负压波在管道泄漏检测与定位中的应用

２０１３正　管　技　术　５　设　备　２０１３　第３期　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｎｏ．３　负压波在管道泄漏检测与定位中的应用　马小林。，王泽根　，谢静文　（１．西南石油大学土木工程与建筑学院，四川成都６１０５００；２．都江堰市集能燃气有限公司，四川都江堰６１１８００）　摘要：负压波泄漏诊断技术具有响应快、精度高、费用低等优点，被广泛应用于管道检测，其应用分　泄漏判定与泄漏定位２个过程。文中对负压波技术检漏原理作了阐述，总结了负压波检漏技术应用过　程中的相关方法以及存在的问题。针对其在较小压力泄漏与小泄漏检测方面的缺陷，提出结合流量平　衡的泄漏检测原理，结合ＳＣＡＤＡ系统建立泄漏诊断系统，并仿真验证了其在工程中的实用性。提出未　来应该重视研究负压波波形和传播模型及与其他技术的结合，以提高精度。　关键词：负压波；管道泄漏；泄漏判定；泄漏定位；应用　中图分类号：ＴＥ９７３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００４—９６１４（２０１３）０３—００１７—０３　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｎｅｇａｔｉｖｅ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｗａｖｅ　ｉｎ　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　Ｌｅａｋａｇｅ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ　ＭＡ　Ｘｉａｏ—ｌｉｎ　，ＷＡＮＧ　Ｚｅ—ｇｅｎ。，ＸＩＥ　Ｊｉｎｇ—ｗｅｎ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｆ　ｏＳｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１０５００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｄｕｊｉａｎｇｙａｎ　Ｊｉｎｅｎｇ　Ｇａｓ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｄｕｊｉａｎｇｙａｎ　６１１８００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｌｅａｋ　ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ　ｏｆ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗａｖｅｓ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｕｓｅｄ　ｗｉｄｅｌｙ　ｉｎ　ｒｅａｌ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ，ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｆａｓｔｅｒ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｈｉｇｈｅｒ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｌｏｗｅｒ　ｃｏｓｔ；ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｉｎｃｌｕｄｅ　ｊｕｄｇｉｎｇ　ｌｅａｋａｇｅ　ａｎｄ　ｌｏｃａｔｉｎｇ　ｌｅａｋａｇｅ　ｐｏｉｎｔｓ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗａｖｅｓ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ；ｔｈｅ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｓｔｉｌｌ　ｅｘｉｓｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗａｖｅ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｉｎ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｄｅｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ｓｍａｌｌｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｌｅａｋａｇｅ　ａｎｄ　ｓｍａｌｌ—ｓｃａｌｅ　ｌｅａｋ　ｄｅ—　ｔｅｃｔｉｏｎ，ｉｔ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｌｏｗ　ｂａｌａｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｅａｋ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ；ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＳＣＡＤＡ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ｅｓｔａｂ—　ｌｉｓｈ　ｔｈｅ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｌｅａｋａｇｅ，ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｉｓ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ，ｍｏｒｅ　ａｔ—　ｔｅｎｔｉｏｎ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｐａｉｄ　ｔｏ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗａｖｅｆｏｒｍ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｉｎ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｏｔｈｅｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍ—　ｐｒｏｖｅ　ｉｔｓ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗａｖｅ；ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｌｅａｋ；ｌｅａｋａｇｅ　ｊｕｄｇｉｎｇ；ｌｅａｋａｇｅ　ｌｏｃａｔｉｎｇ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　０　引言　可以通过使用较低的阈值来降低误报警率，在管道的泄　漏检测中广泛应用。　１　负压波泄漏检测与定位原理　石油、天然气管道由于老化、埋地及环境气候变化　等原因，泄漏事故时有发生，造成经济损失和资源浪费　的同时，也带来安全和污染问题。及时发现泄漏，确定　泄漏点位置，显得尤为重要。国内外都积极寻找一种实　若管线发生泄漏，泄漏处有物质损失，导致该处　流体密度减小，进而引起管道内此处流体的压力降　低。由于流体的连续性，管道中的流体速度不会立即　发生改变，流体在泄漏点与其相邻的两边的区域之间　时、连续、快速、准确的现代化检漏方法，目前常用的检　测方法可分为直接检测法和间接检测法＿】Ｊ。直接检测　法是对泄漏物直接进行检测，间接检测法则是利用计算　机系统，通过检测泄漏所造成的影响，如温度、流量、压　力等的变化来判定是否有泄漏发生。常用的直接检测　法有声波法、直接观察法、泄漏电缆法等，常用的间接检　测法有压力梯度法、应力波法、负压波法、质量体积平衡　法等　。负压波法具有较好的灵敏度和精度，成本低，　收稿日期：２０１２—０７—２５　收修改稿日期：２０１３—０１—１６　产生压力差异，这种差异导致泄漏点上下游区域内的　高压流体流向泄漏点处的低压区域，从而又引起与泄　漏点相邻区域流体的密度减小和压力降低。这种现　象从泄漏点处沿管道依次向上游、下游方向扩散，在　水力学上称为负压波。由于管壁的波导作用，负压波　传播过程衰减较小，因此可以传播相当远的距离　Ｊ。　在管道两端安装压力信号采集器，拾取负压波的梯度　特征和压力变化的时间差，结合相关的信号处理方　法，可以对泄漏点进行定位并确定泄漏量。　如图ｌ所示，管长为　，Ａ、Ｂ两站分别设有压力信　号采集器，假设距Ａ站　处发生泄漏，泄漏点所产生　的负压波到达Ａ、Ｂ站的时间分别为ｔ　和ｔ　．若管道的　输送介质已知，假设压力波的传输在理想情况下进　行，速度为ａ，流体速度为　，令Ａｔ＝ｔ　一ｔ　，则有：　Ａ　，　Ｂ　＝　（１）（１）　△￡：　一　ｆ２）　ａ一　ａ＋　＝　一［　（ｎ一　）＋Ａｔ（Ⅱ　一　，　）］　（３）　Ａ　站　图１负压波定位原理图　负压波传播过程类似于声波在介质中的传播，传　播速度为声波在管道输送流体中的传播速度。因此ａ　值在原油管道中约为１　０００～１　２００　ｍ／ｓ，在天然气管　道中约为３００～４００　ｍ／ｓ，而Ｖ值为１．５～３　ｍ／ｓ之　间”　，ａ远大于　，则式（３）可简化为　：　（４）　２负压波检漏技术的应用　２．１　应用过程及相关方法　应用负压波进行管道泄漏检测和定位时，分泄漏　判定和泄漏定位２个过程进行。　２．１．１　泄漏判定　利用负压波检漏技术进行泄漏检测和判定常用　的方法有信号比较法、模式识别法、相关算法等。　信号比较法是将获得的压力、流量的变化差值与相　应的经验阈值比较，当压力和流量的变化差值超过给定　的经验阈值时，则判定发生了泄漏　Ｊ。此法原理简单，但　要保证获得的信号可靠，因此要对信号去噪，常用的方法　有白适应滤波、／ｊ、波模极大值滤波、延时相减等。　模式识别法则是对获得的负压波波形进行分段　处理，在不同的波形段内选用不同的基元，形成波形　结构模式，再与标准的负压波模式库匹配，通过偏差　来判断是否发生了泄漏　。此法中基元的提取是关　键，常用的基元提取方式包括分段符号处理法、分段　积分处理法、多尺度小波变换处理法等。　相关算法的原理是对首末两端的负压波信号进　行相关处理，未发生泄漏时，相关函数尺（ｒ）约为常数，　发生泄漏时，Ｒ（ｒ）将发生变化，当变化量达到一定值　时，则认为发生了泄漏。对相关函数法来说，因负压　波在输送介质中的速度很难确定，判断时有误差且泄　漏量的值也很难确定。　２．１．２泄漏定位　在判定管道发生泄漏后，就要进行泄漏位置的确　定，方法有时差定位法、流体力学定位法和相关算法　定位法等。时差定位法最常用。　时差定位法原理：根据负压波定位公式（４），管长　可事先测得，而速度ａ可用经验值，则定位的关键就　是时问差的测定，即确定从泄漏时刻起负压波到达管　道首末端压力捕捉器的时刻ｔ　、ｔ　．ｔ　、ｔ　的确定可以　分两步进行：确定泄漏起始时刻，即将压力设定在１个　阈值范围内，若首末两端的压力值不在该范围内，则　认为压力发生了异常变化，分别记录下捕捉到的时　刻；利用此时刻推算出负压波到达首末端的时刻ｔ　、　ｔ　．推算ｔ　、ｔ　是该法的关键，常用方法有直线法、时间　值直接逆推法与数学模型法等　。　２．２　负压波应用中存在的主要问题　２．２．１泄漏判定方面　（１）在实际的管线运行中，除泄漏会产生负压波　外，上游站停泵、关阀、收油和下游站的倒罐等正常的　操作和系统的其他扰动都会产生类似的负压波，并可　能引起报警。这类非泄漏因素所引起的报警称为误　报，因此如何识别泄漏引发的负压波是提高负压波检　测准确性和灵活性的关键之一。　（２）虽然负压波法的响应速度快、定位精度较高，　但它要求泄漏是突发并且大泄漏量的。若管道中出　现小泄漏，则很难检测出，因此需要研究与其他方法　结合，以弥补不足。　２．２．２泄漏定位方面　用负压波进行管道泄漏检测与定位时，泄漏点位　置的精度主要受这几个因素的影响：负压波传播速度　误差、首末端压力信号采集器所捕捉到的负压波到达　的时刻误差、泄漏所引起的压力下降的清晰程度、压　力信号的采样周期、流体的流速等。研究表明：负压　波波速对定位的影响与管长和泄漏点位置有关，泄漏　点处于中间位置时影响最小；相对于波速，流体流速　对定位精度的影响可以忽略；而压力下降的清晰程度　和采样周期都会引起时间差　Ｊ。因此，准确测定负压　波的传播速度和获得压力波由泄漏点到达首末端的　第３期　马小林等：负压波在管道泄漏检测与定位中的应用　１９　时刻是提高负压波定位精度的关键。　３负压波技术的改进　应用负压波法进行管道泄漏诊断具有较快的响　应速度和较高的定位精度，但易受管线运行工况的影　响。在压力较小（０．２～０．３　ＭＰａ）或压力波动较大的　管线中，因产生的负压波很小，传递到探测器后能量　已经很低，易被掩盖；若管道中出现小泄漏，利用负压　波也很难检测出　。而引人流量平衡法则可以有效　地改善这个缺陷。　负压波流量平衡泄漏检测原理：根据油气储运理　论，密闭管线的输入量总和等于输出量总和。而实际　上，进出口的瞬时流量会有一个差值，管道正常运行　时，差值幅度较稳定。若管道发生泄漏，输差明显增　大。结合负压波，当压力拐点和输差同时出现时，则　判定发生了泄漏，而后记录下压力拐点出现的时刻，　定位泄漏点…　。根据这个原理，可以设置１个阈值，　超过这个阈值，即可判断管道发生了泄漏事故。　根据上述负压波流量平衡泄漏检测原理，将此原　理与ＳＣＡＤＡ系统结合起来，用ＶＣ与Ｍａｔｌａｂ平台建立　泄漏诊断系统。ＳＣＡＤＡ系统具有实时监测管道流量、　压力、温度等信号的能力，控制中心的工控机接收到　这些信号后，对其进行滤波和降噪等处理，利用检漏　原理对信号进行分析处理，对管道工况的变化给予提　示或报警并进行泄漏点定位，实现对管道泄漏的实时　监测。　４仿真验证　仿真验证采用某燃气公司ＳＣＡＤＡ系统采集的中　压管线数据，管线全长３．７　ｋｍ，管径２００　ｍｍ，输气压　力为０．３—０．２５　ＭＰａ，输气量为３３８　ｉｎ　／ｈ．假定管道在　１．２８　ｋｍ处发生泄漏，进行１０次不同泄漏量的模拟检　测，系统均能发出泄漏警报，并进行泄漏点定位，其中　最小定位误差为１．２９％，最大为２．８１％。这说明将流　量平衡原理融合于负压波检漏技术，能改善负压波技　术对于较小压力管线的泄漏和微小泄漏的检测。　５结束语　负压波应用于管道泄漏检测与定位已经成为一　项常规方法，它不仅具有费用低、灵敏度、精度高等优　点，还可在判定泄漏，对泄漏位置进行定位的同时估　算泄漏量。识别泄漏引发的负压波，确定传播速度和　阈值是提高负压波检测准确性和灵敏性的关键。　对于负压波技术的应用研究应该关注以下方面：　加强负压波传播模型的研究，以更好地了解负压波波　形特征，更准确地捕捉泄漏时刻，更好地帮助识别由　泄漏引起的负压波和波速的确定；积极研究负压波与　其他技术的结合，以弥补其在信号缺失和小泄漏检测　等方面的缺陷。　参考文献：　［１］　王长建，叶伟文．负压波在管道泄漏检测与定位中的应　用．管道技术与设备，２００９（６）：２７—２８．　［２］　李红，王兰兰．负压波输油管道泄漏检测技术研究．科学　技术与工程，２０１１，１１（２）：３４０—３４２．　［３］　张智．负压波检漏技术在输气管线中的应用．石油工业计　算机应用，２０１１（４）：２３—２５．　［４］　胡琼，范世东．液体管道负压波检漏技术的研究现状与发　展趋势．管道技术与设备，２００９（４）：２１—２４．　５】　ＫＯＬＣＺＹＮＳＫＩ　Ｊ，　ｒＹＬＭＡＮ　Ｗ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｔｏ　Ｌｅａｋ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｐｉｐｅ—Ｔｙｐｅ　Ｃａｂｌｅ　Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｓ．Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　Ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓ—　ｔｅｒｎｓ，２０１０（１１）：４４８—４５３．　［６］　王博，孟鹏．基于负压波原理的管道泄漏监测软件研究．　石油工程建设，２０１０，３６（２）：１１４一¨６．　［７］　邓鸿英，杨振坤．负压波管道泄漏检测与定位技术．油气　储运，２００３，２２（７）：３０—３３．　［８］　苏维均，廉小亲．负压波定位理论在输油管道泄漏监测系　统中应用．微计算机信息，２００３，１９（３）：４３—４４．　［９］　邵煜，葛传虎．基于负压波的管道泄漏检测与定位系统评　价．油气储运，２００８，２７（４）：５—９．　［１０］　李利锋，白泽生．基于负压波和流量平衡的原油管道检　测系统．测控技术，２００８（２１）：１２０—１２２．　［１　１］　何涌．基于负压波和流量平衡的原油管道检漏定位系　统．工程与技术，２０１１（６）：３８．　［１２］ＭＥＲＩＢＯＵＴ　Ｍ．Ａ　Ｎｅｗ　Ｃｏｎｃｅｐｔ　ｆｏｒ　ａｎ　Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　Ｌｅａｋ　Ｄｅ—　ｔｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ　Ｆｌｕｉｄ　Ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ．Ｓｅｎｓｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｔｅｃｈ—　ｎｏｌｏｇｉｅｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１０（６）：２０６—２１０．　作者简介：马小林（１９８７一），在读硕士，主要从事燃气管道泄漏　及安全监测方面的研究。　一～