CN1262433A - 对自动的泄漏监测的温度补偿 - Google Patents

Abstract

一种用于检测带有已知的流体的一管的一隔离段中的泄漏的设备,包括:一用于在该管中生成压力脉冲的机构,所述生成机构适合于连接至该管;一用于感测该管中该脉冲的反射的机构;一用于感测该管中的压力的压力传感器,所述压力传感器适合于连接至该管;及一用于确定该管中流体的压力是否已消极地与该管中流体的压力—温度关系所期望的压力不一致的机构。

Description

对自动的泄漏监测的温度补偿

本发明涉及根据与管线中流体的一期望的压力-温度关系不一致的压力，对管线中的泄漏检测。

为保护环境，制定了相关的规定以确保从地下管线泄漏危险材料被及时地检测到以限制泄漏量。这样一程序是环境保护机构(Environmental Protection Agency)程序，“EPA-用于估定泄漏检测方法的标准测试程序：管线泄漏检测系统”。该程序要求小至在10磅/平方英寸管路压力下的3加仑/小时(gph)的泄漏必须被检测到。

在某些情况下，泄漏检测的实用的方法是在静态条件下对管线增压(也就是说，关闭各端的阀门，从而防止流过管线)且然后监视一适当周期内的管路压力以检测泄漏。该方案可被称之为“压力衰减”法。假定在今日可得到精确的压力传感器，能够通过监测由泄漏引起的压力衰减来检测小至在10磅/平方英寸管路压力下的3加仑/小时的泄漏。该压力衰减法要求管线温度保持恒定或在该段管线上的温度的变化被计算出。由于温度的轻微变化也可引起压力衰减，压力衰减可被错误地认为是泄漏，要求温度稳定或进行温度补偿。

因为在某些情况下监测温度稳定性是困难的，压力衰减法在实用上受到限制。在许多情况下，使温度均衡或稳定所要求的时间很长以使对工作管线强加不可接受的长的停工时间。在其他情况下，不可能获得足够的温度平衡。对埋置的管线的温度的效果的补偿也太复杂或太昂贵而不能实用。很少有合适的温度传感器的一阵列在管线构成时被安装。

本发明适合于一种用于在带有一已知的流体的管的一隔离段中检测泄漏中待被使用的对流体温度的变化进行补偿的设备，且通过不要求任何直接的温度测量而对温度对压力的影响进行补偿来独特地这样做。

该设备包括一用于在该管中生成压力脉冲以测量该管线中流体的平均传播速度的变化的机构。该生成机构适合于连接至该管。该设备包括一用于感测该管中该脉冲的反射的压力传感器。该压力传感器适合于连接至该管。该设备包括一用于确定该管中流体的压力是否已消极地与该管中流体的压力-温度关系所期望的压力不一致的机构。

本发明是基于一种用于检测一管的一隔离段中的流体泄漏的方法。该方法包括有五个步骤：步骤1，通过测量在时间t1的一隔离段中的压力脉冲传送时间来测量传播速度；步骤2，测量在时间t1的该管的该隔离段中的流体的压力；步骤3，测量在时间t2的该管的该隔离段中的流体的压力并计算t2和t1之间出现的压力的变化；步骤4，通过测量在时间t2的该管的该隔离段中的压力脉冲传送时间来测量传播速度并确定对应的传播速度的变化并自其确定平均温度的变化；步骤5，计算由于温度变化所致的压力变化量和由于可能的泄漏所致的该量。

所使用的物理原理是传播速度和温度之间的关系。(传播速度是在该管线中流体的压力跳跃运动的速度)。因此，如果传播速度的变化被测量，温度的变化可被确定。而且，如果该段管线上的传播速度的变化可被测量，整个管线上的平均温度的有效变化可被计算出。

附图示出了本发明的组成部件和实践该发明的方法：

图1是作为质量与容积的函数的管运系统中对于3加仑/小时泄漏的以磅/平方英寸/小时为单位的压力变化率的视图；

图2是本发明的设备的概略性视图；

图3是本发明的一替换实施例的概略性视图；

图4是该设备的概略性视图。

在该几个视图中相同的参考数字是指相似或相同的部件。图2和4是用于检测带有已知流体的管14的一隔离段12中的泄漏的设备10的视图。设备10包括一用于生成一压力脉冲的机构16。该生成机构16被连接至该管。设备10还包括一用于感测该管中压力脉冲的反射的机构18。而且，设备10包括一用于感测该管中的压力的压力传感器20。该压力传感器还被连接至该管。最后，设备包括一用于确定该管中流体的压力是否已消极地与该管中流体的压力-温度关系所期望的压力不一致的机构22。

最好，生成机构16包括一用于确定该管中压力脉冲反射的平均时间的机构24。该确定机构24最好被连接至感测机构18。

最好，该感测机构18包括一用于同确定机构22相联络，使用压力脉冲反射的平均时间来计算平均流体传播速度的机构26。该感测机构18最好包括一用于计算平均传播速度和平均流体温度的变化的机构28。该温度变化最好从平均传播速度的变化和流体温度容量的变化被计算出。

最好，该生成机构16包括一与管14连接的用于生成压力脉冲的压力发送器机构30。该生成机构16最好包括一上游管线阀32和一下游管线阀34，该两阀用于隔离该管线。压力发送器机构30被连接至该上游管线阀32和下游管线阀34之间的管14。最好，该生成机构16包括连接至管14的一次级管36，连接至相邻于管14的次级管36的一测试设备10根阀(root valve)38，连接至管36的一压力发送器根阀40，和连接至压力发送器根阀40的一压力发送器42压力传感器20。

本发明适合于一种用于检测一管的一隔离段中的流体泄漏的方法。该方法包括有五个步骤：步骤1，通过测量压力脉冲传送时间来测量在时间t1的该管的一隔离段中的传播速度；步骤2，测量在时间t1的该管的该隔离段中的流体的压力；步骤3，测量在时间t2的该管的该隔离段中的流体的压力并计算t2和t1之间出现的压力的变化；步骤4，通过测量在时间t2的该管的该隔离段中的压力脉冲传送时间来测量传播速度并确定对应的传播速度和平均温度的变化；步骤5，计算由于温度变化所致的压力变化量和由于潜在的泄漏源所致的该量。

图4还示出用于确定管14中的泄漏的设备10。该设备包括一用于检测典型地低至在10磅/平方英寸管路压力的3加仑/小时或更低的一管中的泄漏的机构。该设备还包括一用于定位该泄漏的机构。

压力/温度关系对系统质量的计算

在该设备的工作中，一隔离的管线中的流体的质量由下式给出：

                          M＝V·ρ

其中：

M＝隔离的管线中的质量

V＝隔离的管线中的容积

ρ＝流体密度

由于泄漏或修理所致的流体质量的变化dM必须通过容积或密度的变化而被调节：

          dM＝ρ·dV+V·dρ

假定一单一相的均匀流体被给出： $\mathrm{dM}=\mathrm{\ρ}\·(\frac{\∂V}{\∂P}{|}_T\mathrm{dP}+\frac{\∂V}{\∂T}{|}_P\mathrm{dT})+V\·(\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂P}{|}_T\mathrm{dP}+\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂T}{|}_P\mathrm{dT})---\left(1\right)$

其中： ＝在恒定压力下，相对于温度，T的容积的偏导数

＝在恒定温度下，相对于压力，P的容积的偏导数

＝在恒定压力下，相对于温度，T的流体密度的偏导数

＝在恒定温度下，相对于压力，P的流体密度的偏导数

对于该容积是管线的容积的情况下，该容积由下式给出：

              V＝A·L

其中：

A＝管的截面积

L＝管的长度

如果假定该管的长度被限定(也就是说，由压力应力或热膨胀引起的长度变化通过该管支持系统被防止)，则对于圆形截面的一管，

      dV＝LdA＝Ld(πD²/4)＝LπDdD/2

其中：

D＝管直径由于压力所致的管容积的变化直径对压力的相关性由应力-应变关系所确定：

  σ＝EdD/D其中：σ＝管壁中的应力E＝扬氏模量对于受到内部压力的圆形截面的一管，周向应力由下式给出：

              σ＝PD/2t  其中

t＝管壁的厚度

因此，由于压力的变化所导致的直径的变化由下式给出

dD＝[D²/(2tE)]dP

且由于压力的变化所导致的管容积的变化是：

dV＝L[πD³/4tE]dP

由于温度所导致的管容积变化

管14直径对于温度的相关性受到热膨胀的系数的影响，

         D＝D₀[1+α(T-T₀]

其中α是管壁材料的膨胀的线性系数且零下标指示在一选择的参考条件下的这些变量的值。

         dD＝D₀αdT≌DαdT

因此，由于温度变化所导致的管的容积变化是

         dV＝LπD²α/2dT

净容积变化

因此，管容积对温度和压力的相关性由下式给出：

         dV＝(LπD²/4){(D/tE)dP+2αdT}

注意(LπD²/4)是管线的容积V，管运系统的质量的变化由以下的关系式决定：

dM＝ρ V{D/(tE)dP+2αdT+(1/ρ)dρ/dP|_TdP+dρ/dT|_PdT]}

dM＝M{[D/(tE)+(1/ρ)dρ/dP|_τ]dP+[2α+(1/ρ)dρ/dT|_P]dT}

使用典型的石油产品特性和管线尺寸和处理管线总质量作为一参数，以上表达式将被估算。

典型值

D＝0.75英尺＝9英寸

t＝0.25英寸

D/t＝36

E＝27×10⁶磅/平方英寸；典型的用于碳钢管线材料

(1/ρ)dρ/dP|_T定义该流体的弹性模量；用于石油产品，典型的弹性模量，是179,000磅/平方英寸

α＝6×10^-6英寸/英寸每°F，典型的用于碳钢材料；

(1/ρ)dρ/dT|_P定义了对于流体，α的膨胀的热系数；

αf＝-6×10^-4每°F；(当温度升高时，该流体的密度变低)；

ρ＝52Ibm/ft³；典型的用于精炼的石油产品。

替换用于dM的该表达式中的这些值

dM＝M{[36/27×10⁶+1/1.79×10⁵]dP+[2×6×10^-6-6×10^-4]dT}

dM＝M{6.9e10^-6dP-5.9e10^-4dT}

其中质量项以磅表示，压力项以磅/平方英寸表示，且温度项以华氏温度的度表示。

注意对于任何管线总质量M或质量变化dM，将偏移1磅/平方英寸压力变化的温度比变化是

dT＝6.9e10^-6/5.9e10^-4＝1.2e10^-2°F

等同于3加仑泄漏的质量变化被用于确定通过泄漏产生的压力变化：

dM＝3加仑×(1/7.48加仑每立方英尺)×52Ibm/立方英尺＝20.9Ibm

通过将dM等式除以dt来计算由质量变化率dM/dt产生的压力变化率dP/dt。

DM/dt＝M{6.9×10^-6dP/dt}

dP/dt＝(20.9/6.9×10^-6)/M

dP/dt＝(3×10⁶)/M

在图1中对于总管线系统质量的dP/dt检测要求被标绘出。质量用磅和加仑两者表示(在后种情况下假定密度为52磅每立方英尺)。为放置上下文中的横坐标，5英里长，9英寸(内)直径管线装容约87,000加仑或600,000磅以上的石油产品用于此分析。

传播速率/温度关系的计算

不受约束的流体传播速度V_P通过以下状态等式与流体特性相关联： ${V_{\mathrm{\ρ}}}^2=\frac{\∂P}{\mathrm{d\ρ}}{|}_{\mathrm{artiabauc}}=\frac{K}{\mathrm{\ρ}}=\frac{\mathrm{\γF}}{\mathrm{\ρ}}$

其中：

P＝压力

ρ＝密度

K＝绝热压缩系数

γ＝用于绝热压缩系数，K对等温压缩率，F的转换常数

碳氢化合物的密度、压缩率(等温)、热膨胀的数字值在API表中被列出。在上述等式中，注意这是绝热关系(不是热损耗或增益)。假定在短时间周期，该绝热条件对于压力波是合理的。

在管中，管强度和尺寸通过以下等式对受约束的流体声速有影响： $V_{\mathrm{pg}}=\frac{\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\ρ}}}}{\sqrt{(\frac{1}{K}+\frac{\mathrm{OD}}{a_p\·E_p})}}$

其中：

V_pg＝用于被约束向下传输过管线的压力脉冲的受约束的流体传播速度

OD＝管的外直径

a_p＝管的壁厚度

E_p＝管的扬氏模量

相对于温度影响，该传播速度V_pg仍完全由流体特性支配。

通过使用温度-对-传播速度关系，一隔离的管12的平均声速的测量直接表示该管中的流体的平均温度。对于典型的碳氢化合物(柴油、汽油和煤油)，自API表的计算和直接测量将传播速度/温度关系放入-84英寸/秒/°F至-97英寸/秒/°F(平均等于-90英寸/秒/°F+/-10％)的范围内。典型的碳氢化合物的室温自由传播速度约为50,000英寸/秒。使用这些值提供了以下关系式：

因此，用于被要求根据1磅/平方英寸压力变化来评定泄漏的泄漏测量系统的传播速度测量必须至少具有以下精度：

(1×10^-2°F)×(90英寸/秒/°F)/(50,000英寸/秒)＝2.5×10^-5每单位＝0.0025％

压力脉冲传送时间被测量且使用管线长度计算平均传播速度。

其中：

t_传送＝压力脉冲传输过该段管线所需的时间

实践中，测量来回往返传送时间或多次来回往返是更实际的(由于压力脉冲通过该管线前后地连续反射并缓慢地衰减)。对于1英里的管线，该来回往返传送时间将达3秒的数量级；对于10英里的管线，将达30秒的数量级。测试已表明传送时间测量的精度低于1毫秒。因此，对于1英里管线，传送时间的单次测量将可能精确至约千分之一而对于10英里管线将可能精确至约万分之一。传送时间测量的几次重复可被使用以获得更佳的精度。(传送时间测量中的大多数不定性因素是随机的；因此传送时间的重复测量使当从这些测量的平均值确定该变量时，减少了该变量中的不定性因素)。

系统的描述

这里描述的设备10通过测量在一预定时间段上由一泄漏(如果有的话)引起的压降，确定一预选择的时间段上的温度变化，并对任何温度变化影响进行补偿来检测泄漏。如在下文中所讨论的，由泄漏所带来的压力变化的幅度将取决于选择的时间段和该系统中的总质量。如果，在同样的时间正进行泄漏测试，流体的温度被改变，该设备将确定该测试的时间段上的流体温度的变化。被确定的温度变化的精度将是比对应于压力变化的幅度级别更佳的幅度级别。例如，如果20分钟上的1-磅/平方英寸的变化表现为规定的泄漏率，必须至少测量20分钟内的温度变化以及0.01°F之上，或较佳地约0.01°F计算的图形。

这里描述的设备10通过测量该测试的时间段上的流体传播速度的变化来确定流体温度变化(在后将描述实现该测量的方法)。

图2为可被采用以使用上述原理进行泄漏测试的流体系统设备10的概略性视图。该图中所使用的符号的图解如下。

V_PLU＝管线阀，上游，项32

V_PLD＝管线阀，下游，项34

V_R＝测试设备根阀，项38

V_PR＝压力传感器根阀，项40

V_PV＝抽运孔

在以下的段落中概述使用该设备10以确定一管线系统的泄漏率中所采用的程序。该程序可被全部或部分地自动化。

1.通过关闭阀门32和34，待被测试的管线系统被关闭且管线12被隔离。应该注意到被概述的程序将不仅测试来自连接32和34的管线的泄漏，而且还测试通过这两阀门自身的泄漏。

2.该测试设备10最好被连接至被隔离的管线12的接近一端。初始地，测试设备10通过关闭阀门V2和V3被自该流体设备隔离开以被测试。根阀VR，和用于压力传感器的隔离阀VPR，PT可被打开。假定该线被加压。如果管12未被加压，图2中所示的设备可通过本领域的熟练技术人员被使用以进行加压。

3.通过导出一压力脉冲并测量该隔离的管线中的该压力脉冲的来回往返传送时间，在时间t1的初始传播速度被测量。一种方案是使用一快速动作阀以将流体放入一容器内。通过打开一根阀V2且从而使小量的产品从该隔离的管线12流入一容器，VOL来执行这样一测试。在该瞬变期间，V1被打开且V3被关闭。通过快速关闭V2来结束该瞬变。由该瞬变产生的负阶越压力波在其开始由发送器PT感测且在该管线的来回往返传送后再被感测。这些压力瞬变通过一高速数据获取系统被记录且它们之间的时间差通过使用一适当的信号处理而被确定。这些传送时间数据被记录。如果需要，重复进行测试以取得期望的精度。类似地，可测量重复的回波以提高精度。

4.紧接着，在管线12传播速度测量后，监测从时间t1至t2的压力。该时间段上的压力的变化被检测。

5.在时间t2，如步骤3中所述地，传播速度被重测量。传送时间测量的数目被使符合测量精度要求。使用这些数据，使用在以上部分中导出的关系，在步骤4中获得的测试结果对于产品温度变化被进行补偿。

尽管为了说明的目的在上文中对本发明进行了详细描述，可以理解这些细节仅是说明的目的，本领域的熟练技术人员可在不脱离有后附权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下作出各种变型。

Claims (10)

1、一种用于检测带有已知的流体的一管的一隔离段中的泄漏的设备，包括：

一用于在该管中生成压力脉冲的机构，所述生成机构适合于连接至该管；

一用于感测该管中该脉冲的反射的机构；

一用于感测该管中的压力的压力传感器，所述压力传感器适合于连接至该管；及

一用于确定该管中流体的压力是否已消极地与该管中流体的压力一温度关系所期望的压力不一致的机构。

2、权利要求1中所述的设备，其中该生成机构产生一压力脉冲且该传感器机构感测该管中的压力脉冲的反射。

3、权利要求2中所述的设备，其中该生成机构包括一用于确定该管中的压力脉冲反射的平均时间的机构，所述确定机构被连接至该服务机构。

4、权利要求3中所述的设备，其中该感测机构包括一用于同确定机构相联络，使用压力脉冲反射的平均时间来计算该管中的传播速度的机构。

5、权利要求4中所述的设备，其中该感测机构包括一用于同一流体温度容量变化机构相联络，从平均传播速度中的变化计算流体温度中的变化的机构。

6、权利要求5中所述的设备，其中该生成机构包括一与用于产生该压力脉冲的管相连接的压力发送器机构。

7、权利要求6中所述的设备，其中该生成机构包括密封该管线的一上游管线阀和一下游管线阀，所述压力发送器机构被连接至在上游管线阀和下游管线阀之间的管。

8、权利要求7中所述的设备，其中该生成机构包括连接至该管的一次级管，连接至相邻于该管的次级管的一测试设备根阀；连接至该次级管的一压力发送器根阀和连接至该压力发送器根阀的一压力发送器。

9、一种用于检测一管的一隔离段中的流体泄漏的方法，包括有步骤：

测量在时间t1的该管的一隔离段中的传播速度；

测量在时间t1的该管的该隔离段中的流体的压力；

测量在时间t2的该管的该隔离段中的流体的压力；

测量在时间t2的该管的该隔离段中的传播速度；并

确定是否有压力与该管的该隔离段中的流体的一期望的传播速度-温度关系脱离。

10、一种用于确定一管中的泄漏的设备，包括：

一用于检测在低至10磅/平方英寸管路压力下的3加仑/小时且更低时的管中的一泄漏机构；及一用于指示该泄漏的机构。

Images