礦井供水管道泄漏檢測方法的研究與應用

摘要：隨著礦井生產規模的擴展和新采區的開發，井下管網也會變得更為龐大和復雜，通過負壓波診斷法及流量平衡判漏法，可以對管道泄漏點快速定位，提高礦井工作效率和管理水平。

關鍵詞：管道泄漏 負壓波診斷 流量平衡

井下供水系統是煤礦安全生產不可缺少的重要組成部分，由于井下自然條件惡劣，管道長期受淋水侵蝕、巷道變形、礦井采動壓等影響，易出現跑冒滴漏或突然斷裂，影響礦井正常生產。如何快速的診斷出管道泄漏位置是確保礦井安全生產的關鍵。管道泄漏檢測方法可以采用負壓波聯合流量平衡法及流量平衡判漏法。

1 管道泄漏負壓波診斷法

井下水管管道在正常運行狀態下，內部壓力較高。當管道因人為損壞、外部擠壓、管道腐蝕等因素導致發生泄漏時，由于管道內外壓力差較大，使其管內輸送的液體在內外壓差的作用下快速流失。由于管內物質不間斷地從泄漏點流出，管內液體密度逐漸變小，管道泄漏點的內部壓力不斷加大。泄漏點處壓力突然下降，但因液體的連續性，管道中的液體流速不會立即發生變化，使得泄漏點和相鄰區域之間存在壓力差。這種壓力差會使得泄漏點上下游的高壓液體流向泄漏點，從而使得泄漏點相鄰區域的密度和壓力降低。這種現象從泄漏點處沿管道向相鄰區域擴散，相當于泄漏點處產生了以一定波速傳播的負壓力波。

負壓波沿著管道能夠傳播數十千米，傳播距離比較長，可以把壓力傳感器安裝在管道泄漏點的上下游兩端，以此來采集負壓波信號。因為負壓波本身含有大量的有關泄漏點的信息，所以可以根據采集到的數據檢測出泄漏。通過兩傳感器測量到的時間，計算時間差，又根據負壓波沿管道傳播的大概速度，就能夠大概地定位出泄漏點。

圖1 負壓波泄漏定位

圖1中上下游兩傳感器之間的距離為L，泄漏點與上游傳感器之間的距離為X，液體的流速為V，負壓波的傳播速度為a，上游傳感器檢測到負壓波的時刻為t1時刻，下游傳感器檢測到負壓波的時間為t2時刻。令Δt=t1-t2，則

Δt=-（1）

等價于X=[L（a-V）+Δt（a2-V2）]，式中的負壓波的傳播速度遠大于液體的流速，因此液體的流速V忽略不計。可簡化為：X=（L+a·Δt） （2）

其中X——泄漏點距離上游傳感器的距離，單位為m；L——上下游傳感器之間的距離，單位為m；a——負壓波在管道中的傳播速度，單位為m/s；Δt——上下游兩壓力傳感器接受到負壓波的時間差，單位為s。

X和L可直接測量得到，負壓波的傳播速度a與時間差Δt未知，需要在實際監測系統中根據傳感器測得的數據進行間接計算。

由管道泄漏定位公式（2）可知，上下游傳感器檢測到負壓波信號的時間差Δt是影響管道泄漏定位精度的一個重要因素。采用時延估計計算上下游傳感器接收到負壓波信號的時間差Δt。

互相關算法是進行時延估計的一種常用方法。對上下游傳感器采集到的負壓波信號進行相關分析，建立模型如下：

x1（t）=s（t）+n1（t）x2（t）=αs（t+D）+n2（t） （3）

其中x1（t）、x2（t）分別為上下游壓力傳感器檢測到的信號；s（t）為泄漏信號；n1（t）、n2（t）為測量過程中的加性噪聲；s（t）、n1（t）、n2（t）兩兩互不相關；D為上下游兩傳感器檢測到信號的時間差；α表示泄漏信號在傳播過程中的能量損失。

假設x1（t）、x2（t）為零均值平穩隨機信號，則互相關函數為： Rx1x2（τ）=E（x1（t）x2（t+τ））（4）

因已假設s（t）、n1（t）、n2（t）兩兩互不相關，則：

Rx1x2（τ）=αRss（τ+D） （5）

式中Rss（τ+D）為自相關函數，因Rss（τ+D）≤Rx1x2（0），當τ=-D時互相關函數Rx1x2取得最大值，由此得到上下游兩傳感器檢測到信號的時間差Δt。

要得到正確的上下游兩傳感器檢測信號的時間差Δt，需要上下游兩傳感器的采集時間必須同步。但是井下管道分布復雜，兩監測點之間的距離長，因PLC內部晶振存在誤差，所以管道上下游兩傳感器的采樣難以同步。為了解決這個問題，選擇使用計算機網絡校時。通過NTP協議（Network Time Protocol，網絡時間協議）， PLC以固定的時間間隔向LAN（Local Area Network，局域網）中的NTP服務器發送時鐘請求。根據服務器的應答，確定最可靠和最精確的時鐘，并同步站時鐘。

由管道泄漏定位公式中可知影響泄漏定位的另一因素是負壓波在管道中的傳播速度。負壓波的傳播速度由下式決定：V= （6）

式中V——負壓波在管道中的傳播速度，單位為m/s；K——液體的體積彈性系數，單位為Pa；ρ——液體密度，單位為kg/m3；E——管材的彈性模量，單位為Pa；D——管道直徑，單位為m；e——管壁厚度，單位為m；C1——管道約束條件有關的修正系數。

由公式（6）可以看出負壓波的傳播速度與液體的彈性系數、液體密度以及管材的彈性模量和管道的尺寸規格有關。而液體的彈性系數和密度均與溫度有關。為了獲得準確的負壓波在管道中的傳播速度，需在現場實際測量。

2 流量平衡判漏法

在一條未發生泄漏的管道內，利用“流入等于流出”的原理，實時監測管道上下游的流量。如果下游流出的流量小于上游流入的流量，則說明可能發生了泄漏。但由于管道內流體的狀態及其物力性質關系到流量的測量，與溫度、壓力、粘度、密度等有直接的關系，使得在未發生泄漏的管道上下游監測流量值仍有差別。但是上下游的流量差很小。

Q1（t）-Q0（t）=ΔQ（t） （7）

其中Q1（t）——上游流入流量；Q0（t）——下游流出流量；ΔQ（t）——流量差。

正常情況下上下游流量差的絕對值很小，將流量差絕對值的最大值作為管道的流量閾值？著：

管道在正常情況下|ΔQ（t）|很小，若上下游之間發生泄漏，|ΔQ（t）|將增大。在不考慮外部干擾的情況下，可以認為：實際監測的管道的上下游流量差小于流量閾值ε時，管道未發生泄漏；若上下游流量差大于流量閾值ε，管道發生泄漏，如圖2所示。

管道本身工況的改變，如調節閥門等，也將產生負壓波，容易產生誤報警。雖然管道泄漏和管道工況改變均產生負壓波，但是管道發生泄漏時上下游流量差增大，而當管道工況改變時上下游流量差下降。因此利用流量平衡法可以有效地對管道的運行狀況進行判斷，識別出負壓波是由于管道泄漏產生還是由于管道工況的改變，降低誤報率。

3 結束語

通過該檢測技術手段，有助于完善礦井管網系統，促進礦井節能減排，提高節能效果。一旦井下發生嚴重的管路泄漏，能夠在第一時間基于檢測結果對泄漏點的位置進行準確預測，以便及時采取措施加以防范，保證礦井生產，并且為查找處理故障節約時間。節省大量的人力物力，提高工作效率。

參考文獻：

[1]王曉宇，王樹立.管道泄漏檢測及定位技術的研究現狀與發展方向[J].江蘇工業學院學報，2008（03）.

[2]崔謙.油氣管道泄漏檢測方法的研究及應用[D].天津大學， 2005.

[3]馬歡.管道泄漏檢測與定位技術國內外研究現狀[J].科教文匯（中旬刊），2007（02）.

作者簡介：

姜傳成（1981-），男，大學學歷，兗礦集團東灘煤礦機電科技術員；萬鵬（1976-），男，大學學歷，兗礦集團東灘煤礦機電科副科長。