立体管网微泄漏实时监测系统研究概述

摘要：

针对立体管网微泄漏实时监测系统搭建的关键技术问题，对国内外学者的相关研究进行了梳理，归纳为3个方面：1）在提取故障频率信号时如何避免回声混叠的影响，提高相关性的延时估计精度；2）在管网分叉结构下，如何辨别信号传播路径，如何定位泄漏源的位置；3）在信息数据收发延时不确定的情况下，如何保证立体管网泄漏实时监测系统的时间同步精度。通过对国内外管网泄漏监测技术的比较发现，基于声发射传感器网络的立体管网泄漏实时监测，对于解决探测易燃、易爆气/液体管道运输中的微弱泄漏问题具有较大优势。

关键词：自动控制技术；泄漏检测；管网定位；时间同步精度；回声混叠

中图分类号：TP277文献标志码：A

Abstract：

Aiming at the key technical problems encountered by domestic and foreign scholars in building the realtime monitoring system for the micro leak of threedimensional pipe networks， the paper classifies the problems into three aspects： 1） in the extraction of fault signal frequency， how to avoid the effect of the mixed echo stack and improve the delay estimation accuracy of the correlation； 2） in network bifurcation structure， how to discern the signal propagation path， and how to locate the leak source； 3） under the uncertainly delay in transmitting and receiving information data， how to ensure the time synchronization accuracy of the realtime monitoring system for the threedimensional pipe network leakage. Through the comparison of the monitoring technologies for the pipe network leakage at home and abroad， it shows that the acoustic emission sensor network based threedimensional pipeline leak realtime monitoring has great advantages in detecting the weak leakage of flammable and explosive gas/liquid transportation pipelines.

Keywords：

automatic control technology； leak detection； pipe network location； time synchronization； echo aliasing

管道被广泛用于远距离运输、调配世界各地的天然气、石油、水及其他易于流动的物质。在其长期连续使用的过程中，伴随着管壁材料腐蚀与老化现象的出现，将不可避免发生管道泄漏，特别严重的会直接造成对人类居住环境与生命财产的严重破坏，如：大连中石油管道泄漏事故、青岛中石化东黄输油管道泄漏事故。

为了降低管道泄漏事故率，科学家们针对多种监测信号源开展了管道泄漏定期检修系统与技术的研究，常用的监测信号源包括压力、流量与泄漏声音等。图1显示了2种典型的管道泄漏定期检修系统：图1 a）“Smartball”系统[1]，由加拿大Pure Technologies公司发明，其融合利用了声音/压力/温度传感器信息，实现了对油气管道微小泄漏的检测，克服了传统利用压力、流量、气体追踪等方法无法检测微小泄漏的缺陷；图1 b）“水下听声器”监测系统[24]，利用管道机器人引导水下听声器，实现了对管道泄漏声学信号的检测。由此可见，上述检测系统完全适用于管道泄漏的定期巡检与维修，但无法实现对管道的泄漏事故进行实时监控。

为了及时发现泄漏事故并精确定位泄漏源，管道泄漏的实时监测技术研究得到了广泛开展[25]。图2显示了3种典型的管道泄漏事故实时监测系统：图2 a）“Smart Pipe”系统[6]，其将光纤传感器贴近管道埋设，通过监测管道外表面温度的实时变化，实现管道泄漏源的识别与定位，但该系统对光纤质量及其安装要求非常高；图2 b）“MEMS”加速度传感器管网监测系统[7]与图2 c）声发射传感器管网监测系统[8]分别利用加速度传感器/声发射传感器监测因泄漏所导致的管道微振现象，通过对相应波形进行频谱分析，实现管道泄漏事故的报警和泄漏源的精确定位。

国内外的相关研究证明，基于声发射技术的管网泄漏监测系统相对于其他的管网泄漏监测技术具备以下优势：

1）相对负压波检测具有较高的灵敏度，能够监测和定位出微小的泄漏源；

2）泄漏源的检测与定位时间短，相对于别的检测方法定位精度高；

3）应用于大多数压力管道包括单相液体、单相气体和多相流体管道；

4）可在各种工况下正确检测泄漏，如开关阀、启停泵、增减流量、停输状态等。

为此，本文研究了国内外基于声发射技术的管网泄漏监测系统中需要解决的关键技术问题：

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