管道洩漏檢測定位實驗系統及其檢測方法與流程
2023-05-29 07:32:46 3
本發明涉及一種科研實驗系統，尤其是一種管道洩漏檢測定位實驗系統及其檢測方法，用於實現不同洩漏檢測方法對長距離輸送氣體、液體管道的洩漏檢測及定位實驗。
背景技術：
目前，管道運輸是現代五大運輸方式之一，相比其他四種（公路、水路、鐵路、航空）運輸方式，它具有高效、安全、便於管理等諸多優點。管道運輸是一種連續運輸方式，運輸效率高；管道一般埋於地下，不受外界環境條件的影響；管道運輸一般不產生環境汙染和噪聲汙染且運輸成本低。管道運輸在石油化工、天然氣以及其他流體輸送中佔有重要的地位。截至2015年底，據不完全統計，我國已建成的油氣輸送管線總長度超過100000千米。伴隨著管線裡程的增加，管道設備老化，管道壁面腐蝕，地質條件變化（如地質運動、水災、地震等）以及人為原因（如施工、盜挖、恐怖襲擊等）導致的管道洩漏事故逐年增多。
管道一旦出現洩漏，洩漏出來的輸送介質（如原油、天然氣）不僅僅會造成巨大的經濟損失，還會對管道周邊的生態環境造成汙染，同時，如果洩漏物具有易燃易爆性，還可能引起火災甚至爆炸，造成巨大人員財產損失，產生不良社會影響。例如2013年青島市「11.22」中石化東黃輸油管道洩漏爆炸事件，就是由於輸油管線破裂，原油洩漏至雨水管道及海面，並且在搶修作業過程中被點燃，發生多起爆燃及火災，此次事件造成63人死亡，9人失蹤，156人受傷。
目前，管道洩漏檢測及定位技術形成了較為成熟的理論體系，但是國內應用到實際管線上面的管道洩漏檢測及定位技術較先進理論體系有滯後性。
技術實現要素：
本發明的目的是針對上述不足之處提供一種管道洩漏檢測定位實驗系統及其檢測方法，本發明目的旨在解決三個問題：1.對新的管道洩漏檢測及定位理論技術應用在實際管線上的可行性進行研究；2.對已開發出的成套檢測定位設備進行測試實驗，評價其性能指標；3.開發集成多種管道洩漏檢測定位技術的多功能實驗平臺，用於對比各種檢測定位技術的優劣，從而對管道洩漏檢測定位技術進行改進。
本發明一種管道洩漏檢測定位實驗系統及其檢測方法是採取以下技術方案實現：
一種管道洩漏檢測定位實驗系統，包括輸送管道、介質（水、油、氮氣）輸送裝置、負壓波檢測裝置和聲發射檢測裝置。介質輸送裝置包括輸送管道、介質容器（氮氣瓶、水箱、油罐）、穩壓罐、水泵、油泵、水箱出口流量計、水箱入口流量計、油罐出口流量計、油罐入口流量計、氮氣瓶出口閥、水箱出口閥、油罐出口閥；輸送管道折彎處採用U型管道，其餘部分為直線管段，通過打開不同介質的輸入閥門，使管道可以輸入氣體做氣體介質實驗，也可以放空氣體輸入水或油來做液體介質實驗。介質容器安裝在管道入口處，穩壓罐安裝在管道出口處，在氮氣鋼瓶與輸送管道之間設置有閥門，在水箱與輸送管道之間依次設置有閥門、流量計和水泵，在油罐與輸送管道之間設置有閥門、流量計和油泵。壓力泵將液體試驗介質（水、油）輸送至管道起點，在管道終點通過軟管將介質再回流至容器內，形成循環流動，在管道出口還設有穩壓罐，能夠保證管道內的壓力平穩。所述的介質容器設置有氮氣瓶、水箱、油罐。
負壓波檢測裝置包括壓力傳感器、電磁流量計、數據採集卡、計算機，在管道入口和出口處分別設置有壓力傳感器和流量計，壓力傳感器和流量計的輸出端與數據採集卡的輸入端相連，數據採集卡的輸出端與計算機相連，數據採集卡能夠採集傳感器和流量計的信號，並將信號傳輸至計算機進行分析處理。
聲發射檢測裝置包括聲發射傳感器、信號前置放大器、聲發射檢測儀和計算機，在管道入口和出口處分別設置有聲發射傳感器，聲發射傳感器的輸出端與前置放大器的輸入端相連，前置放大器的輸出端與聲發射檢測儀輸入端相連，聲發射檢測儀輸出端與計算機相連，聲發射傳感器的信號通過前置放大器放大後輸送給聲發射檢測儀，聲發射檢測儀對信號進行處理並將其傳輸至計算機進行分析。
所述實驗管道為DN100無縫鋼管，管道被安裝在底部帶有輪子的支架上，支架採用的是等邊角鋼。管道系統總高度為2.2m，總長度為100m，另外還有兩根1m長的DN50和DN200的無縫鋼管，用於換下管道中某一段來測量管道變徑對信號的影響。
為了模擬實際洩漏場景，該管道洩漏檢測定位實驗系統提供一種洩漏模擬方式，即將帶有控制閥的一段直管道換在管道中的任意可替換管節處，控制閥後端上安裝有渦輪流量計，這樣可以模擬管道在不同位置洩漏的情況，達到對多點洩漏的模擬結果。其次，通過調節控制閥的開度可以模擬不同大小的洩漏孔，洩漏流量可以直接從控制閥後端的流量計直接讀出，從而可以測量洩漏孔大小對洩漏信號的影響。
壓力傳感器採用的是MIK-P300壓力變送器，其量程為-0.1~1000bar，精度為0.3、0.5級，所述壓力傳感器和電磁流量計的數據通過YAV 16AD系列USB數據採集卡進行數據採集、傳輸，採集到的數據上傳至計算機進行存儲與處理。YAV 16AD系列USB數據採集卡質量穩定可靠，能在抑制幹擾、高速採樣、智能控制、數據組合等方面發揮出色作用，能夠確保上傳數據的穩定性，可以較好地完成實時數據處理、連續快速採集存檔等工作。所述聲發射檢測裝置包括SR40M聲發射傳感器、PAI前置傳感器、SAEU2S-1016-10型聲發射檢測儀。傳感器感應信號通過前置放大器將信號放大並傳輸到聲發射檢測儀，聲發射檢測儀對波形信號進行處理，並將頻域及功率譜參數實時輸出至計算機，實現連續在線監測，SAEU2S-1016-10型聲發射檢測儀採用USB2.0通訊接口，內置5張卡，單卡2個獨立聲發射通道，每通道獨立16bitAD精度，10MHz採樣速率。
一種管道洩漏檢測定位實驗系統的檢測方法，其步驟如下：
（1）首先根據管道洩漏檢測定位實驗系統結構組裝好實驗系統，檢查各種部件的線路，確保連接良好，檢查裝置氣密性；
（2）將帶有控制閥的管段換在該管道系統的某一直線管段；
（3）開啟容器出口處的閥門，開啟壓力泵將實驗介質打入到管道裡，並打開容器介質回收處的閥門，使介質循環流動；
（4）當管道內充滿介質後，首先打開計算機，計算機裝有信號處理模塊LabVIEW，計算機獲取管道兩端的壓力和流量信號，此時的信號為正常時的信號，然後打開控制閥開關，觀察控制閥後端的流量計的示數，可以計算一定時間內洩漏量，控制閥開啟後獲取此時的壓力和流量信號，通過傳感器測得信號傳輸至管道兩端所用的時間以及信號在管道中的傳播速度，根據信號傳輸至管道兩端的時間差採用負壓波分析進行洩漏定位；
（5）類似地，在採用聲發射方法檢測時，先打開聲發射分析儀和計算機的信號處理模塊LabVIEW，在打開控制閥開關後，聲發射傳感器能夠感知洩漏產生的聲波並將信號傳輸至前置處理器對信號進行放大，放大後的信號傳輸至聲發射檢測儀，聲發射檢測儀能夠對信號進行各種譜分析、小波分析、模式識別，再在計算機中進行處理，根據時差定位法可以確實洩漏位置；
（6）通過負壓波分析方法和聲發射檢測方法計算洩漏的具體位置，並與實際洩漏位置進行對比，得出誤差大小，然後更換洩漏位置，測出多組數據，得出實驗誤差；
（7）然後將DN50管段和DN200管段兩個變徑管道換到管道中某段， 然後重複上述方法，分析變徑對管道洩漏定位檢測的影響。
所述的信號處理模塊採用LabVIEW模塊。
一種管道洩漏檢測定位實驗系統用於水、油、氣輸送管道洩漏檢測及定位。
本發明的有益效果是，本發明的管道洩漏檢測定位實驗系統，能夠實現對部分輸送管道運行參數的採集，能夠實現採用多種洩漏檢測方法（如負壓波法、聲發射洩漏檢測法等）研究洩漏工況下管道運行參數的變化情況，同時，通過換上不同管徑的管段也可以實現由於管徑變化對參數影響的檢測；S型管道折彎處採用U型管連接，相比於常見的直管管道系統，該系統可以研究彎管對於洩漏波傳播的影響。該實驗系統適用於工業或城市高、中、低壓、長距離直線管道和彎管道的洩漏檢測定位實驗。
附圖說明
下面結合附圖和具體實驗例對本發明進一步說明。
圖1是本發明的管道洩漏檢測定位實驗系統的結構示意圖。
圖2是本發明的實驗管道主視圖。
圖3是本發明的實驗管道側視圖。
圖4是本發明的帶有控制閥的管段的剖面圖。
圖5是本發明的DN50管段的剖面圖。
圖6是本發明的DN100管段的剖面圖。
圖7是本發明的相關分析法確定洩漏位置的方法示意圖。
圖中的1是氮氣鋼瓶、2是水箱、3是油罐、4是輸送管道、5是U型管段、6是帶控制閥管段、7是電磁流量計、8是壓力傳感器、9是聲發射傳感器、10是前置放大器、11是聲發射檢測儀、12是數據採集卡、13是計算機、14是管道支架、15是穩壓罐、16是氮氣瓶出口閥、17是水泵、18是水箱出口流量計、19是水箱出口閥、20是水箱入口流量計、21是油泵、22是油罐出口流量計、23是油罐出口閥、24是油罐入口流量計、25是DN50管段、26是DN200管段、27是控制閥、28是控制閥後端的流量計。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明的具體實施方式做進一步詳細的說明。以下實施例用於說明本發明，但不用來限於本發明的範圍。
參照附圖1-7，一種管道洩漏檢測定位實驗系統，包括輸送管道、介質（水、油、氮氣）輸送裝置、負壓波檢測裝置和聲發射檢測裝置。介質輸送裝置包括輸送管道（4）、介質容器（氮氣瓶（1）、水箱（2）、油罐（3））、穩壓罐（15）、水泵（17）、油泵（21）、水箱出口流量計（18）、水箱入口流量計（20）、油罐出口流量計（22）、油罐入口流量計（24）、氮氣瓶出口閥（16）、水箱出口閥（19）、油罐出口閥（23）；輸送管道折彎處採用U型管道（5），其餘部分為直線管段，通過打開不同介質的輸入閥門，使管道可以輸入氣體做氣體介質實驗，也可以放空氣體輸入水或油來做液體介質實驗。介質容器安裝在管道入口處，穩壓罐（15）安裝在管道出口處，在氮氣鋼瓶（1）與輸送管道（4）之間設置有閥門（16），在水箱（2）與輸送管道（4）之間依次設置有閥門（19）、流量計（18）和水泵（17），在油罐（3）與輸送管道（4）之間設置有閥門（23）、流量計（22）和油泵（21）。壓力泵將液體試驗介質（水、油）輸送至管道起點，在管道終點通過軟管將介質再回流至容器內，形成循環流動，在管道出口還設有穩壓罐（15），能夠保證管道內的壓力平穩。所述的介質容器設置有氮氣瓶（1）、水箱（2）、油罐（3）。
負壓波檢測裝置包括壓力傳感器（8）、電磁流量計（7）、數據採集卡（12）、計算機（13），在管道入口和出口處分別設置有壓力傳感器（8）和流量計（7），壓力傳感器（8）和流量計（7）與數據採集卡（12）的輸入端相連，數據採集卡（12）的輸出端與計算機（13）相連，數據採集卡（12）採集傳感器（8）和流量計（7）的信號，並將信號傳輸至計算機（13）進行分析處理。
聲發射檢測裝置包括聲發射傳感器（9）、信號前置放大器（10）、聲發射檢測儀（11）和計算機（13），在管道入口和出口處分別設置有聲發射傳感器（9），聲發射傳感器（9）與前置放大器（10）的輸入端相連，前置放大器（10）的輸出端與聲發射檢測儀（11）輸入端相連，聲發射檢測儀（11）輸出端與計算機（13）相連，聲發射傳感器（9）的信號通過前置放大器（10）放大後輸送給聲發射檢測儀（11），聲發射檢測儀（11）對信號進行處理並將其傳輸至計算機（13）進行分析。
一種管道洩漏檢測定位實驗系統用於水、油、氣輸送管道洩漏檢測及定位。
所述實驗管道為DN100無縫鋼管，管道被安裝在底部帶有輪子的支架（14）上，支架（14）採用的是等邊角鋼。管道系統總高度為2.2m，總長度為100m，另外還有兩根1m長的DN50（25）和DN200（26）的無縫鋼管，用於換下管道中某一段來測量管道變徑對信號的影響。
為了模擬實際洩漏場景，該管道洩漏檢測定位實驗系統提供一種洩漏模擬方式，即將帶有控制閥（27）的一段直管道（6）換在管道中的任意可替換管節處，控制閥後端安裝有渦輪流量計（28），這樣可以模擬管道在不同位置洩漏的情況，達到對多點洩漏的模擬結果。其次，通過調節控制閥（27）的開度可以模擬不同大小的洩漏孔，洩漏流量可以直接從控制閥後端的流量計（28）直接讀出，從而可以測量洩漏孔大小對洩漏信號的影響。
壓力傳感器（8）採用的是MIK-P300壓力變送器，其量程為-0.1~1000bar，精度為0.3、0.5級，所述壓力傳感器（8）和電磁流量計（7）的數據通過YAV 16AD系列USB數據採集卡（12）進行數據採集、傳輸，採集到的數據上傳至計算機（13）進行存儲與處理。YAV 16AD系列USB數據採集卡（12）質量穩定可靠，能在抑制幹擾、高速採樣、智能控制、數據組合等方面發揮出色作用，能夠確保上傳數據的穩定性，可以較好地完成實時數據處理、連續快速採集存檔等工作。所述聲發射檢測裝置包括SR40M聲發射傳感器（9）、PAI前置傳感器（10）、SAEU2S-1016-10型聲發射檢測儀（11）。傳感器感應信號通過前置放大器（10）將信號放大並傳輸到聲發射檢測儀（11），聲發射檢測儀（11）對波形信號進行處理，並將頻域及功率譜參數實時輸出至計算機（13），實現連續在線監測，SAEU2S-1016-10型聲發射檢測儀（11）採用USB2.0通訊接口，內置5張卡，單卡2個獨立聲發射通道，每通道獨立16bitAD精度，10MHz採樣速率。
一種管道洩漏檢測定位實驗系統的檢測方法，其步驟如下：
首先根據管道洩漏檢測定位實驗系統結構示意圖所示組裝好實驗系統，檢查各部件之間的線路，確保連接良好，檢查裝置的氣密性，然後分別做以氮氣、水和油為介質的實驗。在用負壓波進行檢測定位時，將帶有控制閥的管段（6）換在該管道系統的某一直線管段，先打開氮氣瓶（1）的閥門（16）使氮氣進入輸送管道內，待管道內充滿氮氣時，打開計算機，計算機裝有信號處理模塊LabVIEW，計算機獲信號處理軟體獲取管道兩端的壓力和流量信號，此時的信號為正常的信號，然後打開管道上控制閥（27）開關，觀察控制閥後端流量計（28）的示數，可以計算一定時間內洩漏量，控制閥（27）開啟後獲取此時的壓力和流量信號，測得的信號傳輸至管道兩端所用的時間以及信號在管道中的傳播速度，根據信號傳輸至管道兩端的時間差採用負壓波分析進行洩漏定位。實驗完畢後關閉氮氣瓶（1）的閥門，放空管道內的氮氣，然後打開水箱（2）的出口閥門（19）和水泵（17），也可以打開油罐的出口閥門（23）和油泵（21），做液體介質的實驗，實驗步驟如上所述。
在採用聲發射檢測法時，以水為介質為例，打開水箱（2）的出口閥門（19）和水泵（17），使水在輸送管道（4）內循環流動，然後打開聲發射分析儀（11）和計算機（13）的信號處理模塊，在打開控制閥（27）開關後，聲發射傳感器（9）能夠感知洩漏產生的聲波並將信號傳輸至前置處理器（10）對信號進行放大，放大後的信號傳輸至聲發射檢測儀（11），聲發射檢測儀（11）能夠對信號進行各種譜分析、小波分析、模式識別，再在計算機（13）中進行處理，根據時差定位法可以確實洩漏位置。
通過負壓波分析方法和聲發射檢測方法計算洩漏的具體位置，並與實際洩漏位置進行對比，得出誤差大小，然後更換洩漏位置，測出多組數據，得出實驗誤差；然後將DN50管段（25）和DN200管段（26）兩個變徑管道換到管道中某段，然後重複上述方法，分析變徑對管道洩漏定位檢測的影響。
所述的信號處理模塊採用LabVIEW模塊。
具體地，以負壓波檢測方法和聲發射檢測方法為例進行說明：
負壓波檢測方法：當管線破裂發生洩漏時（在本實驗裝置中即打開控制閥使介質流出，控制閥所在處為洩漏點），洩漏點壓力突降產生的瞬態負壓波沿管壁由洩漏處向輸送管道上、下遊傳播，通過傳感器測得負壓波通過上下遊測量點的時間差以及負壓波在管線中的傳播速度，可以確定洩漏位置，再利用相關分析、小波變換、模式識別等數據處理方法，可準確識別洩漏並精準定位。
圖6是相關分析法確定洩漏位置的方法示意圖，對管道上下遊壓力P1、P2壓力信號的相關處理如下：
(1)
其中，L為P1、P2之間的距離，a為負壓波傳播速度。
相關函數在沒有發生洩漏時維持相對恆定，當洩漏發生時，R(r)將發生變化，當變化量達到一定數值時，則認為發生了洩漏。t1、t2分別為負壓力波到達P1、P2點的時間，當r= t1－ t2時，R(r)將達到最大值，即
(2)
在理論上：
(3)
洩漏點與P2之間的距離為：
(4)
聲發射檢測方法：當管道發生洩漏時（在本實驗裝置中即打開控制閥使介質流出，控制閥所在處為洩漏點），在洩漏點處存在管道內外壓差，在管壁上會形成高頻應力波，該應力波攜帶著洩漏點的信息向管道兩端傳播，聲發射傳感器能夠感知這一信號，並將其傳至前置放大器對信號進行放大，前置放大器再將放大後的信號傳輸至聲發射檢測儀，聲發射檢測儀能夠對信號進行各種譜分析、小波分析、模式識別，再在計算機中進行處理，根據時差定位法可以確實洩漏位置。