综述管道堵塞的检测技术

廖翊芳+朱倩倩

摘要：随着我国经济的发展和城镇化的不断推进，石油和天然气工业进入一个高速发展的时期，管道运输这种输送方式在国民经济和社会发展中，正发挥着极为重要的作用。而长距离运输的管道是非常脆弱的，常常会发生各种故障，比如堵塞，所以为了保证工厂或行业的平稳运行以及环境的安全，需要能够准确的检测出堵塞的位置和状况。因此，人们致力于探寻一种迅速、可靠、实用的手段对管道内堵塞状况进行检测，对堵塞位置进行定位，它能为管理者制定排堵计划提供信息，减小排堵作业成本，降低由于管道堵塞造成的停输经济损失。本文通过查阅国内外相关文献对堵塞检测技术进行了调研，简要阐述了管道堵塞的主要检测方法，并讨论了各种方法的优缺点。

关键词：管道堵塞；检测技术；综述

正文：

一、引言

堵塞是管道系统中普遍存在的问题，根据相关资料统计发现引起管道堵塞的原因主要有以下几点：在设计阶段，管道设计的不合理；在实际运行阶段，管道内流速达不到设计要求，有沉淀物淤积；施工中设计阀门质量差，致使阀门失灵，阀门螺杆损坏、折断等；人为破坏造成管道的堵塞等。堵塞会对管道系统造成许多严重后果，例如，在给水管道中，堵塞会破坏给水管道正常的工作状态，降低给水系统的工作效率，更甚者会破坏供水的水质，给城市居民的健康带来危害。另外，给水管道中的堵塞会引起管道内压力的上升，从而导致管道的应力破坏，致使泄漏甚至爆管，出现生产事故，导致宝贵的水资源浪费。如果出现大面积的流失，就不仅仅是资源的浪费，而且引起环境的污染，甚至发生水灾，严重威胁人民生命财产的安全。因此对堵塞进行检测和控制是很有必要的。

二、管道检测技术综述

1.声学方法

该方法作为一种补充方法与压力波脉动解析算法联合使用，定位精度为20m。该方法需要先使用压力波脉动解析算法，确定堵塞段的大致位置（定位精度200m），然后在堵点前后范围内的地面上每隔一定距离安装传感器（检波器），在管道输入端（泵站）重复施加一定幅度（限幅）的脉冲压力波，并用电缆将信号输入多路放大器进行平行等量放大、滤波等处理后，将输出信号记录下来。经多次反复试验，分析堵点前后由地面测量的堵点水击噪声强度分布，得到堵点位置信息。

该方法易受環境影响，管道埋深也会影响其使用，需要多次反复试验，且只适用于小范围的定位。

2.压力波法

该方法是利用管道堵塞前后两端压差的剧烈变化来检测管道的堵塞，其原理为：当管道堵塞时，在管道首端发出一个脉冲压力波，压力波沿管道向下游传播遇堵塞物后反弹向首端传播，在管道首端可以获得两次压力波信息；通过采集管道首端压力信号，并利用小波变换法提取压力信号突变信息，获得压力波两次通过传感器的时间差，最后结合压力波波速便可以确定管道堵塞的位置。

该方法对管道堵塞检测的灵敏度高，定位精确度高，可监测较长距离的管道，但多相体系中声波传导速度的不确定性严重制约了该方法的预测精度及大规模应用，所以该项技术还有很大的改进空间。

3.振动分析

该方法是使用振动分析方法来描述圆形管道中的堵塞效应，提出了用快速傅里叶变换（FFT）图来描述堵塞水平与振动信号的相关性。在流体流过障碍物的时，流动横截面面积减小，并且根据连续性方程，流体速度增加。按照伯努利定律，流体的压力随之下降。由于这种波动的压力和过高的速度，在管道中可以观察到显著的振动响应。用加速度计测量振动参数，得到不同的加速度计位置（点A、B、C）的频率响应与管道内各种堵塞厚度之间的关系。观察到，由于B点处存在阻塞，在B点处的频率与点A和C的频率相比是最大的。所以面积和压力的变化会改变振动模式。通过比较管道各点的频率，发现在最大阻塞厚度处，速度最大，频率在7？9 kHz之间变化。

4.γ射线探堵

该方法适用于地面管道堵塞部位较为明显时，对堵塞段填充物进行识别，判别产生堵塞的主要原因。该方法利用γ射线在地面管道外进行探堵，由于γ射线在穿透某种物质时，一部分γ射线被该物质吸收，而吸收的γ射线光子数目与物质密度密切相关，且不同密度的物质对γ射线的吸收几乎都随着物质密度的增加而增加。故只要通过对γ射线光子数目进行计数就可以实现对管道内的各种堵塞物进行区分，从而确定产生堵塞的位置和主要原因。

该方法主要用于地面管道堵塞发生后，在知道堵塞位置时，对堵塞段具体情况进行判断，识别堵塞物，以便对排堵计划提供参考信息。该方法无论管内介质是气体亦或是液体都适用，但由于自身的局限性其只适用于小范围且堵塞部位较为明显的地面管道进行探堵。

5.基于瞬态实验的堵塞检测技术

该类方法通过对堵塞管道激发瞬态，获得瞬态过程的试验数据，对试验数据进行分析，最终得到管道堵塞段的相关信息。为了进行管道堵塞点的定位和堵塞特征的识别，需要在管道内制造瞬态。需要激发的瞬态可以分为短时瞬态和长时瞬态两种。

基于瞬态实验的堵塞检测技术按照其对响应数据处理方式的不同，可以分成两类：频域方法和时域方法。频域方法中，频率响应函数由测试数据决定，该函数能够描述系统物理特性。同时，系统异常通过在类似于逆向瞬态分析的过程中缩小计算的频率响应和试验结果的差距得到。时域方法中，对堵塞段的诊断基于对管道的第一个特征时间的识别（短周期分析）。由堵塞段反射的压力波，可以判断堵塞段的位置和尺寸。

频域方法只需要使用谐振峰值，就能准确预测堵塞段位置和尺寸。而稳态或非稳态的摩擦以及其它衰减效应对该方法的精确度几乎没有影响。该方法依靠可观测的共振频率数目，其精度受使用的拟合技术或最优化方法影响。频域方法能迅速可靠的预测堵塞段特征。主要方法为频率响应法（FRA）。时域方法，依靠特征时间的识别能够迅速可靠的预测堵塞段位置，其对堵塞段的特征时间处理采取的策略至关重要。准确的识别特征时间与定位精度息息相关，时域分析的主要方法为压力信号分析法（PSA）。

三、结语

近年来，对于定位技术，国内外研究热点主要集中在基于瞬态实验的分析方法上。这类方法耗时较少，成本低，且具有较高的精度。然而，在实际工况下，管道堵塞情况复杂多变，单纯的使用一种方法进行堵塞点的定位可能无法应对实际的复杂环境，故需要根据实地情况采用多种技术相结合的方法，将各种方法的优缺点统筹起来，扬长避短。

参考文献：

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[2]操泽，长输天然气管道事故工况模拟分析[J].当代化工， 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]刘恩斌，李长俊，彭善碧，等.基于压力波法的管道堵塞检测技术[J].天然气工业，2006：112-114.

作者简介：

廖翊芳（1996.09-）女，汉，湖南省郴州市，身份证号：431024199609183322，本科生，研究方向：环境工程

朱倩倩（1995.12-）女，汉，河南省周口市，身份证号：412702199512123144，本科生，研究方向：环境工程endprint