压力脉冲波法复杂天然气管道堵塞检测实验研究*

孙中旺，闫科乐，储佳伟，刘卫国，杨 磊，赵佳飞

(1.大连理工大学 能源与动力学院，辽宁 大连 116024；2.中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，山东 青岛 266071)

0 引言

随着我国能源供给结构的转变以及对清洁能源的需求增加，天然气在当今化石燃料市场上占据优势，运输天然气最快捷、最可行的方式是通过管道[1-2]。从海底开采出的天然气携带有沙砾、水及凝析油等杂质，输运过程中，这些杂质的不断堆积会形成固体沉积，随着输运里程的增加，沉积物的累计会加剧管道堵塞[3]。大量堵塞可能导致深水开发中管道破裂等灾难性事件，造成重大安全事故，威胁人身安全[4]。因此，当管道形成堵塞时，需要快速精准定位堵塞位置，采取合适的解堵措施，保障管道安全运行[5-6]。

目前，国内外研究者已经提出了一些不同的管道堵塞检测方法和技术。Watanabe等提出了利用声波技术检测管道泄漏位点，通过在管道内2个终端检测到的信号的声波脉冲响应来估计管道的泄漏点[7-8]；随后，Koyama等将该方法扩展到管道堵塞和堵塞程度的检测上[9]；接着，Sharp等研究了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还是急需解决的问题[10]。Scott等提出的利用背压法检测天然气管道堵塞，可以确定堵塞面积，但不能得到堵塞位置及长度[11]。为解决这一问题，Liu和Scott等将背压法与特性曲线法结合，可对非完全堵塞位置进行估算[12]。

近年来，基于瞬态分析的压力波脉冲法也被广泛研究[13-14]。Gudmundsson等在输水管道中利用快速关闭阀门产生水击脉冲压力波，通过压力波反射信号可以检测到管路内由水合物沉积堵塞造成的管径变化，并分析管内流动状态[15-16]。Sebastian开发的用于预测气液两相管道流动的压力波传播特性的模型表明，压力波检测堵塞的能力受到摩擦系数、管径、管内流速以及声速的影响[17]。Adeleke等开发出一种快速定位堵塞位置以及准确判断堵塞程度的理论模型，其发现黏性阻力是影响准确检测堵塞程度的关键因素，但是对堵塞段定位及堵塞长度检测影响不大[18-19]。为验证压力脉冲波法检测管道堵塞的有效性，Chu等搭建了长为220 m的压力波堵塞检测实验管路平台，并模拟管道堵塞进行检测，实验结果证明该方法可有效地检测长距离输运管路堵塞位置、堵塞长度及堵塞面积[20-21]。

目前，对压力脉冲波在复杂管道中的传播特性及堵塞检测研究很少，但这又是该技术现场化应用不可避免的问题。因此为了解决这一问题，本文改造搭建一条长18.1 m的压力波法复杂管道堵塞检测实验管路，利用闸板阀模拟堵塞，结合FFT谐波分析技术，对堵塞定位检测，并检验该技术是否适用于低含水气液混输管道。以验证利用压力脉冲波法检测复杂天然气管道堵塞的可行性，为该技术在现场应用提供数据依据和工程支撑。

1 实验系统及实验方法

1.1 实验系统

图1所示为复杂管路压力波法堵塞检测实验装置和实验流程图。该装置主要由注气系统、注液系统、压力脉冲波产生系统、主体管路系统、单点堵塞系统、数据测量及采集系统6部分组成。

图1 压力波法堵塞检测实验装置照片及流程Fig.1 Pictures and procedure of blockage detection experimental device with pressure wave method

注气系统由空气压缩机及储气罐组成，利用空气作为系统气源。注液系统由储液罐与蓄水池组成，作为系统水源。压力脉冲波产生系统的核心部件是1个快速闭合电磁阀，当其迅速工作时，在短时间内将管道中的部分流体释放到大气中，并在管道入口产生1段压力脉冲波，随后，脉冲波向主体管道传播。管路系统采用不锈钢材料，管道直径为100 mm，包含17个三通结构，其中盲端1与电磁阀之间的管道长为8.25 m；盲端2与电磁阀之间的管道长为18.58 m。单点堵塞系统由距电磁阀8.89 m的闸板阀组成，可根据实验要求通过调节闸板阀开度以模拟不同堵塞率。数据测量及采集系统由1个动态压力传感器D1、1个静态压力传感器、1个高速数据采集卡及1个工业电脑组成，静压传感器用于记录管道内的静态压力；动态压力传感器用于记录由电磁阀快速闭合产生的瞬态动态压力；利用高速数据采集卡获取这些传感器的实验数据，并利用Labview数据采集程序进行同步记录。

1.2 实验步骤及方法

1) 检查气密性。闸板阀全开，保持管路通畅，关闭电磁阀。利用注气系统向管路注气并加压到0.5 MPa，关闭单向阀，检查管路气密性。

2)加压到实验压力。确认管路气密性良好后，打开单向阀继续注气到实验压力1.5 MPa，随后关闭注气系统。

3)数据测量及采集。打开数据测量及采集系统，控制电磁阀快速开闭，产生压力脉冲波，随后打开数据测量，采集压力波信号。当压力脉冲波沿管道传播直至振幅衰减为0时，完成实验。

4)气液混输管道堵塞检测。先利用注液系统向管路注入实验所需含水量，然后继续向管路中注气并加压到0.5 MPa检查气密性，随后重复上述实验步骤。

2 实验结果与分析

2.1 闸板阀全关(100%堵塞率)

首先将闸板阀全关，探究压力脉冲波在复杂管道的传播特性，实验结果如图2所示。图2中为数据采集卡采集到的原始信号，横坐标为压力波在管道内的传播时间，纵坐标为动态压力。由图2可知，在复杂管道中采集到的是无规律的高低频混叠压力信号，随着压力波在管道内的传播，高频信号逐渐衰减直至消失，且衰减速度高于低频信号。但对于长距离输运管道堵塞检测而言，所得到的压力波信号仅为单峰低频信号[21]。

图2 100%堵塞率时堵塞检测原始信号Fig.2 Original signals of blockage detection at 100% blockage rate

本文实验中，电磁阀发射的低频负压波沿着管道连续传播，当遇到三通结构时会发生反射和透射。由于三通截面积由小变大，引起的反射波为正压波，反射波的频率发生变化，形成高频波；引起的反射波逆向传播到管道入口，再次反射。而三通引起的透射波仍为负压波，沿管道继续传播，遇到盲端/堵塞时会引起反射负压波。这些反射波逆向传播时仍会经过三通结构并引起透射负压波和反射正压波，随后继续传播到管道入口处再次反射。因此，压力波在管道入口和堵塞点之间来回传播反射，直至衰减为0。在管道入口至堵塞点之间分布着9个不同位置的三通结构，靠近电磁阀的三通优先产生反射波，随着透射波的继续传播，后面的三通陆续产生反射波。

不同位置的三通产生的反射高频正压波由于时间差会相互叠加，增强振幅；盲端及堵塞点产生的反射低频负压波也会相互叠加，导致反射波振幅大于入射波；同时低频压力波和高频压力波的叠加，产生高低频混叠信号。

压力波在管道内的多次反射和透射，使高频信号迅速衰减；同时频率越高，衰减系数越高，衰减也越快。考虑到入射波振幅较小，随着传播过程的衰减振幅逐渐降低，压力波能量下降，导致采集后期只有明显的低频压力波信号。

由原始信号可知，信号采集受噪声影响较小，主要干扰信号由管道内三通结构引起。为确定三通所产生的高频信号的频率范围，采用FFT谐波变换法对原始信号进行不同频率的低通滤波分析[22-23]，所得信号频谱图如图3所示，图3(a)，(b)，(c)分别代表100 Hz、150 Hz及200 Hz低通滤波变换后的信号频谱。由图3(a)可知，100 Hz滤波后的动压信号曲线较为平滑，高频信号均被过滤，因此所发射的入射波频率低于100 Hz。对比3种不同的滤波信号，发现在100 Hz与150 Hz低通滤波后的信号曲线相差无几，而200 Hz滤波变换后仍保留大量高频信号，因此三通产生的反射高频压力波频率集中在150～200 Hz之间。

图3 100%堵塞率时FFT不同频率低通滤波信号Fig.3 FFT low-pass filtered signals with different frequencies at 100% blocking rate

为定位堵塞点，对FFT 150 Hz低通滤波信号频谱图进行放大分析，如图4所示。P1为动压传感器D1测得的入射波；P2为D1测得的盲端1反射波，由于盲端1与电磁阀之间的三通产生的反射正压波与盲端1产生的反射负压波相互叠加，导致P2振幅远小于P1振幅；而P3为D1测得的堵塞点反射波，由于堵塞点产生的反射波与三通盲端产生的反射波叠加，使得P3振幅大于P1振幅。

图4 100%堵塞率时FFT 150 Hz低通滤波信号放大图Fig.4 Magnification of FFT 150 Hz low-pass filtered signals at 100% blocking rate

堵塞点位置计算公式如式(1)所示：

(1)

式中：L为堵塞点至D1间的计算距离,m；C为当地声速，本文均取340 m/s；T1表示入射波时间,s；T′表示所计算的堵塞点反射波时间,s。

由式(1)得，盲端1距D1计算距离为7.66 m，而实际距离为7.75 m，因此，盲端1的定位误差为1.11%。同理，根据P1与P3的时间差T1和T3，得到堵塞点至D1之间的计算距离为8.48 m，而实际距离为8.39 m，因此,堵塞点定位误差为1.07%，误差均在允许范围内。

由上述实验结果可知，利用压力波法定位复杂管道堵塞，外界干扰信号较小时，采用FFT谐波变换方法对采集到的高低频混叠原始信号进行处理，同时在150 Hz滤波频率下得到的频谱信号更利于对堵塞进行定位。

2.2 闸板阀部分打开(不同堵塞率)

随后进行堵塞率分别为93%，85%，70%和50%的4组堵塞检测实验，以验证不同堵塞率下的堵塞定位效果及差异，实验结果如图5所示。实验过程中，入射波遇到堵塞之后，会产生反射波和透射波，均为负压波；透射波穿过堵塞段，沿管道继续传播到盲端2处，并反射。

图5 不同堵塞率时堵塞检测原始信号Fig.5 Original signals of blockage detection at different blockage rates

采用FFT 150 Hz低通滤波对不同堵塞率原始信号进行分析，结果如图6所示。从图6中可以看出在不同堵塞率时压力波振幅衰减速率有差异，在堵塞率85%及93%时衰减速率较快，其中85%堵塞率衰减最快，而当堵塞率70%及以下时，振幅衰减速率较慢。这是因为在堵塞百分比很高时，堵塞产生的入射波的反射率高，透射率低，此时反射波和透射波在管道内会来回反射，高堵塞率增加反射次数，衰减快；同时闸板阀结构会改变压力波相位，导致入射波和反射波的相互叠加改变振幅，加快信号的衰减。

图6 不同堵塞率时FFT 150 Hz低通滤波信号Fig.6 FFT 150 Hz low-pass filtered signals at different blocking rates

图7为不同堵塞率时150 Hz低通滤波信号放大图。图7中，P1为入射波，P2为堵塞产生的反射波，P3为盲端2产生的反射波。堵塞及盲端2位置计算结果如表1所示。由表1可知，不同堵塞率下堵塞位置预测均较为准确，最大误差1.93%。盲端2位置预测在堵塞率85%时预测不够准确，误差达到3.53%，可能与反射波相互叠加导致的振幅快速衰减有关，其他堵塞率时盲端2定位均较为准确。

图7 不同堵塞率时FFT 150 Hz低通滤波信号放大图Fig.7 Magnification of FFT 150 Hz low-pass filtered signals at different blocking rates

表1 不同堵塞率时堵塞及盲端2定位结果及误差Table 1 Location results and errors of blockage and blind flange 2 at different blocking rates

2.3 气液混输管道堵塞检测

实际工程中，天然气输运管道内含有少量的水，形成气液混输工况。为了检验压力波堵塞检测技术是否适用于气液混输管道，本文利用实验管道进行1.5 MPa下，管道含水量8%，堵塞率100%的堵塞定位实验，结果如图8所示，其中，图8(a)为原始信号，图8(b)为FFT 150 Hz低通滤波信号。

由图8可得，气液混输管道内压力波传播特性与输气管道差异明显。对于气液混输管道，入射波快速衰减，并且管内长期处于负压状态，产生这种现象的原因主要有以下3方面：

图8 100%堵塞率时气液混输管道堵塞检测信号Fig.8 Detection signals of gas-liquid mixed transportation pipeline at 100% blockage rate

1)对于输气管道，假设管内的任一界面均为理想界面，压力波在管道内传播遇到理想界面后为全反射，不存在折射。而汽液混输管道底部有一层液体，入射波到达汽水界面后不会完全反射，有一部分压力波折射进水相，然后又会从水相折射回气相，与原来的压力波相互叠加，消耗了能量。

2)底部水层受到剧烈压力波动后，产生强烈震荡，导致部分压力波能量转化为水的动能，进一步消耗能量，加快振幅衰减。

3)堵塞产生的反射负压波峰值高，与三通产生的正压波叠加后仍然为负压波。同时，在压力波动瞬间，管道内外强烈的压差促进汽水界面的水层的激溅，分裂成为多个液滴，并且液滴迅速雾化，形成的小水珠分布在管内各层空间中，由于水珠的拖曳力延缓管道压力的恢复，造成管内长期处于负压状态，随着时间的推移，压力恢复速率变慢，恢复时间增加。

对图8(b)的信号进行放大，如图9所示。其中，P1为入射波，P2为盲端1产生的反射波，P3为堵塞产生的反射波。根据堵塞计算理论得到堵塞段定位误差为0.48%，盲端1的定位误差为1.94%。说明压力波堵塞检测技术适用于气液混输管道。

图9 100%堵塞率下气液混输管道FFT 150 Hz低通滤波信号放大图Fig.9 Magnification of FFT 150 Hz low-pass filtered signals at 100% blocking rates of gas-liquid mixed transportation pipeline

3 结论

1)基于压力波法定位复杂天然气管道堵塞时，对采集到的无规律高低频混叠动压信号进行FFT谐波变换分析，发现三通导致的高频信号的频率集中在150～200 Hz之间，同时，外界干扰信号较小时，采用150 Hz低通滤波频率所得到的频谱信号最好，更利于对堵塞定位分析。

2)实验结果表明，100%堵塞率下，堵塞定位误差为1.07%；在堵塞率50%时，堵塞定位误差最大达到1.93%，而在堵塞率85%时盲端2定位误差最大，达到3.53%。另外对于含液率8%的气液混输管道，由于管内液滴雾化的影响，所采集到的压力波信号与输气管道有较大差异，此时，100%堵塞率时定位误差为0.48%，亦可实现精准定位。

3)实验结果表明，压力脉冲波法可以快速、精准地检测复杂管道堵塞，也适用于气液混输管道，具有较好的可靠性与实用性。但在工程现场，电磁环境更加复杂，信号干扰更明显，下一步将提高传感器抗干扰能力和信号去噪能力；同时，不同位置及不同种类的堵塞定位会有所差异，因此，爬/降坡管道以及流动管道堵塞定位，也是下一步研究重点。