綜述管道堵塞的檢測技術

廖翊芳+朱倩倩

摘要：隨著我國經濟的發展和城鎮化的不斷推進，石油和天然氣工業進入一個高速發展的時期，管道運輸這種輸送方式在國民經濟和社會發展中，正發揮著極為重要的作用。而長距離運輸的管道是非常脆弱的，常常會發生各種故障，比如堵塞，所以為了保證工廠或行業的平穩運行以及環境的安全，需要能夠準確的檢測出堵塞的位置和狀況。因此，人們致力于探尋一種迅速、可靠、實用的手段對管道內堵塞狀況進行檢測，對堵塞位置進行定位，它能為管理者制定排堵計劃提供信息，減小排堵作業成本，降低由于管道堵塞造成的停輸經濟損失。本文通過查閱國內外相關文獻對堵塞檢測技術進行了調研，簡要闡述了管道堵塞的主要檢測方法，并討論了各種方法的優缺點。

關鍵詞：管道堵塞；檢測技術；綜述

正文：

一、引言

堵塞是管道系統中普遍存在的問題，根據相關資料統計發現引起管道堵塞的原因主要有以下幾點：在設計階段，管道設計的不合理；在實際運行階段，管道內流速達不到設計要求，有沉淀物淤積；施工中設計閥門質量差，致使閥門失靈，閥門螺桿損壞、折斷等；人為破壞造成管道的堵塞等。堵塞會對管道系統造成許多嚴重后果，例如，在給水管道中，堵塞會破壞給水管道正常的工作狀態，降低給水系統的工作效率，更甚者會破壞供水的水質，給城市居民的健康帶來危害。另外，給水管道中的堵塞會引起管道內壓力的上升，從而導致管道的應力破壞，致使泄漏甚至爆管，出現生產事故，導致寶貴的水資源浪費。如果出現大面積的流失，就不僅僅是資源的浪費，而且引起環境的污染，甚至發生水災，嚴重威脅人民生命財產的安全。因此對堵塞進行檢測和控制是很有必要的。

二、管道檢測技術綜述

1.聲學方法

該方法作為一種補充方法與壓力波脈動解析算法聯合使用，定位精度為20m。該方法需要先使用壓力波脈動解析算法，確定堵塞段的大致位置（定位精度200m），然后在堵點前后范圍內的地面上每隔一定距離安裝傳感器（檢波器），在管道輸入端（泵站）重復施加一定幅度（限幅）的脈沖壓力波，并用電纜將信號輸入多路放大器進行平行等量放大、濾波等處理后，將輸出信號記錄下來。經多次反復試驗，分析堵點前后由地面測量的堵點水擊噪聲強度分布，得到堵點位置信息。

該方法易受環境影響，管道埋深也會影響其使用，需要多次反復試驗，且只適用于小范圍的定位。

2.壓力波法

該方法是利用管道堵塞前后兩端壓差的劇烈變化來檢測管道的堵塞，其原理為：當管道堵塞時，在管道首端發出一個脈沖壓力波，壓力波沿管道向下游傳播遇堵塞物后反彈向首端傳播，在管道首端可以獲得兩次壓力波信息；通過采集管道首端壓力信號，并利用小波變換法提取壓力信號突變信息，獲得壓力波兩次通過傳感器的時間差，最后結合壓力波波速便可以確定管道堵塞的位置。

該方法對管道堵塞檢測的靈敏度高，定位精確度高，可監測較長距離的管道，但多相體系中聲波傳導速度的不確定性嚴重制約了該方法的預測精度及大規模應用，所以該項技術還有很大的改進空間。

3.振動分析

該方法是使用振動分析方法來描述圓形管道中的堵塞效應，提出了用快速傅里葉變換（FFT）圖來描述堵塞水平與振動信號的相關性。在流體流過障礙物的時，流動橫截面面積減小，并且根據連續性方程，流體速度增加。按照伯努利定律，流體的壓力隨之下降。由于這種波動的壓力和過高的速度，在管道中可以觀察到顯著的振動響應。用加速度計測量振動參數，得到不同的加速度計位置（點A、B、C）的頻率響應與管道內各種堵塞厚度之間的關系。觀察到，由于B點處存在阻塞，在B點處的頻率與點A和C的頻率相比是最大的。所以面積和壓力的變化會改變振動模式。通過比較管道各點的頻率，發現在最大阻塞厚度處，速度最大，頻率在7？9 kHz之間變化。

4.γ射線探堵

該方法適用于地面管道堵塞部位較為明顯時，對堵塞段填充物進行識別，判別產生堵塞的主要原因。該方法利用γ射線在地面管道外進行探堵，由于γ射線在穿透某種物質時，一部分γ射線被該物質吸收，而吸收的γ射線光子數目與物質密度密切相關，且不同密度的物質對γ射線的吸收幾乎都隨著物質密度的增加而增加。故只要通過對γ射線光子數目進行計數就可以實現對管道內的各種堵塞物進行區分，從而確定產生堵塞的位置和主要原因。

該方法主要用于地面管道堵塞發生后，在知道堵塞位置時，對堵塞段具體情況進行判斷，識別堵塞物，以便對排堵計劃提供參考信息。該方法無論管內介質是氣體亦或是液體都適用，但由于自身的局限性其只適用于小范圍且堵塞部位較為明顯的地面管道進行探堵。

5.基于瞬態實驗的堵塞檢測技術

該類方法通過對堵塞管道激發瞬態，獲得瞬態過程的試驗數據，對試驗數據進行分析，最終得到管道堵塞段的相關信息。為了進行管道堵塞點的定位和堵塞特征的識別，需要在管道內制造瞬態。需要激發的瞬態可以分為短時瞬態和長時瞬態兩種。

基于瞬態實驗的堵塞檢測技術按照其對響應數據處理方式的不同，可以分成兩類：頻域方法和時域方法。頻域方法中，頻率響應函數由測試數據決定，該函數能夠描述系統物理特性。同時，系統異常通過在類似于逆向瞬態分析的過程中縮小計算的頻率響應和試驗結果的差距得到。時域方法中，對堵塞段的診斷基于對管道的第一個特征時間的識別（短周期分析）。由堵塞段反射的壓力波，可以判斷堵塞段的位置和尺寸。

頻域方法只需要使用諧振峰值，就能準確預測堵塞段位置和尺寸。而穩態或非穩態的摩擦以及其它衰減效應對該方法的精確度幾乎沒有影響。該方法依靠可觀測的共振頻率數目，其精度受使用的擬合技術或最優化方法影響。頻域方法能迅速可靠的預測堵塞段特征。主要方法為頻率響應法（FRA）。時域方法，依靠特征時間的識別能夠迅速可靠的預測堵塞段位置，其對堵塞段的特征時間處理采取的策略至關重要。準確的識別特征時間與定位精度息息相關，時域分析的主要方法為壓力信號分析法（PSA）。

三、結語

近年來，對于定位技術，國內外研究熱點主要集中在基于瞬態實驗的分析方法上。這類方法耗時較少，成本低，且具有較高的精度。然而，在實際工況下，管道堵塞情況復雜多變，單純的使用一種方法進行堵塞點的定位可能無法應對實際的復雜環境，故需要根據實地情況采用多種技術相結合的方法，將各種方法的優缺點統籌起來，揚長避短。

參考文獻：

[1]冷俊，液體管道堵塞檢測及定位技術研究[D].西南石油大學， 2015.

[2]操澤，長輸天然氣管道事故工況模擬分析[J].當代化工， 2015（12）.

[3]ShantanuDatta，ShibayanSarkar. A review on different pipeline fault detection methods[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries， 2016：97-106.

[4]劉恩斌，李長俊，彭善碧，等.基于壓力波法的管道堵塞檢測技術[J].天然氣工業，2006：112-114.

作者簡介：

廖翊芳（1996.09-）女，漢，湖南省郴州市，身份證號：431024199609183322，本科生，研究方向：環境工程

朱倩倩（1995.12-）女，漢，河南省周口市，身份證號：412702199512123144，本科生，研究方向：環境工程endprint