输气管道声波泄漏监测试验装置的设计与构建

］ＳＳＮ１００２４　９　５６　实验技术与管理　第２７卷第８期２０１０年８月　ＣＮ１１—２Ｏ３４／Ｔ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｖｏ１．２７　Ｎｏ．８　Ａｕｇ．２０１０　仪器设备研制与应用　输气管道声波泄漏监测试验装置的设计与构建　李玉星，唐建峰，王武昌，彭红伟，赵方生　（中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东东营　２５７０６１）　删一撇　一　一　一　．一～薹　　删　一　一　～．一　㈣　一酬　一～　摘要：设计了一套完整的基于瞬态模型法和声波泄漏检测法的高压输气管线泄漏试验装置。首先通　过大量模拟计算，确定了试验装置的各种参数，并对各种仪表进行了选型；分析了声波在管道中的传播　规律以及衰减特性，选取了合适的声波传感器，并对试验模型与实际输气管线进行了相似性分析；验证　了模型试验的可推广性，然后分析了虚拟仪器的组成，设计了基于虚拟仪器的输气管道泄漏检测数据采　集系统。　关键词：输气管道；泄漏检测；试验装置；声波；相似性　中图分类号：ＴＥ９７３．６　文献标志码：Ａ　文章编号：１００２　４９５６（２０１Ｏ）０８—００６３　０５　一～～一一一一～一　．　一一　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄｅｖｉｃｅ　ｆｏｒ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｌｅａｋ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｇａｓ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ　Ｌｉ　Ｙｕｘｉｎｇ，Ｔａｎｇ　Ｊｉａｎｆｅｎｇ，Ｗａｎｇ　Ｗｕｃｈａｎｇ，Ｐｅｎｇ　Ｈｏｎｇｗｅｉ，Ｚｈａｏ　Ｆａｎｇｓｈｅｎｇ　一～∞一一　止　　～　ｎ篡　　ｎ　～　幽一ｎ　～∞　　．　一　；　　ｈ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ａｎｄ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ（Ｅａｓｔ　Ｃｈｉｎａ），Ｄｏｎｇｙｉｎｇ　２５７０６　１，Ｃｈｉｎａ）　一　～　ｎ　吐　ｌＨ　协　ｅ　ｍ　ｍ　郇　ｍ　管道运输是天然气长距离输送的一种最主要的　方式，然而，由于自然和人为等原因难免会造成管道　各种泄漏检测方法的综合对比，笔者认为模型法、分布　式光纤法和声波检测法是比较好，而且很具有前途的　发生泄漏，这不仅会造成大量的经济损失和环境污　染，而且可能带来重大的人身伤亡事故。因此，天然　气管道泄漏检测技术对于维护管道安全、保护人们　泄漏检测方法［３　］。至今为止，国内外对输气管道泄漏　的研究大多是在低压下进行的，由于管线中气体压力　不同，气体发生泄漏时对管线的各种流动参数的影响　以及产生的物理现象和现场的泄漏工况是有很大区别　生命财产安全、节约能源、减少环境污染等方面具有　重要意义ｍ。　目前，天然气管道泄漏检测方法很多，主要有负压　的。因此，本文设计了一套多功能的高压输气管线泄　漏检测室内试验装置，该装置能够同时完成高压力、大　流量下的声波以及瞬态模型泄漏检测法的各种试验。　波、分布式光纤、声波以及瞬态模型等方法　］。经过对　１泄漏检测装置设计　收稿日期：２００９　０９　２２　基金项目：教育部新世纪人才支持计划项目（ＮＣＥＴ　０７—０８４）；国家油气　重大专项（２００８ＺＸ０５０２６　０６）　作者简介：李玉星（１９７Ｏ），男，山东省莱芜市人，博士，教授，主要从事　水合物、天然气输送、气液混输及集输系统优化研究．　１．１试验装置流程简介　本试验气源采用压缩空气，整套装置设置数据采　集系统，在测试段的起终点以及中间位置设采集点。　试验装置如图１所示。　６４　实验技术与管理　图１　高压输气管泄漏检测试验装置图　气体首先经过压缩机加压，然后经过冷冻式干　燥机冷却脱水之后进入高压储气罐。气体在进入　测试管线之前经过了过滤，在主测试管段安装有质　量流量控制器、压力传感器、差压传感器、声波传感　容积式压缩机和速度式压缩机。根据实际情况，选　用了汉纬尔（上海）有限公司生产的ＨＭ３１２－３５型活　塞式压缩机，其最高工作压力为８　ＭＰａ，流量为６Ｏ　ｍ。／ｈ。由于空气中含有大量水分，水对设备有破坏　和腐蚀作用，因此，必须对压缩空气进行脱水。压缩　空气主要的脱水方式有吸收式、吸附式和冷冻式。　根据各种干燥方法的特点，选择冷冻式干燥机作为　干燥设备。　１．２．３　管径的选择　器以及温度变送器等测量仪表对管线中的各种信　号进行测量。在测试管道上安装有３套法兰孔板　装置来模拟管线的泄漏，３个针型阀为３个泄漏点。　气体经过测试管段之后，进入末端储气灌，然后经　过出口的降压装置降压之后排空。　１．２各种试验参数的确定以及仪表的选型　１．２．１　设计压力的确定　考虑到管线压力问题，管径不能太大，根据经　验，管道内径初定为１０　ｍｍ。测试管段上开有３个　模拟泄漏点，距离起点的长度分别为４０、９０　ｍ和　１　５０　ｍ，管道总长初定为２００　ｍ。假设测试管段入　对于输气管线，压力越高输气能力就越强，因　此通常采用提高管输压力的方法来提高输气量，但　是对管材的要求也越高。因此，我国已建成的主要　天然气管线的设计压力都在６～１０　ＭＰａ的范围内。　口气体温度和环境温度均为２０℃，测试管段的入　口压力定为３～６．４　ＭＰａ，流量为０．５～１　ｍ。／ｍｉｎ。　为了使试验工况尽量接近实际天然气长输管道的　运行工况，且在有限的投资费用范围内达到较好的　效果，试验的最大气体流量为６０　ｍ。／ｈ，设计压力为　８　ＭＰａ，取安全系数为１．２５，实际最高运行压力　为６　ＭＰａ。　１．２．２压缩机和冷干机的选型　采用ＰＩＰＥＰＨＡＳＥ软件对各工况进行模拟计算，结　果见表１。　从表１可以看出：当选择的管线直径为１０　ｍｍ　时，能够实现所要求的各种试验工况；同时，通过软件　还可以模拟出当管线入口和出口压力都最低、流量最　大时管道的长度为４５９　ｍ（大于２００　ｍ），这就说明了　压缩机的种类繁多，按其作用原理可大致分为　选择１０　ｍｍ的管径是合适的。　李玉星，等：输气管道声波泄漏监测试验装置的设计与构建　表１管线压力模拟计算　３Ｏ０Ｏ　４０　９０　３ＯＯＯ　ｌ５０　２ＯＯ　１．２．４　压力传感器选型　压力传感器主要技术指标：量程、精度、稳定性、线　性范围、频响特性等。一般情况下，主要根据传感器的　量程和精度来进行选型。管线起点处最大压力为６．４　ＭＰａ，通过软件模拟出终点的最大压力为６．００５　４　ＭＰａ。　根据压力传感器量程的选用准则，确定起点处压力传感　器的量程定为Ｏ～１０　ＭＰａ，终点处压力传感器的量程为　Ｏ～８　ＭＰａ。从理论上来说，压力传感器的精度越高，参　数测量就越准确，但是成本也随之增大，因此，必须从技　术和经济的角度进行综合考虑。　１．２．５　差压传感器的选型　对于差压传感器，主要考虑它的量程和精度，因　此，必须对各种工况下的对应管段的压降和差压的变　化量进行计算。当管线的长度和直径一定时，气体的　起点压力最小、流量最大时，压降是最大的，因此，通过　计算得出该工况下起点到泄漏点１（图ｌ中的针型阀　１）的压降为１３３．３　ｋＰａ，起点到泄漏点２的压降为　３０９．３　ｋＰａ，泄漏点３到终点的压降为１０７．８　ｋＰａ。一　般情况下，差压传感器的量程上限要大于气体最大压　力的１．５倍，因此，根据实际情况选择了一个为量程为　４００　ｋＰａ，另一个为７００　ｋＰａ的差压传感器。经过大量　的模拟计算得到２个差压传感器的精度要求分别为　０．０６％和０．１　。　１．２．６质量流量控制器和质量流量计的选型　在管道测试段的起点、终点处分别安装了质量流　量控制器和质量流量计对气体流量进行测量，并对起　点流量进行控制。所以，根据实际工况，选择了耐压为　８　ＭＰａ、量程为５～１　２５０　ｍＬ／ｍｉｎ的质量流量控制器　和质量流量计，精度均为１　。　１．２．７　声波传感器的选型　为了确定声波传感器的量程，对各种泄漏工况产　生的泄漏压力信号传播到管线起终点时的大小进行计　算。在满足管径尺寸的条件下，总的声吸收系数可通　过经典斯托克斯～克希霍夫公式（１）计算　］：勰　　∞　驰　６　３　。一——ｌ７一　０　　２１００　７）３『　　＋　（十　【ＣＬ一一一）ｌＶ　Ｃｐ）］　（¨　１）　式中　为初始流场的不可压缩流体密度（ｋｇ／ｍ。），视　为常数；６ｏ为声波的角频率；“　为流体的切变黏滞系　数，ｃ　和ｃ　分别为介质的质量定容热容和定压比热　容，Ｙ为传热系数，　为气体声速。声速　可通过式　（２）计算：　（２）　式中ｐ为流体密度。根据文献［８］可知，波形的振幅与　气体的特性、管道的压力还有漏点的孔径大小是有关　的，可以通过式（３）计算出泄漏点所产生的泄漏信号　压力：　／－）　２　Ａｐ一０．３ｐ　ｆ　１　（３）　、ｕ２，　式中：Ｐ　为泄漏点的静态压力，Ｄ　为泄漏点的孔径，　Ｄ　为管道的直径。　声音沿管道传播的衰减公式：Ａ＝＝＝Ａ。ｅ～，式中Ａ　为衰减量，ａ为衰减系数，．ｚ为距离。　试验装置中，设计了不同孔径的孔板来模拟泄漏工　况，孔径分别为１、２、３、４、５　ｍｍ，管道的直径为１０　ｍｍ。　根据式（３）计算可知：当起点压力最高（６．４　ＭＰａ）、流量　最小（３０　ｍ。／ｈ）、泄漏点１发生泄漏且泄漏孔径为５　ｍｍ　的时候，泄漏产生的泄漏压力信号最大，为４７８．８３　ｋＰａ；　当起点压力最低（３　ＭＰａ）、流量最大（６０　ｍ３／ｈ）、泄漏点　３发生泄漏且泄漏孔径为１　ｍｍ的时候，产生的泄漏压　力信号最小，为７．３９　ｋＰａ，其他泄漏试验工况产生的泄　漏压力信号介于两者之间。　计算出各种频率的压力信号传播到管线起点和终　点处时的大小，结果见表２。　表２泄漏压力信号计算结果　实续表　验技术与管理　析可知，模型试验中的气体流态与实际输气管线中气　体流态相似，从而满足相似准则，由此该试验模型是有　意义的，完全可以用来模拟实际输气管道，具有可推　广性。　３基于虚拟仪器的数据采集系统的开发　３．１虚拟仪器的硬软件组成　３．１．１　虚拟仪器的硬件组成　虚拟仪器的硬件平台是由计算机和Ｉ／Ｏ接口设　从模拟计算结果可以看出：当泄漏压力信号的频　率为０～１５　ｋＨｚ时，由泄漏产生的泄漏压力信号经过　衰减之后传播到管线起点的大小为０～４７８．８　ｋＰａ，传　播到终点处的泄漏压力信号大小为０～４７８．８　ｋＰａ。　２模型试验相似性分析　相似定律既是设计模型试验的理论依据，又是整　理试验数据、推广试验结果应用范围所必需遵循的原　则，否则模型试验将毫无意义。模型必须遵循以下最　基本的原则：几何相似（空间相似）；运动相似（时间相　似）；动力相似（受力相似）。为了使两流动完全相似，　在满足几何相似的前提下，各独立的相似准则应同时　得到满足。然而，在实际试验中往往很难实现，甚至是　不可能的。因此，只能寻求起主要作用的动力相　似——近似。　气体在管线中流动的过程中，黏性力起主要作用，　所以，只需满足雷诺准则即可。对于这套试验装置来　说，只要模型试验中的气体和实际管线中气体的流态　处在同一个流态就说明它们是相似的。通过大量的模　拟计算得到现场的天然气长输管道中气体的流态都处　于阻力平方区。下面对模型试验中的各种工况下的气　体流态进行计算。管道的直径为１０　ｍｍ，气体压力为　３～６．４　ＭＰａ，流量为３０～６０　ｍ。／ｈ，温度为２０℃，管线　绝对粗糙度Ｋ　取０．０５　ｍｍ。计算流态判断雷诺数：　Ｒｅ　一５９．７／（２Ｋｅ／Ｄ）　一５９．７／（２×０．０５／１０）。”一　１１　６２６，Ｒｅ２—１１／（２Ｋ　／Ｄ）　‘ｊ一１１／（２×０．ｏ５／ｌｏ）　・　—　ｌ１　０００。　气体压力越高、流量越小，Ｒｅ就越小。因此，只需　验证压力最低、流量最小的试验工况（Ｑ一３０　ＩＴＩ。／ｈ、　Ｐ一６．４　ＭＰａ）即可，如果该工况下的Ｒｅ≥Ｒｅ　，就说明　气体流态处于阻力平方区，那么所有的试验工况下的　气体流态都处于阻力平方区。该工况下空气的体积流　量为０．４９７　４　ｍ　／ｈ，空气的运动黏度　一２．５６６　７×　１０。ｍ。／ｓ，管内径ｄ一１０　ｍｍ，可得：　胁＝　＝　丽　ｓ　因此，气体流态处于阻力平方区。根据前面的分　备组成。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡　系统、通用接口总线（ＧＰＩＢ）仪器系统、ＶＸＩ仪器系统　以及这三者之间的任意组合。数据采集卡系统是实验　室采用的数据采集最常用的方式，一个典型的数据采　集系统由传感器、信号调理电路、数据采集卡（板）、计　算机４部分组成＿ｓ］，如图２所示。　现场信号ｌ　ｌ信号调理（放　传感器　Ｈ大、滤波、隔　数篓据　Ｉ采集盒Ｉ　＿Ｊｌ萎茎　羹　执行机构ｌ　ｌ离等）　图２典型的数据采集系统框图　３．１．２　虚拟仪器软件基础　在给定计算机和必需的仪器硬件下，构造和使用　虚拟仪器的关键就是应用软件。虚拟仪器的应用软件　主要包括集成的开发环境、与仪器硬件的高级接口和　虚拟仪器的用户界面。　ＬａｂＶＩＥＷ是一种基于图形开发、调试和运行程　序的集成化环境，ＬａｂＶＩＥＷ的最大特点就是采用全　图形化编程。虚拟仪器的设计包括两部分　，一个是　仪器前面板，一个是信号流程图，这两部分的设计分别　在前面板设计窗口和流程图设计窗口中完成。　３．２基于虚拟仪器的输气管道泄漏检测系统的设计　系统的总体结构如图３所示，系统是由安装在管　线起点、终点的压力、流量、温度、声波等传感器、差压　传感器、信号调理器以及数据采集卡等组成。　（ＰＣＩ　４４７４一　卡）　迥１毫盐　异悼，／－机　机　１ｊ｜　ｆｌ　　一　薹　凳　器　压力、流量　温度变送器　泄漏点　终点　图３泄漏检测系统结构图　李玉星，等：输气管道声波泄漏监测试验装置的设计与构建　经声波传感器检测到的泄漏声波信号在被送到数　据采集卡（ＰＣＩ一４４７４）之前，先送到信号调理器加以调　理；压力和流量等信号经相应的传感器、变送器后，则　直接送到数据采集卡（ＰＣＩ一６２２９Ｍ）进行采集。　３．２．１　泄漏检测系统的硬件组成　’　苗蒜　鼻　禁　’　旦　容　鄹・　剿　质量流量控制器和质量流量计都是由荷兰　ＢＲＯＮＫＨＯＳＴ公司生产的，型号分别为Ｆ　２１３ＡＶ和　Ｆ　１１３ＡＣ。压力变送器以及差压变送器均由美国罗斯　堕　嚣璧　因伊　镧确　髑　冀器　一喾　　蒙特公司生产。温度变送器选用上海南浦仪表厂生产　的Ｐｔｌ００热电阻。声波传感器采用美国ＰＣＢ公司生　产的１０６Ｂ型压电传感器。信号调理器也是由美国　ＰＣＢ公司生产的，型号为ＩＣＰ４８２Ａ２２。本文所使用的　数据采集卡均由美国国家仪器公司提供，选用型号为　ＰＣＩ一６２２９Ｍ的数据采集卡对气体的流量、压力、差压　和温度信号进行采集，而对于两路声波信号，因需要进　行高速采样，所以选用了型号为ＰＣＩ　４４７４的动态数据　采集卡。　３．２．２　检测系统的软件设计　泄漏检测系统的数据采集部分主要包括数据采　集及保存模块。采集的数据主要分为两大类：一类　是对流量、压力、温度等常规信号的实时采集；另一　类是对泄漏声波信号的采集。因此，设计了两套　Ｉ．ａｂＶＩＥＷ程序对这类信号进行采集和保存，其常规　的数据采集系统的前面板图和流程图分别如图４和　图５所示。声波数据采集系统的构成类似。实际运　行结果表明，该数据采集系统能够完全满足试验　要求。　图４　常规数据采集系统前面板图　４　结论　本文研制了一套完整的高压输气管线声波泄漏监　罡驾——翟　甫鲁　皿　零　麓磬卿囹　图５　常规数据采集系统前流程图　测室内试验装置。首先通过大量模拟计算确定了试验　装置的各种参数，并对各种仪表进行了选型，同时对试　验模型与实际输气管线进行了相似性分析，验证了模　型试验的可推广性；然后分析了虚拟仪器的组成，设计　了基于虚拟仪器的输气管道泄漏检测数据采集系统。　实际运行结果表明，该装置能够准确地检测出泄漏，并　对泄漏点进行准确定位。试验装置设计合理，为进一　步的输气管道泄漏检测方法的研究提供了重要的参考　和依据。　参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：　［１］王岚，王毅．油管道泄漏检测定位技术［ｊ］．化工设备和管道，２００４　（３）：４６　４８，５８．　［２］李瑾．音波泄漏检测系统的设汁［Ｊ］．石油化：［自动化，２０｛）７（５）：　７８—８Ｏ．　［３］付道明，孙军，贺志刚，等．国内外管道泄漏检测技术研究进展［Ｊ］．　石油机械，２００ｔ．３２（３）：４８　５１．　Ｅ４］李文军，王学英．油气管道泄漏检测与定位技术的现状及展望［Ｊ］．　炼油技术与工程，２００５，３５（９）：４９　５２．　［ｊ］Ｍｐｅｓｈａ　Ｗ，Ｇａｓｓｍａｎ　Ｓ　Ｉ　，Ｃｈａｕｄｈｒｙ　Ｍ　ｔｔ．Ｌｅａｋ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｐｉｐｅｓ　ｂｙ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｔｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ　ｉｎｇ，２００１，１　２７（２）：１３４　１４７．　［６］Ｆｅｒｒａｎｔｅ　Ｍ，Ｂｒｕｎｏｎｅ　Ｂ．Ｐｉｐｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ａｎｄ　ｌｅａｋ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｂｙ　ｕｎｓｔｅａｄｙ—ｓｔａｔｅ　ｔｅｓｔｓ．２．Ｗａｖｅｌｅｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ＥＪ］．Ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　Ｗａ—　ｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，２００３，２６（１）：１０７　ｌ１　６．　［７］景晓斐．输气管道音波泄漏检测技术的研究［Ｄ］．沈阳：沈阳工业大　学，２００６．　［８］吴世来．输气管道泄漏音波检测信号处理的研究［Ｄ］．沈阳：沈阳工　业大学。２００７．　［９］王立坤．原油管道泄漏检测若干关键技术研究［Ｉ）］．天津：天津大　学，２００２．　［１０３张凯，周陬，郭栋．ＬａｂＶＩＥＷ虚拟仪器工程设计与开发［Ｍ］．北　京：国防工业出版社，２００４：１　２－１　５．