【正文】 測(cè)對(duì)象分類、基于信號(hào)處理方式分類等等。管道外部環(huán)境檢測(cè)法是指采用一些設(shè)備或者應(yīng)用檢測(cè)設(shè)備對(duì)感到外部的環(huán)境進(jìn)行的的檢測(cè)；管壁狀況檢測(cè)法是指直接用各種裝置檢測(cè)管壁是否有破損，以此進(jìn)行泄漏檢測(cè)與定位；內(nèi)部流體狀況檢測(cè)法是指將實(shí)時(shí)采集到的管線流體的壓力、流量西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 6 等信號(hào)進(jìn)行分析處理，從而確定是否有泄漏發(fā)生并定 位。 (2)油 (氣 )敏線纜：分布式碳?xì)浠衔飩鞲衅麟娎| (hydrocarbon distributed sensor cable)，該電纜對(duì)油 (氣 )十分敏感，通過(guò)沿管道的外壁鋪設(shè)該種線纜來(lái)進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位。但是電纜造價(jià)昂貴，被泄漏物質(zhì)沾染過(guò)的線纜需要及時(shí)更換。常用的光纖材料有一下幾種： Ⅰ .硅膠包覆石英 (PCS)光纖傳感器 [3] 通常的光纖，是由一個(gè)玻璃芯和覆蓋其上的一層透明物質(zhì)包層構(gòu)成的，玻璃芯和包層和折射率不同，匹配適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，光線可以在其中傳播而不發(fā)生外泄。這種光纖傳感器可用于多種油液的泄漏檢測(cè)，但價(jià)格昂貴。分布式光纖溫度傳感器可連續(xù)測(cè)量沿管道的溫度分布的變化情況，當(dāng)沿管道的溫度變化超過(guò)一定范圍時(shí)就可以判斷管道發(fā)生了泄漏。 管壁狀況檢測(cè)法 (1)管道外壁檢測(cè)法：當(dāng)管道遭到外力破壞時(shí)會(huì)發(fā)出聲音， 此聲音沿管壁向管線兩端傳播，在管線沿線設(shè)置多個(gè)聲音接收器，以檢測(cè)管道是否受到破壞。 (2)管道內(nèi)壁檢測(cè)法：采用管內(nèi)探測(cè)球 (也叫智能清管球， PIG)直接對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行檢測(cè)，看是否發(fā)生腐蝕或者破裂。探測(cè)球沿管線漂流并且進(jìn)行探測(cè)，將探測(cè)到的管壁數(shù)據(jù)存在內(nèi)置的專用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中以便進(jìn)行分析。當(dāng) 金屬管壁發(fā)生腐蝕甚至破裂時(shí)， N、 S 兩極之間的磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，這種變化能被中間的傳感器檢測(cè)到。一般的說(shuō)， 基于漏磁技術(shù)的探測(cè)器對(duì)工況擾動(dòng)的魯棒性好，更適用于西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 7 薄管壁；基于超聲波技術(shù)的探測(cè)球更加精確靈敏，更適用于厚管壁。 管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)法 近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的迅速發(fā)展，監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)獲取 (supervisory control and data acquisition， SCADA)系統(tǒng)在管道上的應(yīng)用愈來(lái)愈普遍，泄漏檢測(cè)和定位功能逐漸成為 SCADA 系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。以此來(lái)進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位 [5,6,7,8]。 (1) 基于模型的方法 這類方法利用管道中流體的質(zhì)量平衡方程、動(dòng)量平衡方程和能量平衡方程等進(jìn)行機(jī)理建模。然后，設(shè)計(jì)狀態(tài)估計(jì)器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，根據(jù)估計(jì)值和實(shí)測(cè)值之間的差去進(jìn)行泄漏檢測(cè)。根據(jù)建立模型的方法不同，可以分為不包含故障的模型方法和包含故障的模型方法。 Ⅱ .包含故障的模型方法 :包含故障的模型方法的基本思路是建立管道的動(dòng)態(tài)模型時(shí)預(yù)先假定管道有幾處制定的位置發(fā)生泄漏，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)得到這幾個(gè)預(yù)先假定的泄漏點(diǎn)的泄漏量估計(jì)值，運(yùn)用適當(dāng)?shù)呐袆e準(zhǔn)則便可以進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位。該方法由于設(shè)計(jì)的濾波器太多，計(jì)算復(fù)雜，不適合實(shí)際應(yīng)用。 Kalman 濾波器的狀態(tài)變量為各段的壓力、流量和預(yù)先定義的泄漏量。 泄漏量的估計(jì)公式為 ???? 11Ni iLL ?? (21) 泄漏位置的估計(jì)公式為 iLNi iL zLLz ????111 ??? (22) 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 8 式中 Lz? — 泄漏點(diǎn)的估計(jì)值 ； iLz— 管道第 i 個(gè)分段點(diǎn)的坐標(biāo)。管道系統(tǒng)為分線性分布參數(shù)系統(tǒng)，線性化以后設(shè)計(jì)的 Kalman 濾波器的過(guò)程噪聲是時(shí)變的。 該方法的不足之處是 ：檢測(cè)和定位精度與分段數(shù) N 有關(guān)，當(dāng)實(shí)際泄漏點(diǎn)不處于設(shè)定泄漏點(diǎn)上時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生定位誤差 ， 需要設(shè)置流量計(jì)?；谛盘?hào)處理的方法主要是通過(guò)對(duì)所檢測(cè)管道兩端的壓力和流量信號(hào)的分析進(jìn)行泄漏檢測(cè)和泄漏點(diǎn)的定位，不需要建立管道的數(shù)學(xué)模型，更符合我國(guó)管道的實(shí)際情況，具有更為廣泛的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)兩端安裝有流量計(jì)的管段，流量信號(hào)的引入能使泄漏檢測(cè)的性能得到改善。 Ⅰ .基于流量信號(hào)的流量平衡法：根據(jù)管道兩端出、入口流量是否平衡來(lái)檢測(cè)管道是佛發(fā)生泄漏，是一種最直觀的方法。 對(duì)液體管道來(lái)說(shuō)，近 似認(rèn)為管內(nèi)介質(zhì)為不可壓縮流體，如管段中間沒(méi)有分支，則當(dāng) Q? 超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，就認(rèn)為管道發(fā)生 了泄漏。為提高檢測(cè)的靈敏度和減少誤報(bào)，有以下改進(jìn)的體積流量平衡法 ? ?ioutin QEQ ???? (24) 式中 iQ — 考慮了熱動(dòng)態(tài)效應(yīng)引起的管道流體變化量的計(jì)算值。改進(jìn)的流量平衡法在檢漏靈敏度上 比一般的流量平衡法有所提高，誤報(bào)率也有所降低，但它需要建立管道的精確動(dòng)態(tài)模型，增加了復(fù)雜性。如果在管道中間增加檢測(cè)點(diǎn)，將所有點(diǎn)的流量信號(hào)匯總構(gòu)成流量平衡圖像，根據(jù)圖像的變化特征也可以判斷出泄漏點(diǎn)的大概位置，這種方法不僅增加硬件費(fèi)用，也給實(shí)施帶來(lái)困難。主要敘述一些沒(méi)重復(fù)的檢測(cè)方法，如壓力點(diǎn)分析法。當(dāng)泄漏發(fā)生 時(shí)，泄漏點(diǎn)處出現(xiàn)壓力突降，破壞了原有的穩(wěn)態(tài)，并向新的穩(wěn)態(tài)過(guò)渡。通過(guò)在管道沿線設(shè)置壓力檢測(cè)傳感器，并用統(tǒng)計(jì)的方法分析所檢測(cè)到的壓力信號(hào)值，提取壓力變化曲線，并與管道處于正常狀態(tài)下的曲線作比較，根據(jù)兩者之間的差別來(lái)檢測(cè)泄漏。泄漏產(chǎn)生的信號(hào)是由流體激發(fā)的 連續(xù)信號(hào)，通常有較寬的頻譜，其頻譜范圍與流體及管壁的性質(zhì)有關(guān)。 (3) 基于模式識(shí)別和人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的方法 近年來(lái)，人工智能的研究取得了很大進(jìn)展，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于管道系統(tǒng)的泄漏檢測(cè)方面也做了大量的工作。 Ⅰ .基于模式識(shí)別的方法：對(duì)泄漏產(chǎn)生的瞬態(tài)負(fù)壓波進(jìn)行特征提取和結(jié)構(gòu)模式識(shí)別，以此進(jìn)行泄漏檢測(cè)。 負(fù)壓波形的描述是通過(guò)對(duì)波形的分段符號(hào)化處理實(shí)現(xiàn)的。在不同的波形段內(nèi)選取不同的基元形式，采用模式識(shí)別的方法對(duì)管道負(fù)壓波進(jìn)行描述，從而建立管道負(fù)壓波結(jié)構(gòu)模式的分類系統(tǒng)，用于區(qū)別管道正常調(diào)閥狀態(tài)和泄漏狀態(tài)，可以有效降低管道泄漏的漏報(bào)率和誤報(bào)率，提高泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的性能?！笆秦?fù)壓波”對(duì)應(yīng)于支持向量機(jī) (SVM)中的負(fù)樣本，“非負(fù)壓波”則對(duì)應(yīng)于正樣本。 Ⅱ .基于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的方法：人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)輸入到輸出的非線性映射，它具有模擬任何連續(xù)非線性函數(shù)的能力和從樣本學(xué)習(xí)的能力，在管道泄漏檢測(cè)中取得了一定程度的應(yīng)用。由于所獲得的訓(xùn)練數(shù)據(jù)難以包含所有的故障模式 ，使其應(yīng)用受到限制。 目前，國(guó)內(nèi)、外廣泛使用的實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng)大多數(shù)采用基于負(fù)壓波的泄漏檢測(cè)和定位方法，這一方面是因?yàn)閷?duì)大多數(shù)長(zhǎng)輸管道來(lái)說(shuō)，中間管段的兩端沒(méi)有安裝流量計(jì)，采用基于負(fù)壓波原理的泄漏檢測(cè)和定位方法更為實(shí)用。實(shí)踐證明，這種方法對(duì) 明顯的突發(fā)性泄漏的檢測(cè)與定位具有比較好的效果，在實(shí)際匯總發(fā)揮了比較好的作用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能，特別是解決對(duì)氣體管道的泄漏檢測(cè)與定位問(wèn)題，探討新的泄漏檢測(cè)原理和方法勢(shì)在必行。 基于硬件和軟件分類 [9] 根據(jù)檢測(cè)過(guò)程中所使用的測(cè)量手段不同，分為基于硬件的方法和基于軟件的方法。該方法不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)油氣泄漏，只有在管道泄漏處地表面出現(xiàn)油跡，氣味散發(fā)，甚至草枯樹(shù)死時(shí)才能發(fā)現(xiàn)。 (2)泄漏檢測(cè)電纜法：本方法是將特殊的 泄漏檢測(cè)電纜 (該電纜與管道輸送的介質(zhì)發(fā)生某種物理或化學(xué)反應(yīng) )沿管道設(shè)置，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，電纜發(fā)生劣化并被轉(zhuǎn)化為電信號(hào)或光信號(hào)輸出，通過(guò)特定的儀器即可知泄漏發(fā)生。但該方法檢測(cè)反應(yīng)速度較慢，檢測(cè)周圍環(huán)境的變化工作量較大，不能精確定位。 基于軟件的方法 基于軟件的方法則是根據(jù)計(jì)算機(jī)書(shū)籍采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集管道的流量、壓力、溫度及其他數(shù)據(jù)，利用流量或壓力的變化、物料或動(dòng)量平衡、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型、壓力梯度等原理，通過(guò)軟件計(jì)算對(duì)泄漏進(jìn)行檢測(cè)和定位。這類方法主要是對(duì)實(shí) 時(shí)采集的溫度、流量、壓力信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，以此來(lái)檢測(cè)泄漏并定位。 (1)負(fù)壓波法：當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，泄漏處因流體物質(zhì)損失而引起局部流體密度減小，產(chǎn)生瞬時(shí)壓力下降，這個(gè)瞬時(shí)的壓力下降以聲速向泄漏點(diǎn)的上下游傳播。該波以一定速度自泄漏點(diǎn)向兩端傳播，經(jīng)過(guò)若干時(shí)間后分別傳到上下游。基于 負(fù)壓波進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位的主要方法有相關(guān)分析法、時(shí)間序列分析法 、仿射變換法 和小波變換法。該法只需要在管道兩端安裝壓力傳感器，簡(jiǎn)單、直觀，不僅可以檢測(cè)泄漏，而且可以確定泄漏點(diǎn)的位置。但泄漏程度達(dá)到一定量時(shí)，入口與出口就形成明顯的流量差。該方法簡(jiǎn)單、直觀。它的基本思想是根據(jù)瞬變流的水力模型和熱力模型考慮管道內(nèi)流體的速度、壓力、密度及粘度等參數(shù)的變化，建立起管道的實(shí)時(shí)模型，在一定邊界條件下求解管內(nèi)流場(chǎng)，然后將計(jì)算值與管端的實(shí)測(cè)值相比較。在泄漏定位中使用穩(wěn)態(tài)模型，根據(jù)管道內(nèi)的壓力梯度變化可以確定泄漏點(diǎn)的位置。該方法根據(jù)管道出入口的流量和壓力，連續(xù)計(jì)算壓力和流量之間關(guān)系的變化。 根據(jù)測(cè)量媒介分類 [9] 根據(jù)測(cè)量分析的媒介不同可分為直接檢測(cè)法和間接檢測(cè)法。 根據(jù)檢測(cè)裝置所處的位置分類 [9] 根據(jù)檢測(cè)過(guò)程中檢測(cè)裝置所處位置不同可分為內(nèi)部檢測(cè)法和外部檢測(cè)法。 基于信號(hào)處理的方式分類 [10] 泄漏檢測(cè)方法的技術(shù)難點(diǎn)在于數(shù)據(jù)處理方面，根據(jù)對(duì)信號(hào)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(hào)分析的方法及基于人工智能的方法。由于該類方法大都需要簡(jiǎn)歷管線的數(shù)學(xué)模型，故有時(shí)也稱為基于模型的方法。 (1)相關(guān)分析法：相關(guān)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是在時(shí)延域中考察兩個(gè)信號(hào)的相似性，包括自相關(guān)和互相關(guān)兩個(gè)內(nèi)容。通過(guò)對(duì)閥門輸入信號(hào)與傳感器接收信號(hào)的比較，對(duì)管道系統(tǒng)的各種狀態(tài)如阻塞、閥門開(kāi)關(guān)等進(jìn)行辨識(shí)，并對(duì)故障發(fā)生位置進(jìn)行定位。該方法可用單傳感器進(jìn)行檢測(cè)，從而減少設(shè)備成本，降低了安裝和維護(hù)費(fèi)用。它利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，將整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)部分，并分別由三個(gè)矩陣表示，利用穩(wěn)定振動(dòng)原理和轉(zhuǎn)移 矩陣分析的方法，對(duì)泄漏進(jìn)行檢測(cè)并定位。該方法相比于時(shí)域分析，具有節(jié)約時(shí)間，提高檢測(cè)速度的優(yōu)點(diǎn)。 基于信號(hào)分析的方法 該方法是對(duì)直 接采集的流量、壓力等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析識(shí)別，來(lái)獲取故障信息，從而判斷是否發(fā)生泄漏及泄漏的位置。利用小波分析可以檢測(cè)信號(hào)的突變、去噪、提取系統(tǒng)波形特征、提取故障特征進(jìn)行故障分析和識(shí)別等。小波變換法的優(yōu)點(diǎn)是不需要管線的數(shù)學(xué)模型，對(duì)輸入信號(hào)的要求較低，計(jì)算量也不大，可以進(jìn)行在線實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)，客服噪 聲能力強(qiáng)，是一種很有前途的泄漏檢測(cè)方法。 基于人工智能的方法 隨著智能技術(shù)的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識(shí)別等技術(shù)在管道泄漏檢測(cè)中展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。 (1) 統(tǒng)計(jì)分析和模式識(shí)別法 由荷蘭殼牌公司研制的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng) ATMOSPIPE，已在多種管道上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)并取得了良好的效果。該方法特點(diǎn)是不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，可連續(xù)進(jìn)行檢測(cè)，并且具有記憶功能、適應(yīng)性強(qiáng)、誤報(bào)率低、檢測(cè)精度高、靈敏、能檢測(cè)出 %的微小泄漏，且安裝方便、簡(jiǎn)單易于維護(hù)等特點(diǎn)，尤其對(duì)已具備計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的管道運(yùn)輸系統(tǒng)，采用該技術(shù)對(duì)其進(jìn)行嵌入所需投入較小。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有逼近任意非線性函數(shù)和 從樣本學(xué)習(xí)的能力，故在管道泄漏檢測(cè)中受到了越來(lái)越高的重視。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)管道的運(yùn)行狀況，適用于惡劣環(huán)境中對(duì)管道進(jìn)行連續(xù)在線檢測(cè)，它還可根據(jù)環(huán)境的變化及誤報(bào)警自動(dòng)糾正更新網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是抗噪聲干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)精度高 、靈敏，能檢測(cè)到 1%的微小泄漏，且保持很低的誤報(bào)警率。 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 14 3 負(fù)壓波檢測(cè)技術(shù) 負(fù)壓波技術(shù)的基本原理 水擊在管道運(yùn)行中是時(shí)有發(fā)生的一種特殊重要現(xiàn)象。由于介質(zhì)的流動(dòng)性，具有“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的特點(diǎn)，所輸介質(zhì)的改變、局部管道輸送條件的變化、運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整、泵站設(shè)備故障、介質(zhì)泄漏等都會(huì)引起管道中流體介質(zhì)的水力狀態(tài)發(fā)生變化，尤其在突然啟停泵、快速開(kāi)關(guān)閥門時(shí)，管 道中介質(zhì)各個(gè)截面上的流速與壓力將會(huì)發(fā)生急劇變化，管道運(yùn)行的穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞。水擊會(huì)引起管道中的介質(zhì)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(dòng)，并可能帶來(lái)嚴(yán)重后果。由于連續(xù)性，管道中的流體不會(huì)立即改變速度，流體在泄漏點(diǎn)和相鄰的兩邊區(qū)域之 間的壓力差導(dǎo)致流體從上下游區(qū)域內(nèi)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。它的傳播速度就是聲波在管道流體中的傳播速度。在管道兩端安裝的壓力傳感器捕捉到包含 泄漏 信息的負(fù)壓波，就可以檢測(cè)出泄漏。負(fù)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。 負(fù)壓波的傳播 當(dāng)管道在距上游端 X 處發(fā)生泄漏時(shí)，該點(diǎn)的壓力降低產(chǎn)生壓力波動(dòng)，這個(gè)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? 。 負(fù)壓波 泄漏 檢測(cè)的原理 負(fù)壓波泄漏檢測(cè)的原理是：管道發(fā)生泄漏之后，泄漏點(diǎn)產(chǎn)生的負(fù)壓波會(huì)以波動(dòng)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(cè)到該負(fù)壓波信號(hào)，從而判斷管道是否發(fā)生泄漏。負(fù)壓波泄漏檢測(cè)示意圖如下圖 31： 設(shè) 1t 和 2t 分別為負(fù)壓波信號(hào)從泄漏點(diǎn)處傳輸帶管道上、下游壓力變送器時(shí)所消耗的時(shí)間 (s)； a 為負(fù)壓波在管內(nèi)介質(zhì)中的傳播速度 (m/s)； x 為泄漏點(diǎn)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)。 考慮到管內(nèi)介質(zhì)流速對(duì)負(fù)壓波傳播的影響，修正定位公式，引入管內(nèi)流體流速 v