基于瞬變流的輸油管道泄漏檢測模擬

楊鎮榜，徐寬

（1.長江大學，油氣鉆井技術國家工程實驗室防漏堵漏研究室，湖北武漢430100；2.中石化中原石油工程井下特種作業公司，河南濮陽457001）

基于瞬變流的輸油管道泄漏檢測模擬

楊鎮榜1，徐寬2

（1.長江大學，油氣鉆井技術國家工程實驗室防漏堵漏研究室，湖北武漢430100；2.中石化中原石油工程井下特種作業公司，河南濮陽457001）

針對輸油管道泄漏檢測的現狀進行了總結，并研究了一種基于瞬變流的檢測輸油管道泄漏點的方法，該方法利用管道均勻豎直的特點，在下游流體出口處設置閥門和壓力檢測裝置，當輸油管道發生泄露時，周期性關閉閥門產生瞬變流即連續壓力波，以連續壓力波為輸入信號，泄漏管道為系統，檢測管道出口處的壓力信號為輸出信號來檢測泄漏。當產生同樣周期及振幅的連續壓力波時，由于泄漏點所在的位置不同及壓力波造成管道共振，輸出信號即管道出口檢測到的壓力也不同，根據這一特性，不斷改變輸入的壓力波周期，即可產生不同的系統頻率響應圖。由此判斷出泄漏點位置。

輸油管道；泄漏檢測；瞬變流；頻率響應

輸油管道是油氣儲運的命脈，在石油產出后負責運輸石油到煉制廠或儲存機構，輸油管道往往長達數千米，且掩埋于地下，如果泄漏發生很難第一時間發現并檢測泄漏點。因此泄漏一旦發生，極可能發生重大經濟損失和安全隱患，甚至對土壤、水資源造成長時間的污染。在泄漏檢測的歷史上很多學者專家研究了對輸油管道泄漏的檢測方法。最早人們采用認為查找的方式，派工作人員或動物到可能的泄漏管段沿管道檢查泄漏點[1]，這種方法無疑耗費大量人力物力且難以迅速實現泄漏點的檢測。之后聲學法被廣泛采用，利用泄露時產生的聲波來檢測泄漏點，但由于聲波傳播距離極為有限，難以滿足輸油管道數千米的要求，且聲波在傳播過程中會摻入大量噪聲，去除這些噪聲極為困難[1]。除此之外還有利用發射性示蹤劑的檢測方法，這種方法所需周期較長，難以及時檢測到泄漏信息。到了本世紀，壓力波法逐漸被發現且應用，Mpesha提出了使用壓力波來檢測泄漏點[2]，由于輸油管道流體處于穩定流動狀態，只需在出口安設閥門即可產生水擊，操作簡單易實施，他根據發生泄漏時壓力波頻率不同的特點判斷泄漏點，整個計算在頻域上進行。在他之后該方法被許多學者深入研究[3-9]。本文在Mpesha的基礎上，提出了使用系統頻響圖的方法，利用管道泄漏時其固有頻率改變的特性來檢測泄漏點。

1 連續壓力波法檢測輸油管道泄漏

圖1為使用連續壓力波對輸油管進行泄漏檢測的示意圖，從入口到泄漏點為管段1，從泄漏點到出口為管段2，壓力傳感器安設在閥門前。a截面為入口截面，c截面為出口截面，b截面為閥門前端截面，箭頭指向為流體流動方向。當泄漏出現時，周期性關閉位于管道出口端的閥門，產生連續壓力波，連續壓力波在管道內來回傳播并與管道系統發生共振，此時閥門后的壓力傳感器接收到連續壓力波的壓力信號并通過傅里葉變換轉換到頻域制成系統的頻率響應圖，由于共振的存在，與管道系統頻率相近的壓力波振幅會被放大，根據系統頻率響應圖的波峰點的變化來實現泄漏檢測。

圖1 泄漏檢測示意圖Fig.1 Diagram of leak detection in pipes

1.1 瞬變流檢測法的理論計算

瞬變流理論中有一種傳遞矩陣法，根據管段的特征和管道中點的特性計算其對流經它們前后的流體壓力和流量的影響并寫出這些管段和點的傳遞矩陣，而判斷管道不同部位的關系。

在發生泄漏的輸油管道中，泄漏點的傳遞矩陣為[9]

式中：QL0=泄漏流量，m3/s;

ΔHL0=泄漏點前后的水頭損失,m。

漏點前后的管段1和管段2分別長為l1和l2，其場傳遞矩陣為[9]

式中：Z=環空管柱特征阻抗，Z=a2μ/gAiω

μ=壓力波的傳播系數;

閥門的點傳遞矩陣為[9]

式中:ΔHv0=恒定流狀態下經過閥門的水頭損失，m;

Qv0=恒定流狀態下經過閥門的流量，m3/s。

因此輸油管道入口端和出口端的關系可以寫為

所有符號上標表示擴展矩陣。

將式（1）（2）（3）代入式（4）中，由于輸油管道出口和入口連接為儲存裝置，可將a、c截面的壓力視為恒定，因此可得

壓力波在環空中傳播的周期為4L/a，故其固有角頻率為ωth=πa/(2L)，對于奇次諧波有：

當泄漏較小時，可認為aQL0/4gAHL0=0，從而上式化簡為

對上式取倒數有

從上式可看出，如果沒有泄漏發生，系統頻率響應圖中應為等振幅的諧波，當泄漏發生時，諧波振幅呈正弦狀周期關系。且頻率為xL*，由此可判斷泄漏點位置。

1.2 檢測步驟

由于本方法利用管道共振特性進行檢測，需要不斷改變閥門的振蕩頻率。首先確定一個閥門振蕩的數值并讓其振蕩直至形成穩定連續壓力波，此時該壓力波部分頻率與管道共振，并得到該頻率點的振幅值，即系統頻響圖上的一個點。然后改變閥門振蕩頻率，重復上述步驟，再次得到一個點，多次改變閥門振蕩頻率從而得到多個點直至可以繪制曲線，由于共振頻率整數倍的頻率同樣共振，所以得到的系統頻響圖類似正弦狀，有多個諧波組成。此時從左至右記錄每個諧波波峰振幅的數值以及其諧波數。諧波波峰振幅的變化呈周期性。要判斷其周期并清晰顯示出來需要采用FFT（快速傅里葉變換）將上述兩變量轉換為頻譜，根據頻譜圖的主頻位置即可判斷出泄漏點位置。

2 模擬研究

對該方法進行模擬驗證基于MATLAB，對1.2中的步驟進行模擬。設置參數如表1所示。

表1 模擬參數Table1 Simulation parameters

在MATLAB中對式（4）進行模擬，結果如圖2所示。從圖中可以看出，發生泄漏時，諧波振幅呈周期變化，而未發生泄露時，諧波振幅不變。這與式（9）一致。

圖2 泄漏與未泄露對比Fig.2 Comparison between pipe with leak and without leak

記錄諧波的振幅值以及其對應諧波數，將諧波振幅取倒數作為縱坐標，諧波數為橫坐標，繪制為圖像如圖3所示。

圖3 諧波振幅倒數與諧波數關系圖Fig.3 Relation between magnitude and m

從圖3中可以明顯看到存在周期關系，為了明顯表現出其周期值或頻率值，將圖3中數據進行FFT變換，得到其頻譜圖，如圖4所示。

從圖4中可以看出，主頻位于0.2處，而實際設置的泄漏點也位于0.2總管道長度。當泄漏位置改變時，保持其他參數不變進行模擬，設定泄漏位置分別為200、300、400 m時，重復上述步驟進行模擬，結果如下圖所示。圖5中不同泄漏位置所對應的曲線主頻值分別為0.2、0.3、0.4，與設定的值相同，這說明使用該方法檢測泄漏點位置是可行的的。

圖4 諧波振幅和諧波數的頻譜圖Fig.4 Spectrum of magnitudes and m

圖5 不同泄漏位置對比Fig.5 Comparison between pipe with different leak location

3 結論

提出了一種使用瞬變流檢測輸油管道泄漏的方法，該方法僅需安裝一個閥門和傳感器，簡單易實施。且能有效檢測泄漏點。該方法采用傳遞矩陣法，根據管道共振特性檢測泄漏點，且最后使用FFT進行頻域分析，整個過程在頻域進行，有效防止了噪聲干擾。由于管道系統的多樣性，該方式可能不適用于所有管道系統，針對不同管道系統的檢測方法還有待研究。

［1］王通.基于激勵響應的輸油管道泄漏檢測技術研究[D].天津：天津大學2005.

［2］Witness Mpesha,et al.Leak detection in pipes by frequency response method[J].Joural of Hydraulic Engineering,2001,127(2):134-147.．

［3］劉志勇，劉梅清,等.基于瞬變流頻率響應分析的輸水管道泄漏檢測[J].水利學報，2015，46（11）：1352-1359.

［4］Pedro J Lee,John P Vitkovsky,Martin F,et al.leaklocation using the patternof the frequency response diagram in pipelines:anumberical study[J].Journal of Sound and Vibration,2005,284:1051-1073.

［5］郭新蕾，楊開林,等.管道系統泄漏檢測的瞬變水擊壓力波法[J].應用基礎與工程科學學報，2011,19（1）20:28.

［6］郭新蕾，楊開林.管道泄漏檢測的水力瞬變全頻域數學模型[J].水利學報.2008,39（10）：1264-1278.

［7］康憲芝.油氣管道泄漏的主動檢測方法與技術研究[D].天津：天津大學2013.

［8］郭新蕾，楊開林，郭永鑫，等.管道泄漏檢測全頻域法試驗驗證及抗噪性研究[J].水利學報，2011，42（6）：713:720.

［9］曾輝斌.利用頻率響應法檢測長距離輸水管道的堵塞和泄漏[D].南京：河海大學,2005.

Simulation of Leak Detection of Oil Pipeline by Transient Flow Method

Y
ANG Zhen-bang1,XV Kuan2
（1.Lost Circulation Control Division,Oil and Gas Drilling Technology National Engineering Laboratory, Yangtze University,Hubei Wuhan 430100,China; 2.Sinopec Zhongyuan Petroleum Engineering Downhole Special Operation Company,Henan Puyang 457001,China）

The present situation of pipeline leakage detection technology was summarized,and a method of leak detection based on transient flow was presented.Based on straight and smooth characteristics of pipes,this method can detect the leakage by transient flow produced by periodically switching on and off the valve installed on exit of pipes. The pipe system can be determined by pressure wave as input signal and the pressure measured at exit of pipes as output signal.When leakage appears,the inherent frequency of pipes system is changed,and if the continuous pressure wave is produced,resonance will happen in the pipes.Therefore the leakage can be located by researching the frequency response diagram in different valve frequency.

Oil pipeline;Leakage detection;Transient flow;Frequency response

TE 832

A

1671-0460（2017）03-0517-03

2016-10-28

楊鎮榜（1993-），男，湖北潛江人，長江大學石油與天然氣工程專業在讀碩士研究生，研究方向：鉆井工藝。E-mail：393244572@qq.com。