负压波法的管道泄漏检测与定位实验研究

王梓鉴 朱跃 王建 刘祁

摘 要：本文主要介绍了负压波法的管道泄漏检测与定位原理，通过分析不同泄漏位置、不同泄漏孔径、不同进口压力、不同采样周期的泄漏实验对管道泄漏定位精度的影响，实验结果表明：当泄漏孔为10mm、采样周期为0.02s、管道进口压力为1.95MPa、泄漏位置为300m时，其泄漏定位精度最高。

关键词：负压波;微泄漏;定位;实验研究

1 引言

管道运输作为当今世界的五大运输方式之一，凭借其高

效、安全、经济、便捷等众多优点，在输送油气、城市供水、城市燃气等领域占据着主导地位。但是，由于管道老化，地理条件的变化以及人为因素的破坏，管道泄漏事故时有发生。管道泄漏事故的发生不仅影响了正常的工业生产和环境污染，而且威胁着人类的生命财产安全[1]。因此，寻求行之有效的管道泄漏检测与定位方法显得尤为重要。

2 负压波法管道泄漏检测与定位原理

当管道因老化（腐蚀）、地理条件变化（山体滑坡、地震等），以及第三方人为破坏（施工、盗油等）的影响，造成管道泄漏时，由于泄漏点处会立即因流体介质损失而引起局部流体密度减少，从而在泄漏点处出现瞬时压力降低，当以泄漏前的压力作为参考标准，该压力下降被称为负压波（也叫减压波），该负压波以一定的速度向漏点上下游两端传播，经过若干时间后，通过安装在泄漏点上下游两端的压力传感器捕捉到的特定的瞬态压力信号即可实现泄漏检测，同时，根据压力传感器接收到的负压波的时间差，即可实现泄漏点定位[2]。

2.1 负压波定位公式

在管道首末两端的位置处分别装有两个压力传感器，两传感器之间的距离为L。假设泄漏点到上游压力传感器的距离为XL，负压波从泄漏点处传播到首末端压力传感器的时间分别是t1和t2，负压波的传播速度为a，流体介质的速度为v，则首端压力传感器和末端压力传感器先后检测到负压波的时间差为：

Δt=t1-t2

故有：

由于负压波传播过程类似于声波在流体介质中的传播，传播速度为声波在管道输送流体中的传播速度。声波在液体管道中的传播速度一般约为1000-1200m/s之间[3]，而流体介质的速度约为10m/s，a远远大于v，故公式（2.1）可简化为：

由负压波定位公式可以看出负压波法的管道泄漏检测与定位的关键技术在于：如何精确的确定负压波在管道的传播速度;如何精确的确定负压波信号传播到泄漏点两端压力传感器的时间差[4]。

2.2 负压波传播速度a

在传统的管道泄漏检测与定位方法中，负压波在管道中传播速度被视为定常值，钢管输水时，波速一般为1200-1400m/s，输送原油和成品油时，一般为900-1100m/s。实际上，负压波的传播速度由下式决定：

a-水击波传播速度，m/s;ρ-液体密度，kg/m3;K-液体的体积弹性系数，Pa;E-管材弹性模量，对于钢管为206.9×109Pa;D-管道平均直径，m;δ-管壁厚度，m;Ψ-系数，取决于管道的固定情况，当管道中只有一端固定时Ψ=5/4-μ，当管道两端固定，限制轴向位移时（如埋地管道）Ψ=1-μ2，当管道由多个膨胀点连结时，Ψ=1;μ-泊松系数，钢管的μ=0.3。

3 管道泄漏检测与定位的实验研究

3.1 管道泄漏检测与定位实验平台

该实验平台由现有的实验环道改建而成，该实验平台由实验环道、信号检测系统、辅助系统构成。实验环道由现有的实验环道改建而成，管线由碳钢管组成，管道长度L=2000m，共分为三层，管径为DN50，压力等级为PN16;

信号检测系统采用NI数据采集系统进行数据的采集，该采集系统主要由NI机箱：型号 cDAQ-9184;卡件：16通道C系列电流输入模块，型号 NI-9028;辅助系统由罐区、泵房、地下供水池、工艺管线、阀组、排水槽等组成。罐区内有1座6m3储水罐;泵房内共有3台多级给水泵，可模拟三个输油泵站，泵房内设有地下水池。

3.2 管道泄漏检测与定位实验

本文实验部分主要进行了不同泄漏孔径、不同泄漏位置、不同进口压力、不同采样周期的管道泄漏检测实验，以此来分析不同泄漏工况下对管道泄漏定位精度的影响。

3.2.1 不同泄漏孔大小的输水管道泄漏检测实验

实验方案：泄漏点两端压力传感器的距离为2000m，管径为DN50（60.3mm），实验介质为水，在首端进口压力为1.2MPa，泄漏时间10s，采样时间30s，采样周期为0.02s，泄漏点距离首端压力传感器的距离为300m的情况下，分别进行了泄漏孔径为3mm，5mm，10mm的泄漏实验。

结果表明由于泄漏孔较小，造成泄漏检测系统灵敏度急剧下降，从而使泄漏定位误差较大;例如：泄漏孔为3mm时，由于泄漏量过小，管道泄漏检测系统没有定位到泄漏位置，隨着泄漏孔大小的不断变大，泄漏检测系统的灵敏度不断提高，泄漏检测系统的定位位置越接近实际的泄漏位置。

3.2.2 不同泄漏位置的输水管道泄漏检测实验

实验方案：泄漏点两端压力传感器的距离为2000m，管径为DN50（60.3mm），实验介质为水，在首端进口压力为1.2MPa，泄漏时间10s，采样时间30s，采样周期为0.02s，泄漏孔为10mm的情况下，分别进行了泄漏点距首端压力传感器300m，1000m，1800m的泄漏实验。

结果表明，泄漏孔的位置处于管道的首端时，其泄漏定位的误差就越低，但泄漏位置处于管道首端处并不是影响泄漏定位误差的唯一因素;泄漏孔处于管道中间和末端位置时之所以定位误差高，是因为泄漏位置处于管道中间和末端时比泄漏位置处于管道首端时损失了更多的能量，从而使负压波衰减的速度更快。

3.2.3 不同进口压力的输水管道泄漏检测实验

实验方案：泄漏点距两端压力传感器的距离为2000m，管径为DN50（60.3mm），实验介质为水，在泄漏时间10s，采样时间30s，采样周期为0.02s，泄漏孔为10mm，

泄漏点距首端压力传感器300m的情况下，为了实现不同进口压力，将实验室三台泵机组串联运行，分别进行了首端进口压力为1.2MPa、1.95MPa、2.7MPa的泄漏实验。

结果表明，当管道进口压力为1.95MPa时，泄漏定位的误差最低，随着管道进口压力的变大，其定位误差有所升高，但是变化幅度并不大，由此可知，增大进口压力并不一定能提高管道泄漏定位的精度，而且过大的管道压力也是造成泄漏发生的原因之一。

3.2.4 不同采样周期的输水管道泄漏检测实验

实验方案：泄漏点两端压力传感器的距离为2000m，管径为DN50（60.3mm），实验介质为水，在首端进口压力为1.2MPa，泄漏时间10s，采样时间30s，泄漏点距首端压力传感器300m，泄漏孔为10mm的情况下，分别进行了采样周期为0.02s、0.04s、0.1s的泄漏实验。

结果表明，当采样周期较小时，其泄漏定位的误差也相对较小;随着采样周期的变大，管道泄漏定位的误差也相应地变大，主要是因为采样周期的大小直接影响到泄漏点处的负压波传播到管道首末端压力传感器的时间点捕捉，由负压波定位公式可知，负压波传播到泄漏点处首末两端压力传感器的时间差会直接影响管道泄漏的定位精度。

4 实验结论

由不同泄漏孔大小、不同泄漏孔位置、不同进口压力、不同采样周期下的泄漏实验结果可知，泄漏孔越大，采样周期越小，管道进口压力相对大，泄漏孔越靠近管道的首端时，则管道泄漏检测系统灵敏度及定位精度就越高。实验结果表明：当泄漏孔为10mm、采样周期为0.02s、管道进口压力为1.95MPa、泄漏位置为300m时，其泄漏定位精度最高。

参考文献：

[1]王桂增，叶昊.流体输送管道的泄漏检测与定位[M].北京：清华大学，2010.

[2]马小林，王泽根，谢静文.负压波在管道泄漏检测与定位中的应用[J].管道技术与设备，2013（03）：17-19.