压力脉冲波法天然气管道堵塞检测研究*

李清平，储佳伟，姚海元，庞维新，吕 鑫，刘 瑜，宋永臣，赵佳飞

(1.天然气水合物国家重点实验室，北京 100027；2.中海石油有限公司北京研究中心，北京 100027；3.大连理工大学 能源与动力学院，辽宁 大连 116024)

0 引言

随着环境保护压力的日渐增大，天然气在我国一次能源中的占比正逐年升高，随之快速增长的亦包括天然气管道里程。据统计，到2020年底，我国天然气长输管道长度突破10.4万km，到2030年将达到20万km[1]。考虑到经济性，从地底或海底开采出的天然气未完全净化，常常含有水、凝析油及泥沙等杂质。随着里程的增长，这些杂质会不断堆积，最终形成堵塞。另外，在某些特殊环境(如低温高压)下，水和天然气会生成天然气水合物，造成堵塞。总之，各种类型的堵塞对天然气管道的安全运行危害巨大，严重时更有可能造成重大安全事故[2]。因此，如何解决这一问题有重要意义，而堵塞检测技术是解决这一问题的有效手段。当堵塞物质刚开始累积，未完全堵塞管道时，及时检测出部分堵塞位置和堵塞程度，可为管道堵塞提供预警，防止管道完全堵塞，影响生产。当管道完全堵塞，快速检测出堵塞位置能为及时解堵提供便利[3]。

目前，堵塞检测技术已经有了一定进展。陈宝忠等[4]研究通过应力应变测量来检测管内的堵塞。当管道内的流体流经截面发生变化的管道时，管内压力会发生变化，从而导致管壁应变发生变化。测量管壁应变变化能有效检测出管道堵塞。但这一方法需要在管壁沿线布置大量应变传感器，且检测精度有限，因此可行性和经济性均有待提高。Qu等[5]研究声波法检测管道堵塞，这一方法理论上可行，但是声波信号易受环境噪音等的干扰，如何提高抗干扰能力是急需解决的问题。

近年来，压力脉冲波法作为1种堵塞检测方法，因其具有响应时间短、成本低、抗干扰能力强等优点渐渐引起人们的重视[6-8]。Meniconi等[9]进行输水管道中利用水击压力波进行部分堵塞检测的研究，并得到相应的模拟和实验结果；Adewumi等[10]提出压力波在含堵塞的气体管道中传播的模型，并通过一系列的数值研究表明该模型的可靠性；Adeleke等[11]对Adewumi提出的数学模型进行改进，考虑黏滞效应，不过这一结果仅通过数值研究得到验证；张红兵[12]基于仿真方法，采用压力波法对清管故障进行检测，并编制实时监测管线故障软件，但该软件仅对单个完全堵塞效果明显；刘恩斌等[13]使用正压波对管道堵塞位置进行检测，实验仅针对完全堵塞管道。因此，现有研究或基于简单完全堵塞或采用数值模拟研究，缺乏复杂堵塞条件下的实验研究，并且由于现场实验难以开展，而实验室往往受空间限制，压力脉冲波在长天然气管道中的传播特性(包括衰减及堵塞反射与响应特性等)实验数据十分匮乏，而这些是进行堵塞检测不能回避的问题。

为解决这一问题，本文设计并搭建长220 m的压力波堵塞检测实验管路平台，并进行多种类型的堵塞检测实验，包括连续长堵塞实验和水堵实验，对实验结果进行分析，并对压力脉冲波法天然气管道堵塞检测可行性进行评价。

1 实验系统及实验方法

1.1 实验系统

压力波堵塞检测实验管路系统示意如图1所示。本系统由5个模块组成，包括注气模块、主体管路、部分堵塞模块、压力脉冲波产生模块及数据测量及采集模块。

图1 压力波堵塞检测实验管路系统

注气模块由气瓶组、减压阀、储气罐和流量计组成。主管道为不锈钢材质，管壁厚4 mm，内径40 mm，管长220 m。部分堵塞模块采用可更换管段，并根据实验需要模拟不同类型的堵塞。压力脉冲波产生模块核心部件为快速动作电磁阀，设置在管道出口用于产生压力脉冲波。数据测量及采集模块由静态压力传感器、2个动态压力传感器、高速数据采集卡和工业PC机组成。靠近主管道出口的静压传感器的范围为0～3 MPa。第1个动压传感器D1靠近出口(电磁阀)，第2个传感器D2与D1的距离为75.95 m，使用的采样率为10 kHz。

1.2 实验步骤及方法

在进行实验前，必须先完成部分堵塞模块安装。根据实验需要选择堵塞类型、位置和大小。在部分堵塞模块的适当位置安装合适的管段，模拟堵塞，将气体注入管道加压，检查管道的密封性。关闭球阀和电磁阀，打开闸阀和减压阀。当达到实验压力时，关闭减压阀，开启数据测量与采集单元。设置电磁阀动作时间(通常为20 ms)，打开电磁阀，产生压力脉冲波，随后压力脉冲波沿管道连续传播，直到振幅衰减到零，实验完成。更加详实的实验系统和实验步骤可参考文献[14]。

2 实验结果与分析

2.1 连续长堵塞

进行不同长度不同压力下的连续长堵塞检测实验,包括堵塞长度为15.70 m、堵塞率为75%(静态压力分别为2.0,1.6,1.2，0.8 MPa)及堵塞长度为7.73 m、堵塞率为75%(静态压力为2.0 MPa)，连续长堵塞检测结果(静态压力2.0 MPa、长度15.7 m)如图2所示，不同长度不同静态压力下连续长堵塞检测实验结果如图3所示。图2中，p1为动压传感器D1测得的入射波，p2为动压传感器D2测得的入射波，p3为堵塞前沿反射信号，p4为堵塞后沿反射信号。由于堵塞前沿的截面积由大变小，故p3为负压波，而堵塞后沿截面积由小变大，故p4为正压波。随后p4会在长为15.7 m的堵塞段内来回反射，直至衰减为0，而p5为其第1轮反射波。p6为D1所测的堵塞前沿反射信号，p7为D1所测的堵塞后沿反射信号。由于D1靠近电磁阀，因此其振幅约为真实反射波的2倍。

图2 连续长堵塞检测结果(静态压力2.0 MPa、长度15.7 m)

图3 不同长度不同静态压力下连续长堵塞检测实验结果

根据p1，p2，p3和p4的时间差，可分别计算得到压力波传播速度、堵塞位置及堵塞长度，根据p4的振幅与入射波振幅的比值可计算出堵塞率，不同长度及压力下连续长堵塞检测结果如表1所示。详细计算过程，可参考文献[14-15]。

由图3可看出：当堵塞长度不同时，反射波形态差异主要表现在堵塞后沿反射波与前沿反射波间距不同；当静态压力不同时，入射波及反射波形态差别不大，主要差别包括：当振幅相同时，静态压力越低，压力波波长越大，这会降低压力波检测的分辨率，造成这一现象的原因是先导式电磁阀本质为气动阀门，当静态压力降低时，阀门两侧压差减小，阀门动作时间增大，产生的脉冲压力波波长增大。同样，根据上述计算方法，分别计算不同工况下的堵塞信息，结果如表1所示。从计算结果可以看出，静态压力及堵塞长度对堵塞检测的准确性影响不大。对5组实验结果计算误差进行平均：堵塞位置检测平均误差为0.23%，堵塞长度检测平均误差为0.75%，堵塞率检测平均误差为2.67%。

表1 不同长度及压力下连续长堵塞检测结果

2.2 水堵检测

在天然气开采与输运过程中，常常会因为开采深度增加或脱水机制失效，造成管道含水率增加，并在低洼处聚集，形成水堵，影响天然气管道正常输运和生产。因此判断管道内是否存在水堵及快速准确检测水堵位置十分关键。对实验系统部分堵塞模拟模块进行改造，增加1段长3.26 m的U型弯管，进行水堵实验。U型弯管示意如图4所示。通过往U型弯管管道底部注入适量清水，用以模拟天然气管道中低洼处存在的水堵。

图4 U型弯管示意

进行2组不同堵塞率的水堵实验。首先注入1 500 mL的清水，形成长为2.76 m、堵塞率为43.3%的水堵(水堵截面积为544.3 mm2)，管道压力为2 MPa，水堵实验结果(堵塞率43.3%)如图5所示。图5中，p1为D1所测的入射波，p2为D2所测的入射波，p3为D2所测的水堵反射信号。从图5中可以看出，水堵堵塞率为43.3%时依然有较为明显的堵塞反射信号，根据上述堵塞计算理论分别计算水堵位置、长度和堵塞率，结果如表2所示。

图5 水堵实验结果(堵塞率43.3%)

表2 水堵检测计算结果

随后增加清水，使堵塞率达100%，再加压至2.0 MPa，水堵实验结果(堵塞率100%)如图6所示，p4为水堵堵塞前沿反射信号，p5为堵塞后沿反射信号。可以看出，水堵堵塞率为100%时堵塞反射信号完整规则。仔细观察发现堵塞前后沿反射信号都有明显的尾波振荡，这是压力波引起了水相振动引起的，通过分析尾波频率，理论上可判断出堵塞类型。同样，根据上述计算理论计算U型弯管内水堵的位置、长度和堵塞率，水堵检测计算结果如表2所示。从表2可以看出，2组实验的堵塞定位误差均较小，分别为0.94%和0.61%。在计算堵塞长度时，当堵塞率较低为43.3%时，因反射信号不规则，寻找后沿反射波到达时间较难，若选用中间位置T5，其计算结果远大于实际值。当压力波到达水堵位置后，其剧烈的压力波动会引起水相振荡，且压力波到达气水界面后会发生多次折射，并与原来的波相互叠加，造成反射信号极其复杂。根据固相堵塞物反射信号规律推测，反射信号的第1个负压波和第1个正压波较为接近水堵前后沿反射信号。因此选取T4作为后沿反射波到达时间，并计算得到的水堵长度为3.26 m，误差为18.12%。造成误差偏大的原因除了水堵反射信号特点外，还由于水堵的长度较短，小于压力波波长，从而导致前后沿反射波存在少量叠加。当堵塞率为100%时，反射信号的特征时间清晰，堵塞长度的计算误差1.09%，与长距离连续性堵塞检测误差接近。

图6 水堵实验结果(堵塞率100%)

2组实验的堵塞率误差分别为74.36%和12.20%。造成误差偏大的原因包括：计算模型假设压力波在遇到堵塞物后为全反射。而压力波在气水界面会存在折射，消耗压力波能量。另外，水相在遭受到剧烈压力波动后，会产生振荡导致部分压力波能量转化为动能，进一步消耗压力波能量。最后，由于水堵放置在U型弯管内，因此堵塞非全堵时，堵塞截面并非垂直于管径方向上的单一平面。若想进一步提高水堵检测的精度，应在现有模型的基础上进一步优化以使其适用于水堵，以提高检测精度。

3 结论

1)对于连续长堵塞，堵塞前后沿反射波分别为负压波和正压波，且波形清晰规则。根据堵塞前沿反射波与入射波时间差可分别计算出堵塞位置和堵塞段长度；根据堵塞前沿反射波与入射波振幅比值可计算出堵塞率。连续长堵塞检测中，堵塞位置、堵塞长度和堵塞率的平均检测误差分别为0.23%，0.75%和2.67%。

2)水堵实验中，当堵塞率为43.3%的水堵反射信号清晰但波形不规则，当堵塞率为100%时，反射信号清晰且波形规则。在此基础上，2组实验的堵塞位置检测误差分别为0.94%和0.61%，堵塞长度检测误差分别为18.12%和1.09%，堵塞率检测误差分别为74.36%和12.20%。造成堵塞长度及堵塞率检测误差较大的原因包括压力波的连续折射、水的移动和振荡以及堵塞截面非垂直于管径方向的理想平面。

3)实验结果表明，压力脉冲波法检测精度高，操作简单，检测时间短，成本低以及能适用复杂堵塞工况，具有较好的实用性。使用的计算方法对于规则连续长堵塞有较好检测精度，对于不规则的复杂堵塞例如水堵等在堵塞长度及堵塞率的检测精度上有待提高，这是下一步要解决的问题。