【文章內容簡介】 出，通過特定的儀器即可知泄漏發(fā)生。 (3)示蹤劑檢測法：在管道所輸送介質中摻入液體示蹤劑，當管道泄漏時，從管道中流出的流體中的示蹤劑揮發(fā)，并通過分子擴散彌漫到周圍的土壤中，搜集這些氣體并分析檢測管道的泄漏。但該方法檢測反應速度較慢，檢測周圍環(huán)境的變化工作量較大，不能精確定位。 (4)光纖泄漏檢測法：用光纖傳感器檢測管道泄漏的方法是根據管道中輸送的熱西安石油大學 本科 畢業(yè)設計 （論文） 11 物質泄漏引起周圍環(huán)境溫度的變化，利用分布式光纖溫度傳感器連續(xù)測量沿管道的 溫度分布，當管道的溫度變化超過一定范圍，就可以判斷發(fā)生了泄漏。 基于軟件的方法 基于軟件的方法則是根據計算機書籍采集系統(tǒng)實時采集管道的流量、壓力、溫度及其他數據，利用流量或壓力的變化、物料或動量平衡、系統(tǒng)動態(tài)模型、壓力梯度等原理，通過軟件計算對泄漏進行檢測和定位。 20 世紀 80 年代以來，隨著計算機、信號處理、模式識別等技術的迅速發(fā)展，基于 SCADA 系統(tǒng)的實時數據采集泄漏檢測技術受到了人們越來越多的關注，并逐漸發(fā)展為檢測技術的主流和趨勢。這類方法主要是對實時采集的溫度、流量、壓力信號進行實時分 析和處理，以此來檢測泄漏并定位?；谲浖姆椒ㄓ腥缦聨追N。 (1)負壓波法：當泄漏發(fā)生時，泄漏處因流體物質損失而引起局部流體密度減小，產生瞬時壓力下降，這個瞬時的壓力下降以聲速向泄漏點的上下游傳播。當以泄漏前的壓力作為參考標準時，泄漏時壓力的減壓波就稱為負壓波。該波以一定速度自泄漏點向兩端傳播，經過若干時間后分別傳到上下游。上下游壓力傳感器捕捉到特定的瞬時壓力降的波形就可以進行泄漏判斷，根據上下游壓力傳感器接收到此壓力信號的時間差和負壓波的傳播速度就可以定出泄漏點。基于負壓波進行泄漏檢測和定位的主要方法有相 關分析法、時間序列分析法 、仿射變換法 和小波變換法。 (2)壓力梯度法：壓力梯度法發(fā)展與 20 世紀 80 年代末，它的原理是正常輸送時站間管道的壓力坡降呈斜直線；當發(fā)生泄漏時，漏點前的流量變大、坡降變陡，漏點后的流量變小、坡降變平，沿線的壓力坡降呈折線狀，折點即為泄漏點，據此可算出實際泄漏位置。該法只需要在管道兩端安裝壓力傳感器，簡單、直觀，不僅可以檢測泄漏，而且可以確定泄漏點的位置。 (3)質量平衡法：質量平衡法基于管道流體流動的質量守恒關系，在管道無泄漏的情況下進入管道的流體質量流量等于流出管道的流體質量流量。 但泄漏程度達到一定量時，入口與出口就形成明顯的流量差。檢測管道多點位的輸入和輸出流量，或檢測管道兩端泵站的流量并將信號匯總構成質量流量平衡圖像，根據圖像的變化特征就可確定泄漏的程度和大致的位置。該方法簡單、直觀。 (4)實時模型法：實時模型是近年來國際上著力研究的檢測管道泄漏的方法。它的基本思想是根據瞬變流的水力模型和熱力模型考慮管道內流體的速度、壓力、密度及粘度等參數的變化，建立起管道的實時模型，在一定邊界條件下求解管內流場，然后將計算值與管端的實測值相比較。當實測值與計算值的偏差大于一定范圍時，即為發(fā)生 了泄漏。在泄漏定位中使用穩(wěn)態(tài)模型，根據管道內的壓力梯度變化可以確定泄漏點的位置。 (5)統(tǒng)計決策方法：統(tǒng)計決策方法是殼牌公司開發(fā)的一種新型的管道泄漏檢測方法。該方法根據管道出入口的流量和壓力，連續(xù)計算壓力和流量之間關系的變化。它西安石油大學 本科 畢業(yè)設計 （論文） 12 使用序貫概率比的方法和模式識別技術對實測的壓力、流量值進行分析，連續(xù)計算發(fā)生泄漏的概率，并利用最小二乘法進行泄漏點定位。 根據測量媒介分類 [9] 根據測量分析的媒介不同可分為直接檢測法和間接檢測法。直接檢測法是直接用測量裝置對管線周圍的介質進行測量，判斷有無泄漏發(fā)生；間 接檢測法是根據泄漏引起的管道流量、壓力等參數及聲、光、電等方面變化進行泄漏檢測。 根據檢測裝置所處的位置分類 [9] 根據檢測過程中檢測裝置所處位置不同可分為內部檢測法和外部檢測法。內部檢測法是指將檢測裝置置于管道內部，或行走或固定，通過測量管道的內部狀況進行泄漏的檢測；外部檢測法是指在管道外通過鋪設敏感介質或安裝傳感器等各種方法所進行的泄漏檢測。 基于信號處理的方式分類 [10] 泄漏檢測方法的技術難點在于數據處理方面，根據對信號處理的方式不同，將其分為三類：基于殘差分析的方法、基 于信號分析的方法及基于人工智能的方法。 基于殘差分析的方法 該方法的基本思想是將含有一定泄漏信息的測量值與無泄漏狀態(tài)下反應實際操作的參考值進行對比，兩者的殘差即為分析泄漏存在與否的依據。由于該類方法大都需要簡歷管線的數學模型，故有時也稱為基于模型的方法。根據對殘差分析方法的不同，又可分為相關分析法、頻率響應法和狀態(tài)估計法。 (1)相關分析法：相關技術的實質是在時延域中考察兩個信號的相似性，包括自相關和互相關兩個內容。油氣輸送管道一般都為彈性體，流體發(fā)生泄漏時，受壓力噴射而誘發(fā)彈性波，分析其相 關函數，利用相關時延技術即可判斷是否發(fā)生泄漏及泄漏的位置。通過對閥門輸入信號與傳感器接收信號的比較，對管道系統(tǒng)的各種狀態(tài)如阻塞、閥門開關等進行辨識，并對故障發(fā)生位置進行定位。相關分析法對區(qū)分正常操作與泄漏狀態(tài)的差別有很大的借鑒意義。該方法可用單傳感器進行檢測，從而減少設備成本，降低了安裝和維護費用。 (2)頻率響應法：該方法是將管道系統(tǒng)的模型轉換到頻域來進行管道泄漏檢測和定位分析的。它利用狀態(tài)轉移矩陣，將整個系統(tǒng)分為三個部分，并分別由三個矩陣表示，利用穩(wěn)定振動原理和轉移矩陣分析的方法，對泄漏進行檢測并定位。 目前有通過對單一管道系統(tǒng)的單點或多點泄漏、串聯(lián)管道、并聯(lián)管道、分支管道等不同類型的管道系統(tǒng)的仿真實驗，證明了該方法的廣泛適用性。該方法相比于時域分析，具有節(jié)約時間，提高檢測速度的優(yōu)點。 (3)狀態(tài)估計法：該方法是將被檢測的管道分為 N1 段，并設每個分段上有三個狀態(tài)：壓力、流量和泄漏量，建立包括泄漏在內的管線動態(tài)數學模型，利用擴展的Kalman 濾波器對系統(tǒng)進行狀態(tài)估計，由估計到的泄漏量及對應點的位置進行泄漏的西安石油大學 本科 畢業(yè)設計 （論文） 13 檢測和定位。 基于信號分析的方法 該方法是對直接采集的流量、壓力等信號進行實時分析識 別，來獲取故障信息，從而判斷是否發(fā)生泄漏及泄漏的位置。 小波變換即小波分析是 20 世紀 80 年代中期發(fā)展起來的新的數學理論和方法，被稱為數學分析的“顯微鏡”，是一種良好的時頻分析工具。利用小波分析可以檢測信號的突變、去噪、提取系統(tǒng)波形特征、提取故障特征進行故障分析和識別等。因此，可以利用小波變換技術對其進行消噪并檢測泄漏引發(fā)的壓力突降點，以此檢測泄漏并提高檢測的精度。小波變換法的優(yōu)點是不需要管線的數學模型，對輸入信號的要求較低，計算量也不大，可以進行在線實時泄漏檢測，客服噪聲能力強，是一種很有前途的泄漏檢測方法 。但應注意，此方法很難區(qū)別信號的突變點是由工況變化引起的還是由泄漏所引起的，故易產生誤報警。 基于人工智能的方法 隨著智能技術的發(fā)展，神經網絡、模式識別等技術在管道泄漏檢測中展現出良好的發(fā)展前景。目前主要有以下幾種方法。 (1) 統(tǒng)計分析和模式識別法 由荷蘭殼牌公司研制的管道泄漏檢測系統(tǒng) ATMOSPIPE，已在多種管道上進行了實驗并取得了良好的效果。它的原理是通過對管道發(fā)生泄漏時產生的壓力和流量間的變化關系進行分析，采用序貫概率比和模式識別的方法，構成兩種模態(tài)的假設實驗，通過統(tǒng)計分析技術 對實測的壓力、流量間的這種變化進行分析，以此來檢測泄漏，并采用最小二乘法對泄漏進行定位。該方法特點是不需要復雜的數學模型，可連續(xù)進行檢測，并且具有記憶功能、適應性強、誤報率低、檢測精度高、靈敏、能檢測出 %的微小泄漏，且安裝方便、簡單易于維護等特點，尤其對已具備計算機監(jiān)控系統(tǒng)的管道運輸系統(tǒng)，采用該技術對其進行嵌入所需投入較小。 (2) 基于神經網絡和模式識別的方法 由于管道泄漏時未知因素很多，采用常規(guī)的數學模型存在一定的差異。而人工神經網絡具有逼近任意非線性函數和從樣本學習的能力，故在管道泄漏檢測中受 到了越來越高的重視。以管道系統(tǒng)泄漏后形成多相端射流所引發(fā)的應力波信號構造神經網絡的輸入矩陣，建立對管道運行狀況進行分類的神經網絡模型，并提出以波峰、波谷、水平線等模式基元抽取負壓波波形特征，采用上下文無關文法對管道負壓波進行描述，進而建立了管道負壓波波形結構的分類系統(tǒng)，用于區(qū)別管道正常狀態(tài)和泄漏狀態(tài)。該方法的優(yōu)點是能較為準確的預報管道的運行狀況，適用于惡劣環(huán)境中對管道進行連續(xù)在線檢測，它還可根據環(huán)境的變化及誤報警自動糾正更新網絡參數，其優(yōu)點是抗噪聲干擾能力強，檢測精度高、靈敏，能檢測到 1%的微小泄漏，且保持 很低的誤報警率。但該技術在定位時只能定位到段，而不能進行更精確的定位。 西安石油大學 本科 畢業(yè)設計 （論文） 14 3 負壓波檢測技術 負壓波技術的基本原理 水擊在管道運行中是時有發(fā)生的一種特殊重要現象。通常，管道在穩(wěn)定狀態(tài)下運行時，流體介質各個截面上的流速與壓力平均值保持不變，或者變化很微小。由于介質的流動性，具有“牽一發(fā)而動全身”的特點，所輸介質的改變、局部管道輸送條件的變化、運行參數的調整、泵站設備故障、介質泄漏等都會引起管道中流體介質的水力狀態(tài)發(fā)生變化，尤其在突然啟停泵、快速開關閥門時，管道中介質各個截面上的流速與壓力將會發(fā)生 急劇變化，管道運行的穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞。在生產上，把這種管道壓力突然發(fā)生瞬變，可能危及管道及設備安全的不穩(wěn)定狀態(tài)稱之為水擊。水擊會引起管道中的介質密度、管道壓力及管道截面積同步發(fā)生周期性的起伏變化，這種周期性的變化容易造成管道振動，并可能帶來嚴重后果。 負壓波的形成 當流體輸送管道因機械、人為、材料失效等原因發(fā)生泄漏時，其泄漏部分立即有物質損失，由此引起故障場所的流體密度減小，壓力下降。由于連續(xù)性，管道中的流體不會立即改變速度，流體在泄漏點和相鄰的兩邊區(qū)域之間的壓力差導致流體從上下游區(qū)域內向泄漏 區(qū)填充，從而引起與泄漏區(qū)相鄰的區(qū)域的密度和壓力的降低。這種現象依次向泄漏區(qū)上下游擴散，這在水力學上稱為負壓波。它的傳播速度就是聲波在管道流體中的傳播速度。 沿管道傳播的負壓波包含有關泄漏的信息，由于管道的波導作用，它能夠傳播數十公里以上的較遠距離。在管道兩端安裝的壓力傳感器捕捉到包含 泄漏 信息的負壓波，就可以檢測出泄漏。由負壓波的傳播速度和管道首末兩端壓力傳感器捕捉到的負壓波到達的時間差，就可以進行定位。負壓波的傳播速度在不同規(guī)格管線中并不相同，在原油中約為 1000m/s。因此，這種方法對數公里的管道可以在幾 秒鐘內檢出，具有極快的響應速度，為及時檢測出泄漏，防止事故擴大，減少損失贏得寶貴時間。 負壓波的傳播 當管道在距上游端 X 處發(fā)生泄漏時，該點的壓力降低產生壓力波動，這個壓力降P? 向管道兩端傳播， P? 向兩端的傳播速度為 ? 0? ，向末端的傳播速度為 ? + 0? 。 由于泄漏產生的壓力波動可以參照水擊壓力計算方法來計算，介質流速的瞬時變化引起的壓力值的變化為： )(2 0vvagp ??? ? (31) 式中 p? — 由于 介質流速瞬時變化引起的壓力差； 西安石油大學 本科 畢業(yè)設計 （論文） 15 ? — 介質的 重度， kg/m3； g— 重力加速度 ,m/s2； a — 負壓波在該管道中的傳播速度 ， m/s； v — 正常輸送時介質的流速， m/s； 0v — 瞬變后的介質流速， m/s。 負壓波 泄漏 檢測的原理 負壓波泄漏檢測的原理是：管道發(fā)生泄漏之后，泄漏點產生的負壓波會以波動的形式向管道上下游傳播，利用安裝在管道上下游的壓力變送器可以檢測到該負壓波信號，從而判斷管道是否發(fā)生泄漏。利用該負壓波信號到達上下游的時間差，可以定位該泄漏點的具體位置。負壓波泄漏檢測示意圖如下圖 31： 設 1t 和 2t 分別為負壓波信號從泄漏點處傳輸帶管道上、下游壓力變送器時所消耗的時間 (s)； a 為負壓波在管內介質中的傳播速度 (m/s)； x 為泄漏點到管道上游壓變的距離 (m)； L 為管道上、下游壓變之間的距離 (m)。 定位公式經推導得： aLtt ?? 21 (32) ttt ??? 21 (33) atx 1? (34) 綜上三個公式得到： 2 atLx ???? (35) 由公式 (35)可以看出，負壓波用于泄漏檢測與定位的關鍵就在于負壓波速 a 和時間差t? 的獲取。 考慮到管內 介質流速對負壓波傳播的影響，修正定位公式，引入管內流體流速 v ，有： vaxt ??1 (36) va xLt ???2 (37) 西安石油大學 本科 畢業(yè)設計 （論文） 16 將式 (36)和 (37)帶入式 (35)中，有： a tvavaLx 2 )()( 22 ????? (38)