一種液壓支架液泄漏檢測方法的應用

馮彥輝，李大林

(1.中國石化潤滑油有限公司華東分公司，上海 200137；2.中國石油大連石化公司，遼寧 大連 116031)

0 引言

隨著煤礦生產的現代化水平越來越高，運用超長距離供液管線來保障煤礦生產液壓支架正常工作成為重要的方法，但管道的泄露問題不但會影響正常生產，還有可能引發安全事故，需要采取綜合治理方式加以預防。按照預防為主、安全第一的原則，預防和應對管道泄露最主要的思路就是運用風險管理的方法，提前識別、估計、預判、監測泄漏點和可能的泄露段。對管線的全天候監測不但要監測管道涂層泄露，更要監測管道內的泄露。監測需要相關檢測的數據作為支持，而業內比較成熟和先進的管道檢測方法卻不能直接運用于超長距離供液管線，因此需要開發簡單實用的管道泄露檢測新技術。超長距離管道檢測方法不僅是煤炭安全生產的必須，也可以為管道的修復提供可靠的依據。同時，對液壓支架液的研究應用，也成為潤滑油公司研發和生產的一個工作重點。支架由安設在巷道或硐室的乳化液泵站供液。當壓力乳化液通過控制系統進入立柱后，支架就升起初撐頂板，隨著頂板下沉，支架對頂板的支撐阻力增高，由安全閥來限定立柱內閉鎖液體的壓力，實現恒阻支撐。

1 某綜采區放頂煤開采工作面管道檢測方法的選擇

1.1 某綜采區放頂煤開采工作面的特點

一般的遠距離供液管線，長度在1000～3000 m之間，工作人員沿管線巡查時能及時發現泄露及其他問題，管路出現問題后的排查檢修也相對方便一些。但長度在3000 m以上時，如果管路出現問題，則需要花費更多的時間和人力來進行排查巡視。

某綜合機械化放頂煤開采工作面走向長度近6000 m，傾向長度也有280 m。相比較其他煤礦，該煤礦的工作面距離更長，工況更復雜。通過人力巡視來排查管線安全問題，不僅周期長效率低，而且容易錯過泄漏點，隱患比較大。工作面示意見圖1。

1.2 巡查人員的技能和責任心

該煤礦生產中使用的管道泄漏檢測方法，主要是用來檢測管道自身的完好性，可以從人員、設備、原料、方法和環境多個方面分析。

管道泄漏檢測相關的部門要加強對員工的職業道德和職業情感培訓，認真負責地做好本職工作。儀器設備監測人員要掌握設備的工作原理、工作流程、維修檢修、結果判斷等基本技能；管道巡視人員需要培養有經驗的工作人員，運用人體自身的眼耳鼻舌身等感覺器官，用現場觀測的方法來辨顏色、聞氣味、察熱度、聽聲音，以檢測出管道液體、氣體的泄漏點。有時輔助通過專門訓練過的動物，通過感官感覺的異常發出警報，再由人工來確認泄漏的具體位置。這種方法主要依賴于個人經驗，易受到主觀干擾，而且很難準確預判泄漏點，只能在泄漏有明顯征兆時才發揮作用。

雖然人工巡視受外界環境因素的影響大，且連續性差，靈敏性不高，只能針對管道長度在1000～3000 m左右的較短距離，但由巡線員沿管道來回巡查礦中的供液管道系統還是必須的。煤礦超長的管道系統全部應用人工巡視不太合適，會消耗太多人力、財力、物力，而且隱患較多、安全性差。

1.3 檢測儀器設備的可靠性和準確性

在管線的拐彎、接口和閥門等關鍵部位，依靠不同的儀器設備等硬件裝置來輔助檢測確定泄漏位置[1]，傳感儀可以檢測溫度、壓力、流量和聲音等，進行數據的貯存和處理，也可配備監視和照相設備。這種檢測方法可以用于煤礦液壓支架中的的供液管道，但成本較高。所用典型裝置根據設計原理有五種類型：氣體取樣檢測器、溫度檢測器、聲學檢測器、電參數檢測器和管內行走檢測器。

1.3.1 氣體取樣檢測器

在用的氣體取樣檢測器有火焰電離檢測器和可燃氣體檢測器。在有電場存在時，烴類(氣態)在純氫火焰的灼燒下會產生帶電碳原子，火焰電離檢測器將碳原子收集到一個電極板上并計數；當碳原子的數量超過預設值時，表明周圍空氣中存在超過警戒濃度的可燃氣體，檢測器即報警。基于接觸燃燒原理的可燃性氣體檢測器，可檢測約22.4×104mol/m3氣體，對管道的氣體泄露很有用。

1.3.2 溫度檢測器

管道中的流體泄漏會引起管道周圍環境的溫度變化，露天管道用搭載在車輛、無人機上的溫度檢測器，通過監測泄漏引起的熱點來進行判斷和報警。先進的大面積溫度傳感器技術的應用，使溫度檢測器更加實用。目前已經有采用多傳感器電纜和運用光導纖維的光學時間域反射測定法，檢測泄漏附近溫度的變化。

1.3.3 聲學檢測器

管道流體滲漏發生后，流體會流出管道并發出異常聲音，按照管道內流體物理性質決定的聲波速度傳播，這種波可以運用聲音檢測器檢測。在管道內通過檢測聲音信號，在正常運行的聲音中鑒別出泄漏的聲音，從而發現泄漏。每個儀器檢測的范圍有限，一般會沿管道安裝多個聲音傳感器。

1.3.4 電參數檢測器

電參數檢測器主要通過電纜阻抗和土壤電參數來檢測泄漏點。在管道建設時，沿管道鋪設一種電纜，該電纜能與管道內流體進行某種反應。泄漏發生時，則泄漏的流體會與電纜發生反應，改變了電纜的阻抗特性，電參數檢測器檢測到此信號并將信號傳送到檢測中心，可利用長度和阻抗、電阻率的關系，來確定泄漏的位置和泄漏程度。所用材料的導電率、絕緣阻抗熱穩定性好、不易燃燒、化學穩定性好，目前主要用于天然氣管道，但不適合礦山中的乳化液管道。流體泄漏會引起管道周圍土壤電參數的變化，可通過檢測土壤電參數準確定位地下管道的泄漏。

1.3.5 管道行走檢測器

在操作人員的遠端控制下，這種可在管道內行走的機械攜帶一種或多種傳感器，進行一系列的管道檢測維修作業，是理想的管道自動化檢測裝置。管道檢測機器人可以對管道環境進行智能化識別，自動完成檢測任務。通過移動載體在管道內行走，通過視覺系統、信號傳送系統、動力系統和控制系統，利用超聲波傳感器、漏磁通傳感器等多種檢測傳感器，檢測相關參數的變化，實現泄漏檢測和報警。

1.4 液壓支架管線輸送液體的物理化學特征

根據曹家灘綜采區第二個綜合機械化放頂煤開采工作面液壓支架液體的物理化學特性，設計新的管道泄漏監測報警定位系統勢在必行。液壓支架液是為煤炭行業長壁開采過程配套的產品，用于煤礦井下液壓支架和外注式單體液壓支柱的液壓系統，起著傳遞動力、防銹等作用。管線中的液體按類型分為兩大類：乳化油和濃縮液。按適用水質的最高硬度分成8個等級，按推薦使用濃度再組合出多個規格，如4%、5%等。液壓支架用乳化油/濃縮液主要指標見表1，試驗方法分別是標準MT/T 76-2011的6.2～6.8。

表1 液壓支架用乳化油/濃縮液主要指標

1.5 軟件監測方法的可靠性和準確性

管道發生泄漏時，流量、壓力和溫度等運行參數會發生一定的變化，據此對泄漏進行判斷可以采用計算機軟件方法。利用計算機軟件包對各種傳感器以及SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，數據采集與監視控制系統)提供的管道運行參數變化，進行處理分析，可以檢測管道流體的泄漏。

1.5.1 質量流量平衡法

根據質量守恒定律，在未有泄漏發生的完好管道中，進入管道的流體質量流量等于流出管道的質量流量。一旦發生泄漏，特別是泄露程度達到某一定量時，在入口處和出口處就形成明顯的流量差。通過檢測管道上多點位的輸入和輸出流量，或檢測管道兩端泵站的流量，就能夠將信號匯總形成質量流量平衡圖像，只要根據發生泄漏時圖像的變化特征，就可確定管道流體泄露的程度和大致的位置。根據管道容量=管道流進量-管道流出量=常量，運用儀器儀表檢測一段管道上、下游的流量差，當差值超過某一額定閾值(常量+ΔV)時，應發出報警[2]。也可以在測試上、下游流量差的基礎上，引入補償變量，如壓力變化、溫度變化、管道容量波動等。即使在管道的壓力以及流速變化不大的情況下，該方法也可以檢測出泄漏的存在。

1.5.2 壓力分布法

壓力點分析法用來檢測管道上若干檢測點的壓力，因為流體從某一穩態過渡到另一穩態時，管道內流體的壓力、速度和密度等參數會有一定的變化，據此可以作為判斷其中是否有流體泄漏的信號。具體做法是，將壓力傳感器分別設置在管道沿線的各個截斷閥處，采集各處的壓力信號，經過匯總構成該管道的整體壓力分布圖，然后根據壓力曲線的梯度特征，來判斷和確定流體的泄漏程度和泄漏位置。當處于穩定工況時，管線內流體的壓力、速度和密度的分布不隨時間而變化；當管線上的泵或壓縮機的供給能量發生變化時，相關參數會出現連續變化；當管道發生泄漏時，管道內的流體會過度到一個新的穩態，相關參數會出現梯度性變化。該方法在礦業開采的遠距離供液管路中應用較多，但需要初期采集大量的原始測量數據，而且很難對泄漏點進行準確定位。

1.5.3 負壓波法

在管道發生泄漏時，因流體物質損失而引起局部流體密度減小，會出現瞬時的壓力降低和速度差，這個瞬時的壓力下降，作用在流體介質上就作為減壓波源，通過管道和流體介質向泄漏點的上下游以聲速傳播。當以泄漏前的壓力作為參考標準時，泄漏時產生的減壓波就呈現為負壓波，其傳播的速度在管道和輸送的流體中并不相同。設置在泄漏點兩端或泵站的傳感器拾取到該壓力波信號，根據兩端拾取壓力波的梯度特征和壓力變化率的時間差，利用信號相關的處理方法，就可確定泄漏程度和泄漏位置。

為及時對文件進行宣貫，本實驗室在每個文件的頁眉均設計了“發布日期”“修訂日期”“實施日期”；且在“發布日期”“修訂日期”“實施日期”之間存在一個時間緩沖期，這是文件的宣貫時間。文件在流程中被批準后，由質量管理部門的管理者傳閱給文件適用部門，對相關人員進行宣貫，為文件的執行做好準備。

1.5.4 瞬變流模型法

瞬變流模型法利用流體狀態方程、質量守恒、動量守恒和能量守恒四大方程，建立準確描述管內瞬變流動過程的數學模型，通過流體速度、溫度、壓力、比重和黏度等多種變量的變化，來預測管道的狀態。還能通過計算機技術進行求解，再根據計算值和測量值的偏差來判斷和檢測泄漏現象。當實際的測量值與模型的計算值之間的差值超過了某一閾值，就發出泄漏報警。這種方法不但可以進行泄露定位，還可以估算泄漏發生的時間及泄漏量的大小，但建模及計算所需的工程量都相當大，而且誤報警率較高，相關的設備和軟件安裝費用和維護費用也偏高。

1.6 液壓支架管線的工作環境

在綜合機械化采煤中，液壓動力裝置的液壓支架系統是不可缺少的配套設備，利用液體壓力產生支撐力并實現自動移設來進行頂板支護和管理。液壓支架結構用來控制采煤工作面的礦山壓力，采面礦壓以外載的形式作用在液壓支架上。液壓支架要適應采面圍巖，其間形成相互作用的力學系統，要求液壓支架的各支承件合力與頂板作用在液壓支架上的外載合力正好在同一直線上。在綜采區122108工作面液壓支架的供液管線，液壓支架的工作環境，一種是水平面和小于等于10°的緩傾斜厚煤層沿底板一次放頂煤采全高開采的長壁綜采工作面，另一種是有極傾斜的特厚煤層水平分層放頂煤綜采工作面。液壓支架結構縱橫向穩定性好，防護性能強，移架速度快，對頂板適應性強。

2 管線泄漏檢測新方法的建立

2.1 建立管線泄漏檢測新方法的依據

為了找出適合該綜采區第二個綜合機械化放頂煤開采工作面的超長距離供液管線泄漏的檢測方法，對近年來的文獻進行調研。某個鹽鹵全長187 km的管道，干線長146 km，管徑為Φ559 mm，末端有兩個分輸出口，一個鹽場支線20 km，另一鹽場支線21 km。該管道單段距離超長、有分支，且輸送量大，采用“負壓波+輸差分析”測漏原理，其輸鹵管道測漏系統實現了管道泄漏監測報警與定位，可以保障管道的安全運行[3]。

李堯斌等利用輸氣管道泄漏聲波測試實驗平臺，進行了圓形孔、三角形孔、矩形孔和不規則形孔的泄漏實驗，發現不同孔形的泄漏聲源頻譜均在50～52 kHz范圍內存在突出頻響，為聲波檢測法的開發和應用提供了參考依據[4]。王正等基于負壓波多壓力傳感器，提出一種管道泄漏檢測的新方法，提高了管道泄漏檢測的準確度、降低了漏報率，而且能夠提高系統泄漏點的定位準確度[5]。楊珉等提出了一種基于泄漏檢測預測卡爾曼濾波(LPKF)水管線監測(WPM)方法，解決了針對長輸管道泄漏的檢測和定位問題[6]。

焦敬品等進行了供水管道多泄漏點聲定位方法研究，研究了多泄漏點產生的聲發射信號及環境噪聲對供水管道泄漏定位的影響，為實際供水管道多泄漏點檢測及定位提供了可行的解決方案[7]。

楊丹迪等提出了一種改進的VMD(Variational Modal Decomposition, 變分模態分解)算法，能較精確地選取有效模態分量。改進的VMD算法能較精確地選取有效模態分量，具有較好的去噪效果，驗證了在管道泄漏檢測中的有效性。

2.2 管線泄漏檢測新方法的原理

該煤礦原使用的方法，是檢測管道輸入端和輸出端的流速或壓力值的變化。當管道流速和壓力有快速變化(如上游流速增加、壓力降低)的現象，就說明了有泄漏的發生。但這種方法僅適用于近似靜止狀態的、壓力較低的流體泄漏檢測，而且只能檢測出較大的泄漏，且無法對泄漏點進行定位。

當管道發生泄漏時，由于管道內外出現壓差，使泄漏處的壓力突降，泄漏處周圍的液體由于壓差的存在向泄漏處補充，在管道內突然形成負壓波動。此負壓波從泄漏點向管道的上端和下端傳播，并以指數率衰減，逐漸歸于平靜，這種壓力波動和正常壓力波動的態勢是全然不同的，它具有更加陡峭的前沿。安裝在兩端的高敏壓力變送器接收到該波信號并被采集系統采錄。系統將結合壓力和流量的變化特征，來判斷泄漏是否發生；通過測量泄漏時產生的瞬時壓力波到達上、下端的時間差和管道內壓力波的傳播速度，計算出泄漏點的位置。為了克服管道噪聲等因素的干擾，采用小波變換和相關分析負壓波的傳播規律和管道內的噪聲、水擊波等變換特點，并結合管道管壁的彈性和液體的物理參數、物理特性進行分析、處理、計算。對于一般輸送原油的鋼質管道而言，負壓波傳播速度約為1000～1200 m/s。該項技術的分析方法對于突發性泄漏比較敏感，適合監視因人為引起的泄漏，但是對于緩慢的腐蝕滲漏不十分敏感。

該系統根據壓力波響應的時間差、管道長度、壓力傳播速度，建立基本的數學理論模型[8]。系統又根據因管道物理參數、被輸介質的理化性質以及溫度衰減等因素對壓力波的傳遞速度造成的衰減變化，進行了必要的補償和修正。

如果從管道內的流量作為切入點，同時對比壓力變動情況，研究管道的泄漏問題，理論上會取得更好的效果。以負壓波法為基本方法，利用管道瞬態模型，根據現場實際情況確定報警、定位的分析方式，建立了管線泄漏檢測新方法。此方法可以采用流量報警、壓力定位，以及流量+壓力綜合分析報警和定位。同一時間，沒有泄漏的情況下管道內各處的流量是相同的，根據這一時間點的流量數據，計算出整條管路各個點的理論壓力值，計算出的壓力值與實際檢測的壓力值進行對比。無泄漏的情況下，算法自動修正計算的壓力值與實際的壓力值的偏差。運行過程中，若某一流量檢測點出現異常，可通過壓力參數的變化判定是泄漏還是儀表錯誤；同樣，若某一壓力監測點出現異常，可通過流量參數的變化判定是泄漏還是儀表錯誤。

此方法通過檢測不同位置的流量和壓力變送器的數據，準確且精確的分析判斷是否存在泄漏。

2.3 流量變送器基礎判定方法

在泵站和液壓支架的進液管安裝流量變送器A、B、C，回液管安裝流量變送器D，見圖2。

圖2 管線泄漏檢測新方法示意

在正常工作運行狀態，A=B=C>0，D>0；壓差與距離成正比，修正算法數值。壓降算法基礎為達西-韋斯巴赫(Darcy-Weisbach)方程。如果鋼管泄漏，那么A>B(AB段漏)或B>C(BC段漏)，記錄壓差變化。一旦支架泄漏，則A=B=C>0，D=0；或一段時間內，C與D的差值超過某一數值，此數值需要在運行過程中自動修正。對于泄漏速率，取一段時間內的總流量進行對比，(A-B)/時間，為AB段泄漏速率。所取時間段的壓力值須是工作狀態的數值。系統檢修時會有流量損失，此時間段的數值不做參考。流量變送器基礎判定方法見表2。

表2 流量變送器基礎判定方法

2.4 管線泄漏檢測新方法的設備組成

該管線泄漏檢測方法用到的設備有：本安型流量變送器、防爆電纜、中繼器、本安型電源、終端顯示設備、監測點轉接設備等。見圖3。

圖3 管線泄漏檢測新方法

本安型流量變送器包括本安型變送器、壓力開關、溫度開關、流量計、液位計等。采用堅固密封的(316)不銹鋼封裝，保護危險場合的設備儀器。壓阻測量元件適用于工業過程控制，標準壓力量程范圍從0～10 Pa到0～100 MPa，可以提供所有常用壓力單位的校驗。對輸液管道的測試和監測過程，提供電路反接和短路保護。適應的介質溫度高達150 ℃。電涌(雷擊)保護，符合電磁兼容浪涌雷擊抗騷擾實驗標準EN61000-4-5。本安型防爆電纜ib等級，在正常工作狀態下，以及電路中存在故障時，不能點燃爆炸性氣體混合物，工作電流被限制在150 mA以下。壓力開關主要類別包括常開式和常閉式。采用英制管螺紋快速接頭或銅管焊接式安裝結構，安裝靈活，使用方便，無需特殊的安裝固定。插片式導線式連接方可供用戶任意選定。密封式不銹鋼感應器安全可靠。溫度開關具有體積小、外殼絕緣、動作靈敏、壽命長等特點，可以對一般電氣設備有過熱過流雙重保護作用。

3 管線泄漏檢測新方法的應用

對該122108工作面液壓支架的供液管線采用了新方法進行管線泄漏的監測，將整條6000 m長的管線分成30段區域。具體思路是：前期采集供液管線和液壓支架工作的流量、壓力等參數數據并形成原始曲線，確定一個閾值范圍，用監測數據與原始曲線做對比，來判斷管線泄漏問題。如果監測數值在一定閾值內，就說明沒有泄漏；當數值超出這一閾值，就說明有泄漏；然后快速查看是哪一區域，直接到這一區域去進行人工巡視排查。

在新方法應用期間，19段區域出現過泄漏，控制面板立即顯現出警報以及出現泄漏的區域，馬上安排工人到此區域去巡查，很快就查到了泄漏點。按照預定方法處理后，警報解除，管線很快就恢復正常工作。

實踐證明，對長距離輸液管線進行實時監控，運用這種新的泄漏檢測方法，可以快速發出警報，而且準確可靠，誤報警少；由于監測分布在各個不同區域，警報能夠針對泄漏現象進行定點定位，提高了緊急處理的及時性，節省了排查泄漏點的時間和人力。

煤礦液壓支架系統在應用過程中，要保護設備和人員的安全，根據每個煤礦的采高、坡度、礦質結構、環境不同，設計使用的液壓支架基本不同，但要保證安全高效運行，則是共同的追求。針對液壓支架立柱的沖擊試驗相關參數選取不規范的問題，翟國棟等以重錘法為分析方法，建立了一種基于GB 2025974.1-2010的液壓支架立柱沖擊數學模型，以ZY6000/18.5/38A掩護型液壓支架立柱為例進行顯式動力學沖擊仿真，為立柱沖擊所采取的參數試驗數據提供了理論基礎[9]。張遠志等通過使用KJ653礦壓動態監測系統，礦方獲取了工作面推采過程中液壓支架的工作狀況，得到了頂板壓力顯現規律，提高監測結果可靠性和實時性的同時，保證了礦井的高線生產和人員安全[10]。王海榮等針對液壓支架布局分散、協同作業和遠程監控管理效率低等問題，設計了一種基于S7-120020PLC和CAN的液壓支架遠程監控系統，可實現液壓支架的遠程監控管理[11]。張謙等針對煤礦液壓支架控制器檢測中存在測試效率較低問題，設計液壓支架控制器自動化檢測裝置，實現液壓支架控制器功能自動檢測，促進液壓支架電液控制系統發展[12]。液壓支架液的正確選擇和使用，對液壓支架的作用發揮有著重要意義，可以運用質量功能展開圖和邏輯框架結構分析產品的對象和模式，運用質量屋擴展產品服務的范圍，解決客戶關注的核心問題，改進潤滑系統，保障設備運行[13]。GB/T 37222-2018《難燃液壓液噴射燃燒持久性測定空錐射流噴嘴試驗法》的發布、實施對煤礦、非煤礦山、鋼鐵、冶金、機械、電力等行業的安全生產及難燃液壓液生產企業都具有重要意義[14]。水-乙二醇難燃液壓液在鋼鐵工業中的應用為其更廣泛地應用提供了依據[15]。這些研究成果，為管線泄漏檢測新方法的進一步改進，提供了有益的借鑒。

4 結語

管道監測是管道運輸安全體系的重要組成部分，是保證管道安全最經濟有效的方法。

超長距離輸液管線檢測新方法，通過檢測不同位置的流量和壓力變送器的數據，準確且精確的分析判斷是否存在泄漏，為管道監測提供了明亮的眼睛。應盡快采取有效措施，制定管道監測和檢測規范，建立完整的管道安全保證體系，并依此有計劃有步驟地對管道實施智能化監測，保證管道安全平穩運行。超長距離輸液管線應用的廣泛性，要求加強泄漏監測和檢測新方法的研究與應用。