主動電場原理液體輸送管道泄漏檢測研究

彭杰綱，董冠奇，何春秋

主動電場原理液體輸送管道泄漏檢測研究

彭杰綱1,2，董冠奇1，何春秋1

(1. 電子科技大學自動化工程學院，機器人中心 成都 611731; 2. 浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室 杭州 310058)

受生物學弱電魚的主動電場定位器官研究的啟發，提出了將主動電場定位原理用于管道的泄漏檢測的新方法。通過Ansoft maxwell有限元仿真和實驗平臺實際實驗相結合，針對管道內淡水和脫水原油兩種情況分別實驗仿真。將實驗數據和仿真數據分別處理，通過繪制定位曲線和時頻分析，對比結果得出，主動電場法可以應用于管道的泄漏檢測。當探頭接近泄漏點時，接收電壓會明顯增大，根據此特征信號主動電場法可以精確定位泄漏點。從實驗和仿真上證明了新型主動電場管道內檢測的可行性。

主動電場定位; 有限元仿真; 泄漏檢測; 管道泄漏

隨著管道運輸的迅猛發展，管道泄漏檢測成為管道安全的重要課題。目前，工業管道泄漏檢測較為常用的主要有超聲波法、漏磁法、光纖定位法、壓力波等方法[1-2]。但這些方法有著各自的應用缺點，如超聲檢測需要耦合劑；漏磁法檢測深度不夠及靈敏度不高；光纖定位法造價高昂；壓力波法對緩慢腐蝕性的泄漏不能較好地實現探測[3-7]。主動電場定位思想源于仿生學，在南美和非洲河流中有一類弱電魚，這類魚通過自身器官發射電場和接收電場，因周圍物體阻抗特性的不同引發電場擾動進而實現對物體感知[8]。通過早期的研究結果表明，利用主動電場法能夠對水下物體進行定位[9-11]。文獻[12-13]將主動電場應用于血管檢測，成功并準確地檢測出模擬血栓出現的位置。

本文針對管道輸送液體為淡水、脫水原油兩種情況分別進行實驗和仿真，通過對比結果，驗證了主動電場技術能夠用于液體輸送管道的泄漏檢測。

1 管道檢測實驗平臺構建與軟件介紹

根據實驗需求構建了一套能用于模擬管道檢測的實驗系統，如圖1所示。該系統由計算機、USB6289數據采集卡、實驗控制臺、水箱、探頭組成。采集卡兩端分別與計算機、實驗控制臺的步進電機和探頭的探測電極相連接。計算機利用Labview編寫程序，通過信號控制試驗臺的電機實現滑塊和支架的移動，并為發射電極添加激勵；接收電極接收的信號經采集卡傳輸至計算機中用于后期處理。

圖1 管道泄漏檢測實驗系統

實驗時滑塊不動，將探頭與實驗臺的滑塊連接固定，步進電機接收來自計算機的控制信號控制支架移動，同時帶動探頭在管道內移動。水箱選用有機玻璃做成，材料絕緣透明，避免電磁干擾，同時便于觀察。探頭由4個電極嵌入內徑相符的有機玻璃管，并由玻璃膠固定構成，其結構原理如圖2所示。兩個發射電極在管道內建立交變電場，兩個接收電極接收管道內的電場信息。

為減少電化學噪聲，本文管道檢測系統選擇金屬鈦制作電極[14-16]，規定處于兩個發射電極之間的電場區域為內電場，兩個發射電極之外的區域為外電場。在預實驗中發現，內電場探測效果優于外電場[15]。基于以上因素考慮，將探頭中的No.4和No.1電極作為發射極，No.3和No.2作為接收極。

本文仿真采用Ansoft maxwell 16.0，其以麥克斯韋方程組為理論基礎，利用有限元離散思想求解微分方程，將電磁場的復雜計算轉化為矩陣求解。該軟件是非常有名的電磁場有限元分析軟件，在許多工程電磁領域都有廣泛著應用[17-18]。

圖2 探頭進入管道內部示意圖

2 水下淡水輸送管道泄漏主動電場檢測實驗與仿真

本文實驗和仿真中，管道選用在實際管道運輸中廣泛使用的無縫鋼管；管道外部環境選定為水；設定管道總長500 mm，外徑50 mm，內徑48 mm，中間245～255 mm處為泄漏點。在采集數據之前，測量出各個電極以及泄漏點在實驗臺標尺上的坐標，測出導軌運動速度與起始點的坐標位置。No.3電極與No.4電極距離為40 mm，No.2電極與No.3電極之間的距離為30 mm，No.2電極與No.1電極之間的距離為30 mm，如圖2所示。根據每個電極在標尺上的刻度，可以算出4個電極相對于泄漏點之間的距離，這樣后期可以較為方便地得出電場定位曲線。

2.1 水下淡水輸送管道泄漏主動電場檢測實驗

實驗時以泄漏點為參考點，探頭進入管道方向為正方向，退出為負方向。設定行程300 mm進行實驗。實驗時No.1電極所加激勵源為0 V，No.4所加激勵源為幅值A=2 V，頻率f=1 500 Hz的正弦電壓。電極在探頭進入管道內部時，No.3與No.2兩個接收電極上接收的信號經差分后即得到所需的電壓信號。

通過前期的研究發現泄漏對電壓信號的影響表現為幅值的變化，為了觀察不同位置波形的幅值變化以及時域和頻域的聯合分布，本文采用兩種方法分析數據：一種是不同位置的差分電壓經FFT變換后的幅值變化曲線；另一種是對采集信號的時頻聯合分析。

2.2 水下淡水輸送管道泄漏主動電場檢測仿真

根據實驗所加激勵源，在Ansoft maxwell中選用交流電場求解器。在軟件中手動繪制仿真模型，如圖3所示，包括探頭(電極及其外層有機玻璃管)、管道、上管道壁中間部分留有模擬泄漏的縫隙，求解區域較大，未能給出。設No.3電極的左側X軸坐標為變量PX，方便后期處理數據繪制定位曲線。

圖3 管道檢測仿真模型圖

模型中各部分尺寸和材料、所添加的激勵源與實驗條件相一致。模型設定氣球邊界條件；管道和探頭外層有機玻璃網格設置最大邊長3 mm，電極網格設置最大邊長5 mm，求解區域網格設置最大邊長30 mm。設置最大求解步數30，最小求解步數2，下一步求解網格加密30%，最大求解誤差1%。在4個電極中心各繪制一個單獨的點，用于后期獲取各電極的數據。對變量PX進行參數化分析，實現探頭在管道內不同位置的計算，通過系統檢測后開始求解。

2.3 水下淡水輸送管道泄漏實驗與仿真結果對比

將兩接收電壓差分經FFT變換之后，繪出定位曲線如圖4a所示。探頭進入管道過程中，電場變化不劇烈。探頭在遇到泄漏點時，在定位曲線上會出現一個馬鞍狀的區域，通過馬鞍狀曲線出現的位置，在最大值點對管道泄漏點進行定位。在探頭進入管道過程中，馬鞍狀曲線最大值點的位置距離泄漏點中心位置的距離為L=10.4 mm。

a. 水下淡水管道泄漏實驗定位曲線

圖4 水下淡水管道泄漏實驗定位曲線及時頻分析結果

淡水管道泄漏實驗數據的時頻分析結果如圖4b所示。觀察可以得出：在f=1 500 Hz處的響應幅度很小且平緩。探頭在遇到泄漏點時，會出現一個馬鞍狀的區域，即定位曲線中用于定位的位置。電場信號在低頻段的干擾很大，但出現的位置和泄漏點位置無關，低頻噪聲主要分布在f=0 Hz附近。

仿真結果處理得到淡水管道泄漏仿真的定位曲線如圖5所示。由圖可知，在探頭進入管道時，管道平滑，接收電壓均勻沒有大的變化；當接近泄露縫隙時，接收電壓開始迅速增大，并在PX=5 mm處出現最大值，之后又迅速減小至原來大小。根據模型，No.3電極的最左邊為PX，No.2電極最右端為PX?10 mm，縫隙的位置為?5～5 mm處。由此可以得出此時縫隙的中心剛好與No.2電極和No.3電極的中心位置相同。

圖5 水下淡水輸送管道仿真定位曲線

對比實驗結果和仿真結果可以看出，仿真結果理想，曲線平穩，可以精確定位到管道泄漏的位置。實驗結果中出現低頻干擾，定位曲線不平穩，定位略有偏差，但仍能根據最大值點較為精準的定位到管道泄漏。實驗結果出現干擾可能有幾個原因：整個實驗系統的干擾；操作實驗時外部環境帶來的干擾；實驗材料不如仿真時材料的參數理想；水槽中水放置時間長時電導率會發生變化。

3 水下脫水原油輸送管道泄漏主動電場檢測實驗與仿真

3.1 水下脫水原油管道泄漏主動電場實驗及結果

水下淡水管道泄漏的實驗和仿真驗證了主動電場技術能夠用于管道泄漏的檢測，同時仿真與實驗結果相一致，驗證了仿真模型及相關設置的正確性。在此基礎上，對水下脫水原油管道泄漏的檢測進行研究。由于實驗樣品的運輸和保質的原因，一般原油在24 h內會脫水，故本文實驗使用的原油是脫水原油。一般而言脫水原油的電導率較原油低，其工作條件較原油而言更為苛刻。實驗結論可以推廣到更有利于建立電場的原油輸送管道。

水下脫水原油輸送管道泄漏實驗與淡水管道泄漏實驗類似。將管道中灌滿脫水原油，固定在水槽中；再將探頭置入管道，由控制臺控制探頭移動，進行實驗。實驗所用的原油來自中國石化勝利油田河口采油廠C913-X9油井，脫水處理之后進行實驗。脫水原油電導率極低，相對介電常數為2.2，電導率為1×10?8S/m[19-20]。實際的原油管道中的電導率更高，探測效果更佳。由于所用的原油電導率較低，采用激勵源為幅值A=5 V，頻率f=1 000 Hz的正弦激勵源。

將實驗所得數據處理后得到結果，如圖6a所示，探頭在進入管道后，在泄漏點的位置出現了特征信號。探頭進入鋼管后約20 s的時間，即探頭進入管道后經過75 mm的距離，探頭收到的幅值迅速減小，幾乎趨近于零，隨后緩慢增大。探頭進入管道31 s后，即No.3電極進入管道內部距離測試點11 mm處，電極接收到的電場電勢迅速增大。到達最大值點時，探頭剛好經過無縫鋼管的泄漏點位置，No.1電極處于泄漏點的正下方。但幅度值增大后保持8 s左右時間，隨著探頭遠離泄漏點，探頭上接收到的信號幅值迅速減小，隨后恢復到正常值。

但在除激勵頻率之外的區域，也有頻率響應，主要體現在高頻和低頻噪聲共同作用。在頻率較低的區域f=0 Hz附近存在噪聲。高頻區噪聲如圖6b所示，在f＞1 000 Hz區域，噪聲混疊很明顯。噪聲在f=2 000 Hz處的幅值最大，且噪聲在頻率上不連續。

圖6 水下脫水原油管道泄漏實驗時頻分析圖及在高頻區的干擾噪聲

3.2 水下脫水原油管道泄漏主動電場仿真及結果

水下脫水原油管道泄漏的仿真模型同淡水管道泄漏仿真的模型基本一致，在淡水管道仿真模型基礎上，在管道內部繪制一個矩形區域，將其材料設置為原油，定義材料相關參數，其他設置保持不變。經過計算處理得出定位曲線如圖7所示。

圖7 水下脫水原油輸送管道仿真定位曲線

觀察圖形可知，在PX=20 mm處定位曲線出現最大值。根據探頭尺寸，此時管道縫隙的中心位置恰在No.2電極的中心處。相比于淡水環境下的定位曲線，脫水原油曲線中除明顯特征信號外，其余點的數據略有起伏，曲線不平穩，與實驗有較多干擾相符。曲線中最大值點的幅值相比其他點明顯較大，特征信號非常明顯，故能夠準確定位到泄漏的位置。

相比水下淡水輸送管道的仿真結果，脫水原油輸送管道的仿真結果中存在干擾。根據仿真條件可以推斷，這些干擾信號與脫水原油有關。脫水原油的電導率較低，阻礙了電場的建立。實驗的結果中存在較多干擾，其原因是原油中存在大量雜質，在交變電場下影響電磁場的分布。

原油實驗結果的時頻分析得出，最大幅值持續了約8 s的時間，而仿真結果只出現了一個位置，這與實驗的原油有關。原油從油井到達實驗室經歷脫水后，基本處于半固體狀態，非常粘稠，一方面阻礙了電場的建立；另一方面致使原油在泄漏位置附近與管壁產生了間隙，造成了探頭在泄漏位置的接收電壓變大且持續了一定時間。

4 結 論

在實際實驗時，還對不同尺寸的縫隙進行了對比，當縫隙尺寸大于5 mm時，探測結果特征信號明顯，能夠對泄漏點進行定位。對比不同尺寸的縫隙實驗結果發現，泄漏點尺寸不同的管道內部電場變化趨勢基本相同，探頭獲取的特征信號也基本相同。從理論上講，管道壁產生泄漏，泄漏點處的阻抗特性或介電特性與周圍正常的管道壁相比有很大的不同，從而引起電場擾動定位到泄漏點。

根據實驗和仿真結果分析，可以對本文提出的管道檢測法得出以下結論：1) 提出了主動電場定位原理用于管道泄漏檢測的方法，并對該方法進行了原理性驗證。2) 成功地利用主動電場法模擬了管道泄漏內檢測，并且成功地探測到了管道的泄漏點。3) 定位精度高。無論實驗還是仿真結果，其最大值點與泄漏中心點的距離最大為20 mm，如若考慮到泄漏的寬度，距離將更小。另外結合電極所在的位置將進一步精確泄漏所在的位置。相比一些傳統方法在幾米、十幾米的定位誤差，主動電場定位法具有定位精度高的特點。

隨著研究的深入，通過對實驗系統的改造，可將該方法應用于多種管道檢測。該方法最終有望將其集成到智能管道機器人，從而實現對管道的內檢測工程化應用，有著較為廣闊的應用前景。

[1] 唐恂, 張琳, 蘇欣, 等. 長輸管道泄漏檢測技術發展現狀[J]. 油氣儲運, 2007, 26(7): 11-14. TANG Xun, ZHANG Lin, SU Xin, et al. Technoogy and developmental globally in leak detection of pipelines[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2007, 26(7): 11-14.

[2] ANDREW F C, PEDRO L, BRYAN W K. A selective literature review of transient-based leak detection methods[J]. Journal of Hydro Environment Research, 2009, 4(2): 212-227.

[3] 唐鶯, 潘孟春, 羅飛路, 等. 基于三維場測量的脈沖漏磁檢測技術[J]. 儀器儀表學報, 2011, 32(10): 2297-2302. TANG Ying, PAN Meng-chun, LUO Fei-lu, et al. Pulsed magnetic flux leakfield testing technology based on 3D magnetic field analysis[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2011, 32(10): 2297-2302.

[4] 楊理踐, 趙洋, 高松巍. 輸氣管道內檢測器壓力?速度模型及速度調整策略[J]. 儀器儀表學報, 2012, 33(11): 2407-2413. YANG Li-jian, ZHAO Yang, GAO Song-wei. Pressurevelocity model and speed adjustment strategy for in-pipe detector in gas pipeline[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2012, 33(11): 2407-2413.

[5] SILVA R A, BUIATTI C M, CRUZ S L, et al. Pressure wave behaviour and leak detection in pipelines[J]. Computers & Chemical Engineering, 1996, 20(1): 491-496.

[6] 孫良, 王建林, 趙利強. 負壓波法在液體管道上的可檢測泄漏率分析[J]. 石油學報, 2010, 31(4): 654-658. SUN Liang, WANG Jian-lin, ZHAO Li-qiang. Analysis on detectable leakratio of liquid pipeline by negative pressure wave method[J]. Acta Petrolei Sinica, 2010, 31(4): 654-658.

[7] 王桂增, 葉昊. 流體輸送管道的泄漏檢測與定位[M]. 北京: 清華大學出版社, 2010. WANG Gui-zeng, YE Hao. Leak detection and positioning in fluid transmit pipeline[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2010.

[8] RASNOW B. The effects of simple objects on the electric field of apteronotus[J]. Journal of Comparative Physiology A, 1996(178): 397-411.

[9] VON DER EMDE G, SCHWARZ S, GOMEZ L, et al. Electric fish measure distance in the dark[J]. Nature, 1998(395): 890-894.

[10] METZEN M G, BISWAS S, BOUSACK H, et al. A biomimetic active electrolocation sensor for detection of atherosclerotic lesions in blood vessels[J]. IEEE Sensor Journal, 2012(12): 325-331.

[11] GABBIANI F, METZNER W, WESSEL W, et al. From stimulus encoding to feature extract in weakly electric fish[J]. Nature, 1996(384): 564-567.

[12] VON DER EMDE G, MAYEKAR K, BOUSACK H, et al. Simulation of bionic electrolocation sensor based on weakly electric fish[C]//World Congress on Nature & Biologically Inspired Computing, 2009, NaBIC 2009. [S.l.]: IEEE, 2009: 830-834.

[13] METZEN M G, BISWAS S, BOUSACK H, et al. A biomimetic active electrolocation sensor for detection of atherosclerotic lesions in blood vessels[J]. IEEE Sensor Journal, 2012(12): 325-331.

[14] WANG Shi-jie, PENG Jie-gang. A stable and low electrochemical noise underwater active electrolocation test system[C]//IEEE International Conferenceon Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices. Sydney: IEEE Conference Publications, 2011: 22-24.

[15] WANG Shi-jie, PENG Jie-gang. A Study on the effect of different manners in active underwater electrolocation based on direct current excitation[C]//E International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices. Sydney: IEEE Conference Publications, 2011: 22-24.

[16] 王世杰. 水下主動電場定位系統特性實驗研究[D]. 成都:電子科技大學, 2012. WANG Shi-jie. The research of characterization of underwater active electrolocation system[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2012.

[17] 趙博, 張洪亮. Ansoft 12在工程電磁場中的應用[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2010. ZHAO Bo, ZHANG Hong-liang. Ansoft 12 in engineering applications of electromagnetic fields[M]. Beijing: China Water Power Press, 2010.

[18] 劉國強, 趙凌志, 蔣繼婭, 等. Ansoft工程電磁場有限元分析[M]. 北京: 電子工業出版社, 2006. LIU Guo-qiang, ZHAO Ling-zhi, JIANG Ji-ya, et al. Ansoft engineering electromagnetic field finite element analysis[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2006.

[19] 黃正華. 油水混合介質相對介電常數的研究[J]. 油氣田地面工程, 2000, 19(2): 8-16. HUANG Zheng-hua. Research on the relative permittivity of oil-water mixed media[J]. Oil-gasfield Surface Engineering, 2000, 19(2): 8-16.

[20] 張黎明, 何利民, 呂宇玲, 等. 油包水乳狀液電導率與電破乳研究[J]. 油田化學, 2008, 25(2): 158-161. ZHANG Li-ming, HE Li-min, Lü Yu-ling, et al. Electrical conductivity of water in oil emulsion and demulsification [J]. Oilfield Chemistry, 2008, 25(2): 158-161.

編 輯 漆 蓉

Research on Fluid Transportation Pipeline Leak Detection Based on Active Electrolocation

PENG Jie-gang1,2, DONG Guan-qi1, and HE Chun-qiu1

(1. School of Automation Engineering and Center for Robotics, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 611731; 2. The State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control, Zhejiang University Hangzhou 310058)

Inspired by the research of active electrolocation organs of the weakly electric fish in biological, a new method which is active electric field principle is proposed for pipeline leakage detection. In order to verify this method, we study the pipeline detection in water and dehydrated crude oil through the experiment platform and Ansoft Maxwell. The positioning curve and time-frequency analysis can be obtained through dealing with the data of experiments and simulations. Positioning curve provides an available method to analyze the experimental results in the time domain. Time-frequency analysis can observe the frequency response of exciting signal when the detector has been inserted into pipes. The comparison of the both experiments and simulation results proves that the active electrolocation can be applied to pipeline detection. When probes are closing to the leaks, the voltage of

signal is increasing significantly. This is the character signal which can be used to position the leak of pipeline.

active electrolocation; finite element simulation; leak detection; pipeline leak

TP212.6

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2015.06.012

2014 ? 05 ? 23；

2015 ? 07 ? 20

國家自然科學基金(61074182, 61573083)；流體動力與機電系統國家重點實驗室開放基金(GZKF-201108)作者簡介：彭杰綱(1971 ? )，男，博士，副教授，主要從事仿生傳感器方面的研究.