管道泄漏检测新方法研究

王 正，王洪诚，傅 磊，穆帅欢，王 蕾

（1.西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500；2.西南石油大学电气信息学院，四川 成都 610500）

管道泄漏检测新方法研究

王 正1，王洪诚2，傅 磊2，穆帅欢1，王 蕾1

（1.西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500；2.西南石油大学电气信息学院，四川 成都 610500）

为提高管道泄漏检测的准确度、降低漏报率，提出一种基于负压波多压力传感器管道泄漏检测的新方法。该方法依据泵站前后端的所有压力传感器接收减压波的先后顺序，综合判断减压波是由管道泄漏引起还是由泵站工况波动调整引起；并且根据不同状况下各个压力传感器测试点检测到压力变化各不相同，从而确定故障性质和故障点。仿真实验表明：该方法不仅能降低系统漏报和误报率，而且能够提高系统泄漏点的定位准确度。

泄漏检测；减压波；综合判断；准确定位

0 引 言

负压波法是目前国际上应用较多的管线泄漏检测和漏点定位方法。当某处管道上突然发生泄漏时，在管道的内外形成了压力差，在压力差的作用下泄漏点的流体沿泄漏缺口流失，压力下降，泄漏点两边相邻区域的流体迅速向泄漏点流动，流体连续的流动还导致泄漏点上下游的流体填补因流失造成的空穴，这样就形成了一种泄漏点处沿管道依次向上、下游方向扩散的现象，这种因泄漏产生的减压波动称为负压波[1-2]。从20世纪80年代起，我国一些研究机构开始研究基于负压波的管道泄漏检测与定位技术，虽然在多条管线的泄漏检测中得到了比较成功地应用，但是其中存在诸多问题[3-4]。本文提出了一种基于负压波多压力传感器管道泄漏检测新方法[5-6]，该方法通过安装的压力传感器对管道内压力参数进行实时监控，结合泵站前后的压力传感器来分析判断是否为真实泄漏引起压力变化，对泄漏点进行定位，并及时关闭相关阀门，同时发出报警信号和快速有效地做出反应，最大限度降低损失。

1 负压波单压力传感器检测法

1.1 检测与定位原理

负压波法是根据压力传感器捕捉到特定的瞬态压力降的波形进行泄漏判断，泄漏位置则根据负压波传播到上、下游的时间差来估算[7]，其传播的速度在不同规格的管线中不同。在管道检漏系统中，泵站两端各装有一个压力传感器，接收管道中传来的压力值。定位原理如图1所示，设管道长度为L（m），泄漏点为C（C是管道上面的任意一点），负压波传播速度为V（m/s），管道内流体流速为V0（m/s），一般V0比V大3个数量级以上。

图1 泄漏点的定位原理图

在上图中假设T1为泄漏点C处产生压力波传到1站的时间，T2为传到2站时间，根据两个端点压力传感器所检测到剧降的时间ΔT（s），即可估算泄漏位置，如式（1）、式（2）、式（3）所示：

若测出时间差ΔT，泄漏点C的位置即可由式（4）求得。

1.2 存在的缺点

当管道发生泄漏时，管道内部产生负压波,但是能否正确地检测到该负压波的存在呢？另外，该检测法能否准确辨别出负压波的产生是否由管道泄漏所引起？在实际管道运输过程中，负压波的产生除了可能是由管道泄漏引起之外，还可能是由于工况波动调整造成，如起泵、调泵、停泵等。这些工况调整引起的干扰造成了系统虚警率的大幅提高，所以，为了降低系统虚警率，提升系统准确性，解决虚警问题是必要的[8-10]。

2 负压波多压力传感器检测法

2.1 双压力传感器负压波检测法

负压波双压力传感器检测法原理图如图2所示。在泵1站近端和远端各安装一个压力传感器A1与A2；在泵2站近端和远端各安装一个压力传感器B2与B1。双压力传感器负压波检测法判断模式见表1。

图2 双压力传感器法原理图

表1 双压力传感器法判定模式

由表1可得泵1、2站两端压力传感器接收到的压力波的先后顺序，这样可以较准确地判断出压力波的产生是由工况调整造成的还是由管道泄漏造成。在实际操作中，该方法也存在一些问题。譬如，当泄漏是发生在泵站的两个检测点A1、A2之间，且泄漏点距A1近端（或B1近端）较近的时候，系统就会认为泄漏是由1站（或2站）的工况调整造成的。这样，系统的漏报率就会增大。

2.2 多压力传感器负压波检测法

图3 多压力传感器原理图

表2 多压力传感器法判定模式1）

负压波多压力传感器检测法原理图如图3所示。对双压力传感器法进行一定升级便可得到多压力传感器检测法，多压力传感器法综合了泵站前后的4个传感器进行判断。在泵1站前远端与前近端各安装一个压力传感器分别为C1和C2；在泵1站后近端与后远端各安装一个压力传感器分别为A1和A2；在泵2站前远端与前近端各安装一个压力传感器B1和B2；在泵2站后近端与后远端各安装一个压力传感器D1和D2。当泵1站和泵2站有工况调整以及管道中间发生泄漏时，判断方法与双压力传感器法基本相同。当在泵站前或者泵站后两个检测点之间发生泄漏时，譬如在B1与B2之间并且距离B2近时发生，压力波按时间先后顺序依次到达泵2前近端、泵2前远端、泵2后近端、泵2后远端、泵1后远端、泵1后近端、泵1前近端、泵1前远端。但当泵2站有工况波动调整时，压力波按时间先后顺序依次到达泵2后近端、泵2前近端、泵2后远端、泵2前远端、泵1后远端、泵1后近端、泵1前近端、泵1前远端。并且在管道发生泄漏时候，各个传感器检测点压力值都是降低的；但在工况波动调整时候，所调整泵站前端与后端传感器检测点压力值变化是巧合相反的。通过上述两种方法同时判断，将会大大提高系统判断的准确率，双压力传感器法中的漏报情况得以解决。

根据压力波到达先后顺序进行判断，多压力传感器负压波法泄漏检测的判断模式见表2。

根据各个检测点压力值的变化情况进行判断，多压力传感器负压波法泄漏检测点的压力变化情况见表3。

由表2和表3联合分析判断，可以避免双压力传感器中漏报情况的发生，并且可以根据负压波到达先后顺序初步确定泄漏点的位置，这样不仅可以降低虚警率，为系统正常运行提供保障，还可以为泄漏点定位提供有效数据。

3 仿真验证

利用上述基于负压波的多压力传感器检测方法结合专用管道仿真软件（stoner pipeline simulator，SPS）对输油管道的泄漏、工况调整等状况进行模拟仿真设计。

表3 检测点压力变化情况

管道仿真数据设置如下：管道全长为42km，管道直径为300mm，泵1站与泵2站之间距离为40km，A1与增压泵、A1与A2、C2与C1、C2与增压泵、B1与增压泵、B1与B2、D2与D1、D2与增压泵等之间的距离都为0.5 km，泵1站流体压力为4.9 MPa，泵2站流体压力为3.4MPa，泵1站流体温度为60℃，泵2站流体温度为45℃，负压波传播速度为1050m/s，流体的流速为3m/s。

3.1 压力波到达测试点顺序仿真验证

管道在如下条件下产生负压波，S表示状况设置点到传感器距离，T1表示忽略流体流速时负压波到达各个检测点的时间，T2表示常态时负压波到达各个检测点的时间。

1）泵1站工况调整时的仿真条件：在仿真系统中对1站进行模拟工况调整，引起压力变化；泵1站工况调整时测得时间数据如表4所示。

通过表中数据可以得出：当泵1站工况调整时，压力波按时间先后顺序依次到达C2与A1、C1与A2、B1、B2、D1、D2，不管是否考虑管道流体流速的影响都可以得到相同结果，并且还可以看出压力波几乎同时到达1站前端和后端。

2）泵2站工况调整时的仿真条件：在仿真系统中对2站进行模拟工况调整，引起压力变化；泵2站工况调整时测得数据如表5所示。

表4 泵1站工况调整时测得时间数据

表5 泵2站工况调整时测得时间数据

通过表5数据可以得出：当1站工况调整时，压力波按时间先后顺序依次到达D1与B2、D2与B1、A2、A1、C2、C1，不管是否考虑管道流体流速的影响都可以得到相同结果，并且还可以看出压力波几乎同时到达2站前端和后端。

3）模拟管道泄漏时的仿真条件：在仿真系统中对A2与B1之间且距离A2点10km处进行模拟管道泄漏，引起压力变化；距离A2点10 km处模拟泄漏测得时间数据如表6所示。

表6 距离A2点10km处模拟泄漏测得时间数据

通过表中数据可以得出：距A2点10km处发生泄漏时，压力波按时间先后顺序依次到达A2、A1、C2、C1、B1、B2、D1、D2，不管是否考虑管道流体流速影响都可以得到相同结果，并且还可以看出压力波是先到达1站后端，然后再到达1站前端。

4）模拟管道泄漏时的仿真条件：在仿真系统中对A1与A2之间且距离A1点0.2km处进行模拟管道泄漏，引起压力变化，当距离A2近时与3）相同；距离A1点0.2km处模拟泄漏测得时间数据如表7所示。

表7 距离A1点0.2km处模拟泄漏测得时间数据

通过表中数据可得出：距A1点0.2km处发生泄漏时，压力波按时间先后顺序依次到达A1、A2、C2、C1、B1、B2、D1、D2，不管是否考虑管道流体流速的影响都可以得到相同结果，并且还可以看出压力波是先到达1站后端，然后再到达1站前端。

5）模拟管道泄漏时的仿真条件：在仿真系统中对B1与B2之间且距离B2点0.2km处进行模拟管道泄漏，引起压力变化，当距离B2近时与3）相同；时间测试数据如表8所示。

表8 距离B2点0.2km处模拟泄漏测得时间数据

通过表中数据可得出：距B2点0.2 km处发生泄漏时，压力波按时间先后顺序依次到达B2、B1、D1、D2、A2、A1、C2、C1，不管是否考虑管道流体流速的影响都可以得到相同结果，并且还可以看出压力波是先到达2站前端，然后再到达2站后端。

3.2 检测点压力变化仿真验证

管道在距离A1点19km处发生泄漏、泵1站压力由3.4 MPa升到4.9 MPa、泵1站压力由4.9 MPa降到3.4MPa状况下的压力传感器测量值的变化情况，如表9所示。

可以得到：当发生泄漏时，所有检测点压力传感器压力都将下降；泵1站升压力时，泵1站前端压力传感器压力下降，泵1站后端所有压力传感器压力都上升；泵1站降压力时，泵1站前端压力传感器压力上升，泵1站后端所有压力传感器压力都下降。

A new method of pipeline leak detection

WANG Zheng1，WANG Hongcheng2，FU Lei2，MU Shuaihuan1，WANG Lei1
（1.School of Mechanical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；2.School of Electric Information，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

In order to improve the accuracy and reduce the false negative rates of pipeline leak detection,a new method of pipeline leak detection was proposed based on suction-wave multipressure sensors.The method was applied to comprehensively determine whether the negative pressure wave was induced by pipeline leakage or the working-condition regulation of pumping stations according to the sequence of negative pressure waves received by all pressure sensors at the front and back ends of pumping stations.And under different conditions,the pressure detected at each test point of pressure sensors were different as well,which was thus used as the basis for diagnosing and determining the nature and points of failure.Simulation experiments show that this method can not only reduce false negative and false positive rates of the system,but also improve the positioning accuracy of system leak points.

leak detection；negative pressure wave；comprehensive judgment；precise positioning

A

：1674-5124（2015）05-0030-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.008

2014-09-10；

：2014-11-25

西南石油大学电气工程学科建设专项基金（xkjj2013010）

王 正（1987-），男，重庆市人，硕士研究生，专业方向为精密仪器及机械。