無待檢測泄漏點的工況，當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。壓力波在經過泄漏孔A時，出現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)現反射波的存在。分析傳感器4采集信號的峰特征，可以實現泄漏孔的定位。

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，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，結合理論分析結果，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部，形成氣液兩相流動。這將導致壓力波傳播速度在一個范圍內發(fā)生波動，這一現象給泄漏孔的定位造成了誤差。而計算管段越長，局部速度變化產生的影響越小，相應的，定位誤差也會減小。該部分將在3.1節(jié)模擬結果中進一步論證。

圖4 室內環(huán)道循環(huán)泄漏檢測實驗流程圖

確定反射波后，根據傳感器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 擾動信號壓力響應泄漏檢測仿真模型

3.1 壓力響應信號識別與分析

建立二維仿真模型，管道全長12 m，內徑42 mm，如圖7所示，在管道上設置兩個泄漏孔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設置了足夠大的常壓空氣區(qū)域(5 m×8 m)，通過給定充分遠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，因此對局部網格進行加密，同時利用動網格技術實現閥門的開關。利用UDF函數控制閥門啟閉，圍繞閥體形心進行旋轉，角速度為12 rad/s。閥門在3 s之前為關閉狀態(tài)，用于建立管道內部穩(wěn)定的流動。在3 s時開始旋轉打開，并在3.1 s時完全打開，圖8(a)、(b)分別展示了閥門關閉與打開后的網格。由于仿真過程涉及到壓力波的傳播，并需要根據不同監(jiān)測位置檢測到信號的時間差來計算壓力波的傳播速度，因此應認為模擬介質的密度是可變的。采用水為模擬介質，設置其彈性模量E=2.2 GPa，設置入口速度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數相關，如式(1)～(2)所示

(1)

(2)

圖7 泄漏孔位置

對網格進行無關性驗證，每次將網格加密一倍，得到如表1所示的不同網格尺寸，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所示結果?？梢园l(fā)現，網格第一次加密對速度的計算結果改變很大，但第二次以及第三次加密產生的影響較小。綜合考慮計算精度與計算成本，本文選擇2號網格進行模擬計算。

(a) 閥門關閉

表1 不同網格尺寸表

圖9 不同尺寸網格速度對比圖

圖10展示了0.2 s時泄漏點B處的水的體積分數分布圖。不同灰度代表不同體積分數。通過圖10可以看出，在該尺寸下，管內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。當管道上存在泄漏孔時，管道內流體的流動速度與管道內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，管內液體噴出泄漏孔后，呈現出與管道內相反的噴射方向。由于空氣區(qū)域的下邊界為壁面條件，因此管道內噴出的液體在此處匯聚并向兩側流散。

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-時間數據，為了與實驗采集數據相對應，處理后得到動態(tài)壓力-時間數據。圖11展示了使用動網格在0.1 s內完全開啟閥門，3號監(jiān)測點記錄的動態(tài)壓力信號，模擬結果與實驗結果表現出相同的波形特征。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)測管道內部相分數，并沒有出現氣體進入管道的現象，管道內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都是一個常數。因此，基于模擬得到的檢測信號，可以實現泄漏孔的精確定位。

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，設置3個壓力等級：100 kPa、200 kPa和300 kPa，選擇V1作為擾動信號，設置泄漏孔尺寸為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，分別設置泄漏孔徑為1 mm、2 mm和3 mm，監(jiān)測管道的壓力響應。

表2 擾動信號函數表達式

設置的三個擾動信號，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的壓力響應如圖12(a)所示，可以發(fā)現，對一條穩(wěn)定的管道引入相反的擾動信號時，其表現出了相反的壓力響應，而響應的幅值與擾動信號頻率相關。擾動信號的頻率增強，泄漏孔處管道內外壓差的變化增大，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。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為增大趨勢，進一步導致轉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，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聯很小。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 論

捕捉管道瞬態(tài)壓力響應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，識別信號中的異常波動，結合壓力波傳播速度即可實現泄漏的檢測與定位。通過分析，發(fā)現如下幾點結論：

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

(2) 基于反射信號實現泄漏孔的檢測與定位，在室內實驗系統(tǒng)中定位誤差為4.447%，數值模擬中可以實現精確定位。實驗過程中由于泄漏導致的管道內部產生氣液兩相流動是產生定位誤差的主要因素。此外，擾動信號在邊界處也會產生明顯的反射，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用。