管道泄漏檢測實驗平臺設計與開發

王明達，徐長航，付建民

（中國石油大學（華東）機電工程學院，山東 青島 266580）

石油管道是保障能源供給、關系國計民生的基礎性設施，近年來因腐蝕穿孔、打孔盜油等自然、人為因素所導致的管道泄漏時有發生，而油品一旦泄漏往往帶來嚴重的后果。我校安全工程專業的學生就業主要面向石油石化等高危行業，因此讓學生全面掌握管道泄漏檢測技術既是一項基本的知識要求，也是對國家和人民應負的責任。

有代表性的管道泄漏檢測方法有：質量平衡法、負壓波檢測法、分布式光纖檢測法、聲學檢測法等［1－5］。這些檢漏方法間的技術原理、實施手段差別較大，其中負壓波檢測法因其投資少、檢測實時性好等特點，在國內各大油田應用最為廣泛，具有較好的代表性，因此該實驗主要圍繞負壓波管道檢漏技術來設計。

1 負壓波管道泄漏檢測技術理論基礎

管道正常輸送流體時，內部是一個完整的水力學系統，壓力比較平穩，見圖1（a）。如果管道上某點發生泄漏，在泄漏處壓力將下降（見圖1（d）所示）。壓降波形稱之為負壓波［6］。負壓波產生后會沿著管道傳播到管道兩端的壓力傳感器中，通過壓力傳感器檢測到該波形特征即可判斷管道是否發生了泄漏。由于在管道內輸送流體過程中不僅泄漏會產生負壓波，一些正常的工況操作，如：停泵、調閥等也會產生類似的負壓波，分別如圖1（b）和（c）所示，因此管道泄漏檢測技術的核心是對不同工況下負壓波形的識別。

對采集到的負壓波形數據進行泄漏模式識別主要包括以下2個步驟：

圖1 不同工況下的壓力波形圖

（1）特征向量提取。提取能夠表征壓力波特征的參數是提高泄漏檢測準確率的關鍵。本文采用奇異值特征指標方法，即先將采集到的管道壓力波序列構成Hankel矩陣，然后提取該矩陣的奇異值特征并構建成特征向量，詳見文獻［7］所述。

（2）模糊識別器構建。每次工況操作所產生的負壓波波形都有一定的模糊特性，可采用模糊模式識別的方法進行工況分類［8－12］。即先選取一些典型工況操作的波形特征向量作為標準模式Si＝ ［si1，si2，…，sin］，然后利用歐式模糊貼近度法計算待測負壓波特征向量X＝ ［x1，x2，…xn］和與各標準特征向量之間的距離Di（見下式），最后用最大隸屬度原則進行分類。

2 管道泄漏檢測實驗平臺硬件系統構建

以水為介質循環輸送構建一套完整的液體管道輸送系統。該實驗平臺需要滿足基本的流體儲存、泵機組啟停、閥門調節、泄漏模擬、平臺數據監測與控制（supervisory control and data acquisition，SCADA）等功能要求。

2.1 硬件平臺

硬件平臺結構見圖2。主回路由儲水罐、往復泵機組、管道組成，設計壓力3MPa，管徑10cm，管道全長120m，采用螺旋上升環路布置。

為了防止液體回流及儲水罐內空氣倒吸，在泵出口處安裝止回閥和儲水罐回水處安裝電磁截止閥（閥門只有開、關兩種控制狀態，可遠控）；為了避免泵出口壓力過高，在泵出口處安裝安全閥；為了能夠觀察不同閥門調節操作下管路內壓力變化情況，在管路前端安裝電磁調節閥（閥門開度可從0～100%任意調節，可遠控）；為了觀察不同泄漏量下壓力波形的變化情況，設計了從φ2～φ15mm不同孔徑的泄漏閥。

圖2 實驗平臺硬件結構示意圖

2.2 數據監測與控制系統設計

在泵出口處和泄漏點位置安裝壓力儀表，以監測泵出口壓力和泄漏發生后的壓力變化情況。為了能夠監測泄漏量大小，在泄漏位置前后分別安裝流量計。為避免增加管內流體的摩擦阻力，采用超聲波流量計，兩端通過法蘭與管道相連接。

為滿足流體在管道的正常輸送，需要遠程控制機組啟停、截止閥開閉（開關量）以及流量調節閥開度的任意調整（0～100整形變量）。管道輸送啟動控制邏輯：先檢查各儀表狀態是否正常，如果正常則依次打開截止閥、調節閥、機組。輸送停止控制邏輯：關閉機組、關閉調節閥開度到0%，最后關閉截止閥。

圖3為該平臺所對應的SCADA系統網絡拓撲圖。下位機采用的數據采集與控制單元為PLC；上位機通過組態技術實現與下位機通信，采集到的數據先緩存在內存中，當所需數據采集完畢后，打上“采集起始時間”標簽后壓縮存儲到數據庫中。

3 管道泄漏檢測實驗平臺軟件系統設計

該實驗平臺軟件的功能是對采集到的壓力波信號進行泄漏識別。從數據流角度來看，該軟件的數據從上位機的數據庫源流出，經過特征提取、泄漏模糊識別的加工，轉換為“工況類型”的識別結果，因此需要根據算法構建特征提取與模式識別模塊。

圖3 實驗平臺SCADA系統網絡拓撲圖

事實上，在軟件設計與開發過程中還需要考慮一些實際問題，比如：負壓波數據段在整個待識別數據段中的相對位置對識別結果有較大影響，因此需要對數據進行裁切處理，保證負壓波段在整個數據段中的位置“合適”；壓力表采集到的管道壓力數據含有大量噪聲，因此在進行特征提取之前需要對數據進行降噪處理；閥門操作時，閥開度的調節范圍不同對應的負壓波波形差別較大，因此還需要針對不同的閥開度調節范圍，建立各自的標準模式向量。

綜合考慮實際應用過程中可能碰到的一些問題，設計該軟件的功能結構框圖見圖4。該軟件在.Net平臺上開發，壓力數據識別結果界面見圖5。

圖4 實驗平臺軟件功能結構框圖

圖5 壓力數據識別結果界面

4 實驗教學過程

管道泄漏檢測實驗較為復雜，需至少3名學生一組協同開展，一人負責實驗臺的控制（啟停泵、調節閥門開度）與數據采集，一人負責開啟泄漏閥門，一人負責數據的分析與識別。基本的實驗教學過程如下：

（1）實驗臺管內壓力較高，首先對學生開展安全教育；

（2）講解實驗臺的操作規程并演示啟停泵、調節閥等操作；

（3）學生自由分工，進行啟停泵、調節閥操作，采集該操作情況下的壓力信號；

（4）分別打開不同孔徑的泄漏閥門，采集泄漏瞬間管道的壓力信號；

（5）將存入數據庫中的待識別壓力信號取出（存入數據庫時，數據只有時間標簽，沒有對應的操作類型標簽），截取壓力數據段為1000點，并選擇合適的降噪算法對壓力信號進行降噪處理；

（6）提取待測壓力信號的特征向量，同時加載標準模式庫中的特征向量；

（7）模式識別，計算待測特征向量與標準特征向量間的距離Di，輸出識別結果。

步驟（5）—（7）通過操作管道泄漏檢測軟件實現。某待測壓力數據的識別結果見圖5。

5 結束語

該實驗平臺投資較大，是一種基礎性的綜合實驗平臺，可根據需要擴展部分功能。

通過管道泄漏檢測實驗可以使學生掌握啟停泵、調節閥對管內水力參量的影響和泄漏發生時管路壓力的變化規律，了解特征提取和模式識別方法，還能使學生了解一個簡單石油輸送單元的結構、輸油作業的調控操作流程，加深對石油儲運行業工藝過程的認識。此外，該實驗需多人一組來開展，既鍛煉了學生的動手能力，也鍛煉了學生之間的協同工作能力。

總之，通過該實驗的開展，能夠使學生了解管道儲運的概況、全面掌握負壓波管道泄漏檢測技術及其應用，為學生從事石油石化安全技術崗位工作及相關的科學研究活動打下了良好的基礎。

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