管道堵塞定位技术研究进展

赵旗

摘 要： 管道堵塞是管道运行过程中常见的安全问题，准确确定堵塞发生位置和长度是解堵作业的前导关键技术。通过对国内外各类文献进行调研，较为系统与详细地阐述了管道堵塞定位技术的发展与研究现状。国内对管道堵塞定位技术的研究有着丰富的经验，对各种方法均有进行探索，如注油试压法、压力波法、卸放油法、应力应变法、水力瞬变法、分布式光纤法等。国外对管道堵塞定位技术的研究方向主要集中在基于瞬态实验的堵塞定位技术，并在这方面做了较多的工作，包括使用数值分析和用实验数据来验证方法的准确性和适用性。对全部堵塞和部分堵塞的检测方法也都进行了一定的探索。

关 键 词：管道；堵塞；定位；研究现状

中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-2023-04

Abstract： Pipeline blockage is one of common security problems in the process of pipeline operation. Determining the position and length of the blockage accurately is a key to plug removal. Based on various types of domestic and foreign literature researches， research status and development of pipeline blockage positioning technology were introduced. Many methods of pipeline blockage positioning in our country were summarized， such as fuel injection pressure test method， pressure wave method， oil discharge method， the stress-strain method， hydraulic transient method， distributed optical fiber method and so on. Foreign research tread of the pipeline blockage location technology is based on the transient experiment. A lot of work to validate the transient experiment method has been carried out， including using numerical analysis method and experimental data to validate the accuracy and applicability of the method.

Key words： pipeline； blockage； location； research status

1 国内的研究现状

国内对管道堵塞定位技术的研究有着丰富的经验，且对各种方法均有进行探索。根据对堵塞点的检测方式的不同，可将管道堵塞定位法大体分为管道内部检测法和管道外部检测法两类。

1.1 管道内部检测法

1.1.1 注油试压法

曾多礼、何立刚等[1]较早提出采用注油试压的方法检测完全堵塞的成品油管道。如图1所示，当管道完全堵塞时，堵塞物会与管道的端部形成密闭的容积，而堵塞物和管道端部之间的距离与密闭容积的大小成正比。当向密闭容积段注油时，液压将随之发生变化，变化量与诸多因素有关。当其它因素为已知条件时，液压变化量的大小仅取决于注油量和管道长度。反之，已知注油量和压力变化，就能计算出管段长度，从而确定堵塞点的基本位置。

该方法需要对管道进行注油加压，工程操作量大，操作成本较高，操作时间较长，精确度也欠佳，故其并不是一种十分理想的堵塞定位检测方法。

1.1.2 压力波法

压力波法应用压力波反射原理，具体的检测过程如图2所示，在堵塞管道的A端注入一个压力波信号，则压力波在管道内沿着正向箭头的方向传播。

当压力波到达堵塞点P后，将会产生反射，反射波再反向傳播到监测点A。通过计算可得压力波在管中的传播速度a，辅以监测点A得到的两个压力波响应信号的时间差，就可计算出监测点A与堵塞点P之间的距离。

王通、阎详安[2]较早将该法应用到了堵塞点的检测上。刘恩斌、李长俊等[3]通过对处理算法进行简化并且使用压力传感器实现了压力信号分析法检堵，验证了该方法的可行性。而赵乃卓、韩万超等[4]提出了采用球形模型来对堵塞产生正负压波进行放大，同时利用小波变换法良好的降噪能力与时频局域的特性来进行压力波的突变检测。

此种方法对管道堵塞检测的灵敏度高，定位精确度高，可监测较长距离的管道，是目前主流的堵塞定位检测技术。但多相体系中声波传导速度的不确定性严重制约了该方法的预测精度及大规模应用，所以该项技术还有很大的改进空间。

1.1.3 卸放油法

粗略定位堵塞点之后，在该定位点上、下各1 km的范围内分别采用优选法选取探点、开挖探坑、钻孔放油从而逐步缩小检测范围逼近堵塞点，最后在接近冰堵点的小范围管线上钻大孔，然后用钢筋来探孔从而确定堵点的具体位置。

该方法的计算值与实际堵点位置误差约为1 km，实施该方法需对管道进行反复的放油卸压。故其定位精度并不是很高，且工作量大，操作过程复杂，操作耗时也较长，在实践中应用的并不广泛。

1.2 管道外部检测法

1.2.1 应力应变法

陈宝忠[6]、马秋宁等[7]较早对采用应力应变原理进行堵塞点定位的研究。其基本操作原理为给发生堵塞的管道注油加压，由于冰堵点前管道压力较冰堵点后的管道压力要大，故在冰堵点前管道受压变形程度较冰堵点后也要大。因此可以通过基于应力应变原理的传感器来对整条管线的压力数据进行采集，对采集到的数据进行处理分析来判断冰堵点的具体位置，从而实现对堵塞点的定位。

该方法需对管线上选定的测压点进行开挖作业，并且需要去除测压点处的防腐层和保温层以保证传感器测量的准确性，为提高测量过程的效率，使用黄金分割法来进行测压点优选。陈宝忠等[6]应用该原理设计了检测设备并对抚顺石油三廠至乙烯厂长27 km的管线进行了检测，检测7个点就准确的找到了堵塞点的具体位置。马秋宁等[7]则分别在长27 km的瓦斯气管线和长13 km的氢气管线上进行了实验，取得了良好的效果。而郝娇、林长健等[8，9]则研究了如何对应变式传感器的卡具进行优化，以提高该检测方法的测量精度。

总的来说，采用应力应变法对堵塞点进行定位，操作简单，用时短，且定位相对来说较为准确。因而，该检测技术具有广泛的应用前景。

1.2.2 水力瞬变法

邱正阳、邓松圣等[10]在对前人方法总结的基础上提出了水力瞬变法，其基本原理是通过输油泵给被堵塞管段加压到一定的压力，然后利用特性已知的泄放单元进行压力的泄放，使全线形成瞬态的流动，然后在指定的地点对压力的变化情况进行检测，最后通过对监测点得到数据的处理和分析，判断出堵塞点的具体位置，如图3所示。

邱正阳、邓松圣等[11]又在之前的基础上进行了实验模拟与研究。根据实验的结果，作者得出当管道长度大于100 km时，指定监测点无法获取明显的瞬态压力响应。进行的10组实验的测试结果表明该方法可达到了一定的检测精度。

本方法的关键是非稳态管流数学模型的建立，对堵塞长度不同、管径不同等情形应分别进行数值模拟计算、实验和分析。同时由于泄放单元的局限性，本法对测试管道的长度也具有一定的要求。

1.2.3 分布式光纤法

国内周琰等[12]较早对分布式光纤法进行了研究，其基本的检测原理是通过在管道附沿线并排敷设由三条单膜光纤构成的光缆，三条光纤基于Mach-Zehnder光纤干涉仪原理组成了分布式微振动检测传感器。光缆中有两条光纤为传感光纤，当传感光纤在管道沿途受到作用时，光纤中传播的光波相位将发生变化，光波相位的变化信息将会通过第三条光纤传输给光电探测器，光电探测器可实现光信号到电信号的转变。采集到的信号采用小波变换来进行处理，其可对包括管道堵塞在内的管道沿线异常状况进行及时的反馈。赵乃卓等[12]以周琰[13]的研究为基础，结合石油管道在冰堵后会发生膨胀而挤压光纤这一现象，提出使用该方法检测堵塞以及定位堵塞点的检测方法。

分布式光纤法精确度高，反应迅速，但由于在铺设管道的同时必须在管道沿线铺设分布式光纤检测系统，增加了管道建设的成本，其对小型管道工程以及复杂管道工程不可取，仅在长距离输油和输气管道中应用较多。

1.2.4 射线探堵

邓明晰等[14]较早对 射线探堵进行了研究。由于 射线在穿透某种物质时，部分 射线会被该物质吸收，而 射线被吸收的光子数目与该物质密度有很大的关联，且密度不同的物质对 射线的吸收量几乎与物质密度的成正比，故只要通过对 射线光子数目进行计数就可以实现对管道内的各种堵塞物进行区分，从而确定产生堵塞的位置和主要原因。

该方法无论管内介质是气体亦或是液体都适用，但由于自身的局限性其只适用于小范围且堵塞部位较为明显的地面管道进行探堵。

1.2.5 水力坡降曲线法

水力坡降曲线法的基本原理如图4所示，曲线1为管道正常运行时的水力坡降曲线；曲线2为管道开始产生堵塞时的水力坡降曲线，管道首端和堵塞点之间由于堵塞的发生而产生憋压，堵塞点到管道终点段则由于堵塞发生而产生失压。曲线3为完全堵塞后管道的水力坡降曲线。而管道水力坡降曲线的奇异点就对应着管道的堵塞点的位置。

刘恩斌、李长俊等[15]通过建立管道运行的数学模型并辅以采集到的堵塞点两端的实际压力等运行参数，来对管道进行模拟仿真，从而得到了整条管线的水力坡降曲线，然后通过小波变换来查找管道水力坡降曲线的奇异点并最终推算出了堵塞点的具体位置。

堵塞位置的定位精度与管道的仿真精度密切相关，仿真精度越高，则定位的精度也精确。采用仿真方法可大大缩短用工时长，简化操作过程，减少检测设备，降低用工成本。

2 国外的研究现状

国外对管道堵塞定位技术的研究方向主要集中在基于瞬态实验的堵塞定位技术，并在这方面做了较多的工作，包括使用数值分析法和采用实验数据来对方法的准确性和适用性进行验证。对全部堵塞和部分堵塞的检测方法也进行了一定的探索。

Hasan等[16]在定位气井堵塞位置时使用了压力瞬态分析法，开发了预测气管线部分堵塞位置的瞬态模拟软件。并且使用该软件定位气井部分堵塞位置。Liangjian Liu等[17]提出了一种能估计堵塞形式的气管线堵塞定位法。同时建立了一个新的平均压力模型，该模型通过检查两端都关闭后的管路的平均压力能够定位管道部分堵塞段。Pedro J等[18]使用基于流体瞬态分析的频率响应图来进行非连续性堵塞的定位数值分析。该方法较适用于复杂或参数不太详细的管路。Najeem A等[19]建立了一个适用于堵塞特征检测的简单的数值模型。控制方程中考虑了粘度的影响，并使用广义的Newton-Raphson方程来进行线性函数分段线性有限体积方程的迭代优化，该法可应用在具有复杂几何构造的管线上。Meniconi S等[20]对部分堵塞的管道进行了频域-时域耦合实验。证明了频率响应分析法在确定部分堵塞段径向收缩长度和堵塞区域长度上较为准确，而压力信号分析法定位堵塞位置较为准确。基于实验结果文中提出了两种方案的联合方案，从而大大提高了计算精确度和计算效率。

3 结束语

早期定位技术使用的方法采用的装备多，耗时长，定位精度也低。近年来，国内外研究热点主要集中在基于瞬态实验的分析方法上。这类方法耗时较少，成本低，且具有较高的精度。然而，在实际工况下，管道堵塞情况复杂多变，单纯的使用一种方法进行堵塞点的定位可能无法应对实际的复杂环境，故需要根据实地情况采用多种技术相结合的方法，将各种方法的优缺点统筹起来，扬长避短。

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