CN104534282A - 一种用应变箍传感器阵列进行管道泄漏监测和定位的方法 - Google Patents

Abstract

一种用应变箍传感器阵列进行管道泄漏监测和定位的方法，属于管道监测技术领域。其特征是通过应变箍传感器阵列测量泄漏产生的负压波时程信号，进行泄漏监测；通过应变箍传感器阵列测量到负压波信号的时间差以及应变箍传感器的几何间距列方程组，消去负压波波速这一未知量，求解泄漏点位置，并且通过多组泄漏点位置求平均值的方法减小定位误差。本发明的效果和益处是解决了传统负压波定位方法必须利用负压波波速进行定位计算从而导致泄漏定位精度差的不足，具有可靠性高、对管道结构无损、可以实现泄漏实时监测的优点。

Description

一种用应变箍传感器阵列进行管道泄漏监测和定位的方法

技术领域

本发明属于管道监测技术领域，涉及到一种管道泄漏监测和定位的方法，特别涉及到一种用应变箍传感器阵列进行管道泄漏监测和定位的方法。

背景技术

油气管道在运营过程中，由于自身的损伤以及某些外力的破坏作用，不可避免的会发生泄漏事故，而一旦发生泄漏，不仅产生巨大的资源浪费，而且还会对环境造成污染，因此对管道泄漏的监测和泄漏定位显得尤为重要。

当管道发生泄漏时，其泄漏部分立即有物质损失，由此引起泄漏位置处的流体密度减小，压力下降，流体在泄漏点和相邻的两边区域之间的压力差导致流体从上下游区域流体向泄漏区域填充，从而又引起与泄漏区相邻的区域密度和压力的降低，这种现象依次向泄漏区上下游扩散，称为负压波。因此有专家学者提出一种通过负压波进行泄漏监测和定位的方法，并且已经应用于实际工程。这种方法通过安装在管道首末两端的压力传感器采集负压波信号，目的是得到负压波传播到管道首末两端的时间差，然后利用负压波波速计算出泄漏点位置。这种方法可以对管道泄漏进行实时监测，但是泄漏定位时需要通过负压波波速求解泄漏点位置，而负压波的传播速度并非常数，它与管壁的弹性、液体的压缩性、管道的摩擦系数等因素有关，因此通过负压波波速进行泄漏定位计算将导致泄漏定位精度较低；而且负压波在传输过程中会出现能量衰减，导致一些长输管道受最小可检漏率的影响，管道首末两端的压力传感器测量不到负压波，导致部分泄漏工况无法检测；另外一旦管道首末端的两个压力传感器的其中一个失效，就将无法得到负压波传播到管道首末两端的时间差，这将导致泄漏定位失败，因此有必要研究一种能够克服这些不足的管道泄漏监测和定位方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过应变箍传感器阵列进行管道泄漏监测和定位的方法，解决传统的通过压力传感器测量负压波进行管道泄漏监测和定位方法存在的不足。

本发明的技术方案是：

由材料力学可知，管道内部压力会使管道外壁产生环向变形，如公式(1)所示：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}_y-\mathrm{\υ\Δ}{\mathrm{\σ}}_z}{E}---\left(1\right)$

其中，Δε_y为管道外壁环向应变，υ为管道泊松比，Δσ_y为管道外壁环向应力，Δσ_z为管道外壁轴向应力，E为管道弹性模量。

假定管道为无限长，则管道内部压力导致的管道外壁轴向应变Δσ_z可忽略不计，即Δσ_z＝0；同时，由材料力学基本原理可知，其中Δp为管道内部压力，R为管道内径，d为管道壁厚。将Δσ_z和Δσ_y的值带入公式(1)，可得到关系式：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{\mathrm{R\Δ\π}}{\mathrm{dE}}---\left(2\right)$

由公式(2)可知，Δε_y与Δp成正比，因为负压波在管道内部由泄漏点开始向上下游传播导致所到位置处的管道内部压力降低，并且在泄漏发生的短时间内d、E、R为常量，所以管道外壁环向应变时程可以间接反映负压波时程，基于这个原理，我们提出通过应变箍传感器阵列测量管道外壁环向应变，利用管道外壁环向应变时程反映负压波时程，进而实现对管道泄漏的监测。

由于管道泄漏产生的负压波的大小及其在管道内传播的衰减程度都与管道的工况、长度、口径和介质物性等管道特性有关,因此管道特性决定了负压波在管道上的可检测性，因此应变箍传感器的排列间距应该根据负压波的可检测性，结合经济性的要求，通过计算确定，定义这个通过计算得到的排列间距为设计间距。

按照相同的设计间距在管道外壁安装应变箍传感器，组成应变箍传感器阵列。通过应变箍传感器阵列测量管道外壁环向应变，通过管道外壁环向应变时程反映负压波时程，当应变箍传感器阵列测量到负压波信号时，则管道发生泄漏。

当负压波从泄漏点开始以一定的速度向管道的上下游传播时，距离泄漏点越近的应变箍传感器越先测量到负压波信号。由于应变箍传感器是等间距排列的，所以泄漏点一定位于最先测量到负压波信号的两个应变箍传感器之间。对比各个应变箍传感器测量到负压波信号的时间先后，将泄漏点定位于两个最先测量到负压波信号的应变箍传感器之间，实现管道泄漏的粗略定位。

把最先测量到负压波信号的应变箍传感器设定为固定传感器，以泄漏点为分界点，将与固定传感器相对应的泄漏点另一侧的各个应变箍传感器分别与固定传感器编成组，以固定传感器至泄漏点的距离为待求量。因为编成组的两个应变箍传感器至泄漏点的距离不同，所以这两个应变箍传感器测量到负压波信号的时间存在时间差，由此建立方程：由于应变箍传感器均按照设计间距排列，因此泄漏点到泄漏点两侧的应变箍传感器的距离之和始终是设计间距的整数倍，由此建立方程S_i+X＝nL。由两组传感器所建立的四个方程联立方程组，求解过程中消去负压波波速这一未知量，计算出固定传感器至泄漏点的距离X。由于应变箍传感器阵列由多个应变箍传感器组成，因此可以建立多个方程组并求出多个泄漏点位置的解，以多个泄漏点位置值的解的平均值作为最终的泄漏点位置，实现管道泄漏的精确定位。其中：

X—泄漏点至所设定的固定传感器的距离；

S_i—指与固定传感器编组的另一个应变箍传感器至泄漏点的距离；

v—负压波传播速度；

Δt—两个应变箍传感器测量到负压波的时间差；

L—相邻两个应变箍传感器的设计间距；

n—编组的两个应变箍传感器所包括的设计间距的个数。

本发明的效果和益处是，该方法具有实时监测、灵敏度高、对管道结构无损的优点，解决了传统负压波定位方法必须利用负压波波速进行定位计算从而导致泄漏定位精度差的不足；基于这种应变箍传感器阵列的定位方法可以通过多组数据求平均值的方式计算出泄漏点位置，能够减小误差，增加了泄漏定位的精度；另外应变箍传感器阵列由于测点多，少量的传感器失效并不会影响对泄漏的监测和定位的精度，确保了这种泄漏监测和定位方法的可靠性。

附图说明

附图1是管道泄漏监测和定位方法流程图。

附图2是具体实施方式中所描述的管道以及应变箍传感器阵列示意图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

在本具体实施方式中虚拟了一段管道，基于这个管道详细说明本发明的具体实施方式。

步骤1：在管道外壁以设计间距L安装5个应变箍传感器，组成应变箍传感器阵列，将应变箍传感器依次编号为1#、2#、3#、4#、5#，实时监测管道外壁环向应变的变化情况。

步骤2：当应变箍传感器阵列监测到负压波时，则管道发生泄漏。

步骤3：假设1#、2#、3#、4#、5#测量到负压波出现的时间分别为t1、t2、t3、t4、t5，比较它们的先后顺序，若有t1>t2>t3>t4<t5且t3<t5，则泄漏点定位在3#和4#两个应变箍传感器之间。

步骤4：4#最早测量到负压波，所以把4#设为固定传感器，并分别与泄漏点另一侧的1#、2#、3#编成组，分别为1#和4#、2#和4#、3#和4#。

步骤5：以1#和4#以及2#和4#所列的方程组建方程组，对于1#和4#，Δt₁＝t1-t4，1#和4#之间的设计间距个数为3，所以n＝3，列方程S₁+X＝3L；对于2#和4#，Δt₂＝t₂-t₄，2#和4#的之间的设计间距个数为2，所以n＝2，列方程S₂+X＝2L。组成方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{S_1-X}{v}=\mathrm{\&Delta;}{t}_1\\ S_1+X=3L\\ \frac{S_2-X}{v}=\mathrm{\&Delta;}{t}_2\\ S_2+X=2L\end{array}\right.$

求解过程中消去负压波波速v，解出

以1#和4#以及3#和4#所列方程组成另一个方程组，对于3#和4#，Δt₃＝t₃-t₄，3#和4#之间的设计间距数为1，所以n＝1，列方程S₃+X＝L，再与1#和4#所列方程，组成方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{S_1-X}{v}=\mathrm{\&Delta;}{t}_1\\ S_1+X=3L\\ \frac{S_3-X}{v}=\mathrm{\&Delta;}{t}_3\\ S_3+X=L\end{array}\right.$

求解过程中消去负压波波速v，解出

步骤6：最终泄漏点位置值

Claims (1)

1.一种用应变箍传感器阵列进行管道泄漏监测和定位的方法，该方法利用应变箍传感器阵列测量管道外壁环向应变，通过管道外壁环向应变时程反映管道泄漏产生的负压波时程，进而实现对管道泄漏的监测；通过将固定传感器与应变箍传感器阵列中的其他传感器编组，建立求解泄漏点位置的方程，通过联立方程组，求解出泄漏点的位置，实现泄漏定位，其特征在于：

(a)按照相同的设计间距在管道外壁安装应变箍传感器，组成应变箍传感器阵列；

(b)通过应变箍传感器阵列测量管道外壁环向应变，通过管道外壁环向应变时程反映负压波时程，当应变箍传感器阵列测量到负压波信号时，则管道发生泄漏；

(c)对比各个应变箍传感器测量到负压波信号的时间先后，将泄漏点定位于两个最先测量到负压波信号的应变箍传感器之间；

(d)把最先测量到负压波信号的应变箍传感器设定为固定传感器，以泄漏点为分界点，将与固定传感器相对应的泄漏点另一侧的各个应变箍传感器分别与固定传感器编成组，以固定传感器至泄漏点的距离为待求量，利用编组的两个应变箍传感器测量到负压波信号存在时间差的关系建立方程利用泄漏点至两侧的应变箍传感器距离之和始终是设计间距的整数倍这一关系，建立方程S_i+X＝nL，由两组传感器所建立的四个方程联立方程组，求解过程中消去负压波波速这一未知量，计算出固定传感器至泄漏点的距离X，其中X指泄漏点至所设定的固定传感器的距离，S_i指与固定传感器编组的另一个应变箍传感器至泄漏点的距离，v指负压波传播速度，Δt指两个应变箍传感器测量到负压波的时间差，L指相邻两个应变箍传感器的设计间距，n指编组的两个应变箍传感器所包括的设计间距的个数。