基于球形内检测器的长输管道微小泄漏检测关键技术研究

摘要

长输油气管道在国民经济发展中起着重要的作用，同时又时有安全事故发生。近年来，随着管道运营时间增长，因腐蚀、老化、裂纹、自然泄漏等原因导致的微小泄漏事件逐渐成为管道安全检测领域的主要问题。本课题组研制的基于负压波的管道泄漏监测与定位系统已在15000余公里的原油及成品油管道上成功应用，获得巨大经济效益及社会效益，但该技术只能检测突发性大泄漏，对微小泄漏无能为力。针对管道运输领域亟需解决的微小泄漏检测与定位这个世界级难题，本文创新的提出基于球形内检测器的长输管道微小泄漏检测方法，该方法不仅可大大提高泄漏检测的灵敏度，而且极大降低了内检测器卡堵的风险。围绕球形内检测器的研制中的关键问题，本文开展以下四方面研究：
　　（1）针对球形内检测器竖直管段的安全通过性问题，采用流体动力学方法详细分析了球形内检测器在管道最极端的竖直管段内的受力情况，保证其有良好的通过性，不会发生卡堵。指出管内流速、球径与管径之比是影响球体所受推力的关键参数，其中球径比还会影响球体在管道内的运动稳定性，搭建了模拟实验管道，验证了仿真结果，得出在管道经济流速内，球径比的最佳范围的关键参数。根据分析结果，设计研制样机并对其进行了立管及弯头通过性的现场测试。
　　（2）针对管道内近场域泄漏声信号特点及提取识别方法问题，利用计算流体/计算气动声学混合仿真的方法，研究了管道内近泄漏声源的近场域声信号的特征，研究了泄漏声源及近声场声信号的频率分布，分析了泄漏噪声在管道内频率特性及传播特性，选取了可体现泄漏特征的频段，得到了不同泄漏量与声信号能量之间的关系。在搭建的模拟泄漏测试平台上验证了利用水听器检测泄漏噪声可行性，并分析了泄漏噪声在频率上的特性，验证了仿真结果。
　　（3）针对泄漏点精确定位问题，分析了滚动状态下，球形内检测器跟踪定位的特殊矛盾，提出了一种利用电磁地面标记器和MEMS加速度计对泄漏点进行联合定位的方法。分析了旋转电磁发射器发射与接收电磁波的特点，进行了实验室环境的电磁信号接收实验验证，提出了跟踪定位的原理；分析了利用MEMS加速度计在标记点间精确定位的原理，利用研制的样机进行了多次现场实验测试，验证了该定位方法的可行性及精度。给出了整个定位算法流程，进行了误差分析，给出提高定位精度手段。
　　（4）依据上述理论分析，研制样机系统，并分别在2.5km水循环管道上进行了原理可行性测试，以及在130m水循环管道上进行了立管、弯头通过性能测试，最后在一条77km的成品油管道上进行了国内首次现场实验应用，效果良好。

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第一章 绪 论

1.1引言

1.2管道运输的发展概况

1.3管道运营中存在的微小泄漏安全问题

1.4管道泄漏检测方法综述

1.5基于球形内检测器的管道微小泄漏检测系统

1.6本课题研究主要内容及意义

第二章 球形内检测器安全通过性研究及关键参数确定

2.1引言

2.2基本概念

2.3计算流体动力学仿真方法

2.4流体动力学仿真分析讨论

2.5模拟管道实验验证及球形内检测器关键参数确定

2.6球形内检测器样机竖直管道通过性实验

2.7小结

第三章 管道微小泄漏内检测近声场声信号特性研究

3.1引言

3.2基于Lighthill声类比的气动噪声计算方法

3.3计算流体仿真模型和计算声学模型建立及其边界条件

3.4仿真计算结果与分析讨论

3.5模拟泄漏实验装置及实验

3.6小结

第四章 电磁地面标记器与MEMS加速度计联合定位技术

4.1引言

4.2球形内检测器滚动状态分析

4.3滚动状态下低频电磁标记技术

4.4基于MEMS加速度计的精确定位方法

4.5电磁地面标记器与MEMS加速度计联合定位算法

4.6小结

第五章 球形内检测器系统样机研制及现场应用

5.1引言

5.2球形内检测器机械结构设计

5.3传感单元与采集存储系统设计

5.4基于Labview的上位机软件设计

5.5样机在77km成品油管道泄漏检测及跟踪实验应用

5.6小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢