CN106352246B - 管道泄漏检测定位实验系统及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种科研实验系统，尤其是一种管道泄漏检测定位实验系统及其检测方法，用于实现不同泄漏检测方法对长距离输送气体、液体管道的泄漏检测及定位实验。包括输送管道、介质输送装置、负压波检测装置和声发射检测装置；介质输送装置包括输送管道、介质容器、稳压罐、水泵、油泵、水箱出口流量计、水箱入口流量计、油罐出口流量计、油罐入口流量计、氮气瓶出口阀、水箱出口阀和油罐出口阀；输送管道折弯处采用U型管道，其余部分为直线管段；负压波检测装置包括压力传感器、电磁流量计、数据采集卡和计算机；声发射检测装置包括声发射传感器、信号前置放大器、声发射检测仪和计算机；声发射检测仪对信号进行处理并将其传输至计算机进行分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种科研实验系统，尤其是一种管道泄漏检测定位实验系统及其检测方法，用于实现不同泄漏检测方法对长距离输送气体、液体管道的泄漏检测及定位实验。
背景技术
目前，管道运输是现代五大运输方式之一，相比其他四种（公路、水路、铁路、航空）运输方式，它具有高效、安全、便于管理等诸多优点。管道运输是一种连续运输方式，运输效率高；管道一般埋于地下，不受外界环境条件的影响；管道运输一般不产生环境污染和噪声污染且运输成本低。管道运输在石油化工、天然气以及其他流体输送中占有重要的地位。截至2015年底，据不完全统计，我国已建成的油气输送管线总长度超过100000千米。伴随着管线里程的增加，管道设备老化，管道壁面腐蚀，地质条件变化（如地质运动、水灾、地震等）以及人为原因（如施工、盗挖、恐怖袭击等）导致的管道泄漏事故逐年增多。
管道一旦出现泄漏，泄漏出来的输送介质（如原油、天然气）不仅仅会造成巨大的经济损失，还会对管道周边的生态环境造成污染，同时，如果泄漏物具有易燃易爆性，还可能引起火灾甚至爆炸，造成巨大人员财产损失，产生不良社会影响。例如2013年青岛市“11.22”中石化东黄输油管道泄漏爆炸事件，就是由于输油管线破裂，原油泄漏至雨水管道及海面，并且在抢修作业过程中被点燃，发生多起爆燃及火灾，此次事件造成63人死亡，9人失踪，156人受伤。
目前，管道泄漏检测及定位技术形成了较为成熟的理论体系，但是国内应用到实际管线上面的管道泄漏检测及定位技术较先进理论体系有滞后性。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足之处提供一种管道泄漏检测定位实验系统及其检测方法，本发明目的旨在解决三个问题：1.对新的管道泄漏检测及定位理论技术应用在实际管线上的可行性进行研究；2.对已开发出的成套检测定位设备进行测试实验，评价其性能指标；3.开发集成多种管道泄漏检测定位技术的多功能实验平台，用于对比各种检测定位技术的优劣，从而对管道泄漏检测定位技术进行改进。
本发明一种管道泄漏检测定位实验系统及其检测方法是采取以下技术方案实现：
一种管道泄漏检测定位实验系统，包括输送管道、介质（水、油、氮气）输送装置、负压波检测装置和声发射检测装置。介质输送装置包括输送管道、介质容器（氮气瓶、水箱、油罐）、稳压罐、水泵、油泵、水箱出口流量计、水箱入口流量计、油罐出口流量计、油罐入口流量计、氮气瓶出口阀、水箱出口阀、油罐出口阀；输送管道折弯处采用U型管道，其余部分为直线管段，通过打开不同介质的输入阀门，使管道可以输入气体做气体介质实验，也可以放空气体输入水或油来做液体介质实验。介质容器安装在管道入口处，稳压罐安装在管道出口处，在氮气钢瓶与输送管道之间设置有阀门，在水箱与输送管道之间依次设置有阀门、流量计和水泵，在油罐与输送管道之间设置有阀门、流量计和油泵。压力泵将液体试验介质（水、油）输送至管道起点，在管道终点通过软管将介质再回流至容器内，形成循环流动，在管道出口还设有稳压罐，能够保证管道内的压力平稳。所述的介质容器设置有氮气瓶、水箱、油罐。
负压波检测装置包括压力传感器、电磁流量计、数据采集卡、计算机，在管道入口和出口处分别设置有压力传感器和流量计，压力传感器和流量计的输出端与数据采集卡的输入端相连，数据采集卡的输出端与计算机相连，数据采集卡能够采集传感器和流量计的信号，并将信号传输至计算机进行分析处理。
声发射检测装置包括声发射传感器、信号前置放大器、声发射检测仪和计算机，在管道入口和出口处分别设置有声发射传感器，声发射传感器的输出端与前置放大器的输入端相连，前置放大器的输出端与声发射检测仪输入端相连，声发射检测仪输出端与计算机相连，声发射传感器的信号通过前置放大器放大后输送给声发射检测仪，声发射检测仪对信号进行处理并将其传输至计算机进行分析。
所述实验管道为DN100无缝钢管，管道被安装在底部带有轮子的支架上，支架采用的是等边角钢。管道系统总高度为2.2m，总长度为100m，另外还有两根1m长的DN50和DN200的无缝钢管，用于换下管道中某一段来测量管道变径对信号的影响。
为了模拟实际泄漏场景，该管道泄漏检测定位实验系统提供一种泄漏模拟方式，即将带有控制阀的一段直管道换在管道中的任意可替换管节处，控制阀后端上安装有涡轮流量计，这样可以模拟管道在不同位置泄漏的情况，达到对多点泄漏的模拟结果。其次，通过调节控制阀的开度可以模拟不同大小的泄漏孔，泄漏流量可以直接从控制阀后端的流量计直接读出，从而可以测量泄漏孔大小对泄漏信号的影响。
压力传感器采用的是MIK-P300压力变送器，其量程为-0.1~1000bar，精度为0.3、0.5级，所述压力传感器和电磁流量计的数据通过YAV 16AD系列USB数据采集卡进行数据采集、传输，采集到的数据上传至计算机进行存储与处理。YAV 16AD系列USB数据采集卡质量稳定可靠，能在抑制干扰、高速采样、智能控制、数据组合等方面发挥出色作用，能够确保上传数据的稳定性，可以较好地完成实时数据处理、连续快速采集存盘等工作。所述声发射检测装置包括SR40M声发射传感器、PAI前置传感器、SAEU2S-1016-10型声发射检测仪。传感器感应信号通过前置放大器将信号放大并传输到声发射检测仪，声发射检测仪对波形信号进行处理，并将频域及功率谱参数实时输出至计算机，实现连续在线监测，SAEU2S-1016-10型声发射检测仪采用USB2.0通讯接口，内置5张卡，单卡2个独立声发射通道，每通道独立16bitAD精度，10MHz采样速率。
一种管道泄漏检测定位实验系统的检测方法，其步骤如下：
（1）首先根据管道泄漏检测定位实验系统结构组装好实验系统，检查各种部件的线路，确保连接良好，检查装置气密性；
（2）将带有控制阀的管段换在该管道系统的某一直线管段；
（3）开启容器出口处的阀门，开启压力泵将实验介质打入到管道里，并打开容器介质回收处的阀门，使介质循环流动；
（4）当管道内充满介质后，首先打开计算机，计算机装有信号处理模块LabVIEW，计算机获取管道两端的压力和流量信号，此时的信号为正常时的信号，然后打开控制阀开关，观察控制阀后端的流量计的示数，可以计算一定时间内泄漏量，控制阀开启后获取此时的压力和流量信号，通过传感器测得信号传输至管道两端所用的时间以及信号在管道中的传播速度，根据信号传输至管道两端的时间差采用负压波分析进行泄漏定位；
（5）类似地，在采用声发射方法检测时，先打开声发射分析仪和计算机的信号处理模块LabVIEW，在打开控制阀开关后，声发射传感器能够感知泄漏产生的声波并将信号传输至前置处理器对信号进行放大，放大后的信号传输至声发射检测仪，声发射检测仪能够对信号进行各种谱分析、小波分析、模式识别，再在计算机中进行处理，根据时差定位法可以确实泄漏位置；
（6）通过负压波分析方法和声发射检测方法计算泄漏的具体位置，并与实际泄漏位置进行对比，得出误差大小，然后更换泄漏位置，测出多组数据，得出实验误差；
（7）然后将DN50管段和DN200管段两个变径管道换到管道中某段， 然后重复上述方法，分析变径对管道泄漏定位检测的影响。
所述的信号处理模块采用LabVIEW模块。
一种管道泄漏检测定位实验系统用于水、油、气输送管道泄漏检测及定位。
本发明的有益效果是，本发明的管道泄漏检测定位实验系统，能够实现对部分输送管道运行参数的采集，能够实现采用多种泄漏检测方法（如负压波法、声发射泄漏检测法等）研究泄漏工况下管道运行参数的变化情况，同时，通过换上不同管径的管段也可以实现由于管径变化对参数影响的检测；S型管道折弯处采用U型管连接，相比于常见的直管管道系统，该系统可以研究弯管对于泄漏波传播的影响。该实验系统适用于工业或城市高、中、低压、长距离直线管道和弯管道的泄漏检测定位实验。
附图说明
下面结合附图和具体实验例对本发明进一步说明。
图1是本发明的管道泄漏检测定位实验系统的结构示意图。
图2是本发明的实验管道主视图。
图3是本发明的实验管道侧视图。
图4是本发明的带有控制阀的管段的剖面图。
图5是本发明的DN50管段的剖面图。
图6是本发明的DN100管段的剖面图。
图7是本发明的相关分析法确定泄漏位置的方法示意图。
图中的1是氮气钢瓶、2是水箱、3是油罐、4是输送管道、5是U型管段、6是带控制阀管段、7是电磁流量计、8是压力传感器、9是声发射传感器、10是前置放大器、11是声发射检测仪、12是数据采集卡、13是计算机、14是管道支架、15是稳压罐、16是氮气瓶出口阀、17是水泵、18是水箱出口流量计、19是水箱出口阀、20是水箱入口流量计、21是油泵、22是油罐出口流量计、23是油罐出口阀、24是油罐入口流量计、25是DN50管段、26是DN200管段、27是控制阀、28是控制阀后端的流量计。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限于本发明的范围。
参照附图1-7，一种管道泄漏检测定位实验系统，包括输送管道、介质（水、油、氮气）输送装置、负压波检测装置和声发射检测装置。介质输送装置包括输送管道（4）、介质容器（氮气瓶（1）、水箱（2）、油罐（3））、稳压罐（15）、水泵（17）、油泵（21）、水箱出口流量计（18）、水箱入口流量计（20）、油罐出口流量计（22）、油罐入口流量计（24）、氮气瓶出口阀（16）、水箱出口阀（19）、油罐出口阀（23）；输送管道折弯处采用U型管道（5），其余部分为直线管段，通过打开不同介质的输入阀门，使管道可以输入气体做气体介质实验，也可以放空气体输入水或油来做液体介质实验。介质容器安装在管道入口处，稳压罐（15）安装在管道出口处，在氮气钢瓶（1）与输送管道（4）之间设置有阀门（16），在水箱（2）与输送管道（4）之间依次设置有阀门（19）、流量计（18）和水泵（17），在油罐（3）与输送管道（4）之间设置有阀门（23）、流量计（22）和油泵（21）。压力泵将液体试验介质（水、油）输送至管道起点，在管道终点通过软管将介质再回流至容器内，形成循环流动，在管道出口还设有稳压罐（15），能够保证管道内的压力平稳。所述的介质容器设置有氮气瓶（1）、水箱（2）、油罐（3）。
负压波检测装置包括压力传感器（8）、电磁流量计（7）、数据采集卡（12）、计算机（13），在管道入口和出口处分别设置有压力传感器（8）和流量计（7），压力传感器（8）和流量计（7）与数据采集卡（12）的输入端相连，数据采集卡（12）的输出端与计算机（13）相连，数据采集卡（12）采集传感器（8）和流量计（7）的信号，并将信号传输至计算机（13）进行分析处理。
声发射检测装置包括声发射传感器（9）、信号前置放大器（10）、声发射检测仪（11）和计算机（13），在管道入口和出口处分别设置有声发射传感器（9），声发射传感器（9）与前置放大器（10）的输入端相连，前置放大器（10）的输出端与声发射检测仪（11）输入端相连，声发射检测仪（11）输出端与计算机（13）相连，声发射传感器（9）的信号通过前置放大器（10）放大后输送给声发射检测仪（11），声发射检测仪（11）对信号进行处理并将其传输至计算机（13）进行分析。
一种管道泄漏检测定位实验系统用于水、油、气输送管道泄漏检测及定位。
所述实验管道为DN100无缝钢管，管道被安装在底部带有轮子的支架（14）上，支架（14）采用的是等边角钢。管道系统总高度为2.2m，总长度为100m，另外还有两根1m长的DN50（25）和DN200（26）的无缝钢管，用于换下管道中某一段来测量管道变径对信号的影响。
为了模拟实际泄漏场景，该管道泄漏检测定位实验系统提供一种泄漏模拟方式，即将带有控制阀（27）的一段直管道（6）换在管道中的任意可替换管节处，控制阀后端安装有涡轮流量计（28），这样可以模拟管道在不同位置泄漏的情况，达到对多点泄漏的模拟结果。其次，通过调节控制阀（27）的开度可以模拟不同大小的泄漏孔，泄漏流量可以直接从控制阀后端的流量计（28）直接读出，从而可以测量泄漏孔大小对泄漏信号的影响。
压力传感器（8）采用的是MIK-P300压力变送器，其量程为-0.1~1000bar，精度为0.3、0.5级，所述压力传感器（8）和电磁流量计（7）的数据通过YAV 16AD系列USB数据采集卡（12）进行数据采集、传输，采集到的数据上传至计算机（13）进行存储与处理。YAV 16AD系列USB数据采集卡（12）质量稳定可靠，能在抑制干扰、高速采样、智能控制、数据组合等方面发挥出色作用，能够确保上传数据的稳定性，可以较好地完成实时数据处理、连续快速采集存盘等工作。所述声发射检测装置包括SR40M声发射传感器（9）、PAI前置传感器（10）、SAEU2S-1016-10型声发射检测仪（11）。传感器感应信号通过前置放大器（10）将信号放大并传输到声发射检测仪（11），声发射检测仪（11）对波形信号进行处理，并将频域及功率谱参数实时输出至计算机（13），实现连续在线监测，SAEU2S-1016-10型声发射检测仪（11）采用USB2.0通讯接口，内置5张卡，单卡2个独立声发射通道，每通道独立16bitAD精度，10MHz采样速率。
一种管道泄漏检测定位实验系统的检测方法，其步骤如下：
首先根据管道泄漏检测定位实验系统结构示意图所示组装好实验系统，检查各部件之间的线路，确保连接良好，检查装置的气密性，然后分别做以氮气、水和油为介质的实验。在用负压波进行检测定位时，将带有控制阀的管段（6）换在该管道系统的某一直线管段，先打开氮气瓶（1）的阀门（16）使氮气进入输送管道内，待管道内充满氮气时，打开计算机，计算机装有信号处理模块LabVIEW，计算机获信号处理软件获取管道两端的压力和流量信号，此时的信号为正常的信号，然后打开管道上控制阀（27）开关，观察控制阀后端流量计（28）的示数，可以计算一定时间内泄漏量，控制阀（27）开启后获取此时的压力和流量信号，测得的信号传输至管道两端所用的时间以及信号在管道中的传播速度，根据信号传输至管道两端的时间差采用负压波分析进行泄漏定位。实验完毕后关闭氮气瓶（1）的阀门，放空管道内的氮气，然后打开水箱（2）的出口阀门（19）和水泵（17），也可以打开油罐的出口阀门（23）和油泵（21），做液体介质的实验，实验步骤如上所述。
在采用声发射检测法时，以水为介质为例，打开水箱（2）的出口阀门（19）和水泵（17），使水在输送管道（4）内循环流动，然后打开声发射分析仪（11）和计算机（13）的信号处理模块，在打开控制阀（27）开关后，声发射传感器（9）能够感知泄漏产生的声波并将信号传输至前置处理器（10）对信号进行放大，放大后的信号传输至声发射检测仪（11），声发射检测仪（11）能够对信号进行各种谱分析、小波分析、模式识别，再在计算机（13）中进行处理，根据时差定位法可以确实泄漏位置。
通过负压波分析方法和声发射检测方法计算泄漏的具体位置，并与实际泄漏位置进行对比，得出误差大小，然后更换泄漏位置，测出多组数据，得出实验误差；然后将DN50管段（25）和DN200管段（26）两个变径管道换到管道中某段，然后重复上述方法，分析变径对管道泄漏定位检测的影响。
所述的信号处理模块采用LabVIEW模块。
具体地，以负压波检测方法和声发射检测方法为例进行说明：
负压波检测方法：当管线破裂发生泄漏时（在本实验装置中即打开控制阀使介质流出，控制阀所在处为泄漏点），泄漏点压力突降产生的瞬态负压波沿管壁由泄漏处向输送管道上、下游传播，通过传感器测得负压波通过上下游测量点的时间差以及负压波在管线中的传播速度，可以确定泄漏位置，再利用相关分析、小波变换、模式识别等数据处理方法，可准确识别泄漏并精准定位。
图6是相关分析法确定泄漏位置的方法示意图，对管道上下游压力P1、P2压力信号的相关处理如下：
(1)
其中，L为P1、P2之间的距离，a为负压波传播速度。
相关函数在没有发生泄漏时维持相对恒定，当泄漏发生时，R(r)将发生变化，当变化量达到一定数值时，则认为发生了泄漏。t1、t2分别为负压力波到达P1、P2点的时间，当r=t1－ t2时，R(r)将达到最大值，即
(2)
在理论上：
(3)
泄漏点与P2之间的距离为：
(4)
声发射检测方法：当管道发生泄漏时（在本实验装置中即打开控制阀使介质流出，控制阀所在处为泄漏点），在泄漏点处存在管道内外压差，在管壁上会形成高频应力波，该应力波携带着泄漏点的信息向管道两端传播，声发射传感器能够感知这一信号，并将其传至前置放大器对信号进行放大，前置放大器再将放大后的信号传输至声发射检测仪，声发射检测仪能够对信号进行各种谱分析、小波分析、模式识别，再在计算机中进行处理，根据时差定位法可以确实泄漏位置。
Claims (4)
1.一种管道泄漏检测定位实验系统，其特征在于：包括介质输送装置、负压波检测装置和声发射检测装置；
介质输送装置包括输送管道、介质容器、稳压罐、水泵、油泵、水箱出口流量计、水箱入口流量计、油罐出口流量计、油罐入口流量计、氮气瓶出口阀、水箱出口阀和油罐出口阀；输送管道折弯处采用U型管道，其余部分为直线管段，通过打开不同介质的输入阀，使管道可以输入气体做气体介质实验，也可以放空气体输入水或油来做液体介质实验，介质容器安装在管道入口处，所述的介质容器设置有氮气瓶、水箱、油罐；在氮气瓶与输送管道之间设置有氮气瓶出口阀，在水箱与输送管道之间依次设置有水箱出口阀、水箱出口流量计和水泵，在油罐与输送管道之间设置有油罐出口阀门、油罐出口流量计和油泵；水泵、油泵分别将液体试验介质输送至管道起点，在管道终点通过软管分别将介质再回流至水箱、油箱内，形成循环流动，在管道出口还设有稳压罐，能够保证管道内的压力平稳；
负压波检测装置包括压力传感器、电磁流量计、数据采集卡和计算机；在管道入口和出口处均分别设置有压力传感器和电磁流量计，压力传感器和电磁流量计的输出端与数据采集卡的输入端相连，数据采集卡的输出端与计算机相连，数据采集卡能够采集传感器和电磁流量计的信号，并将信号传输至计算机进行分析处理；
声发射检测装置包括声发射传感器、信号前置放大器、声发射检测仪和计算机；在管道入口和出口处分别设置有声发射传感器，声发射传感器的输出端与信号前置放大器的输入端相连，信号前置放大器的输出端与声发射检测仪输入端相连，声发射检测仪输出端与计算机相连，声发射传感器的信号通过信号前置放大器放大后输送给声发射检测仪，声发射检测仪对信号进行处理并将其传输至计算机进行分析；
该管道泄漏检测定位实验系统提供一种泄漏模拟方式，即将带有控制阀的一段直管道换在管道中的任意可替换管节处，控制阀后端上安装有流量计，这样模拟管道在不同位置泄漏的情况，达到对多点泄漏的模拟结果，其次，通过调节控制阀的开度模拟不同大小的泄漏孔，泄漏流量直接从控制阀后端的流量计直接读出，从而测量泄漏孔大小对泄漏信号的影响。
2.根据权利要求1所述的管道泄漏检测定位实验系统，其特征在于：所述输送管道为DN100无缝钢管，管道被安装在底部带有轮子的支架上，支架采用的是等边角钢，输送管道总高度为2.2m，总长度为100m，另外还有两根1m长的DN50和DN200的无缝钢管，用于换下管道中某一段来测量管道变径对信号的影响。
3.权利要求1所述的管道泄漏检测定位实验系统的检测方法，其特征在于：步骤如下：
（1）首先根据管道泄漏检测定位实验系统结构组装好实验系统，检查各种部件的线路，确保连接良好，检查装置气密性；
（2）将带有控制阀的管段换在输送管道的某一直线管段；
（3）开启容器出口处的阀门，将实验介质打入到管道里，并打开容器介质回收处的阀门，使介质循环流动；
（4）当管道内充满介质后，首先打开计算机，计算机装有信号处理模块，计算机获取管道两端的压力和流量信号，此时的信号为正常时的信号，然后打开控制阀开关，观察控制阀后端的流量计的示数，计算一定时间内泄漏量，控制阀开启后获取此时的压力和流量信号，通过传感器测得信号传输至管道两端所用的时间以及信号在管道中的传播速度，根据信号传输至管道两端的时间差采用负压波分析进行泄漏定位；
（5）类似地，在采用声发射方法检测时，先打开声发射分析仪和计算机的信号处理模块，在打开控制阀开关后，声发射传感器能够感知泄漏产生的声波并将信号传输至信号前置放大器对信号进行放大，放大后的信号传输至声发射检测仪，声发射检测仪能够对信号进行各种谱分析、小波分析、模式识别，再在计算机中进行处理，根据时差定位法可以确实泄漏位置；
（6）通过负压波分析方法和声发射检测方法计算泄漏的具体位置，并与实际泄漏位置进行对比，得出误差大小，然后更换泄漏位置，测出多组数据，得出实验误差；
（7）然后将DN50管段和DN200管段两个变径管道换到管道中某段，然后重复上述方法，分析变径对管道泄漏定位检测的影响。
4.根据权利要求3所述的管道泄漏检测定位实验系统的检测方法，其特征在于：所述的信号处理模块采用LabVIEW模块。
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