船舶管路泄漏诊断技术综述∗

张 宇 张 硕 王亚伟 刘 杰

（1.92453部队 福州 350000）（2.山东理工大学物理与光电工程学院 淄博 255030）

1 引言

随着航运业的发展，尤其近年某潜艇海水管破裂引发的人们对管路泄漏诊断问题的思考，船舶管路泄漏问题逐渐引起人们的关注。船舶管路系统包括动力管路和船舶系管路，是保证船舶航行性能和安全，满足船舶正常运行和人员生活需要的重要系统［1］。由于船舶管路长期处于强噪声、强振动、高温、潮湿甚至腐蚀的状态下，且管系布局复杂，维护保养困难，泄漏故障难以避免。若诊断不及时将造成环境污染、资源浪费和经济损失，甚至发生火灾，严重威胁人身财产的安全。为此，本文从泄漏诊断方法、综合选择和评定及发展趋势三个方面对船舶管路泄漏诊断技术进行了汇总分析，重点论述了基于信号处理的方法的泄漏诊断方法，并结合九项性能指标对泄漏诊断方法进行了综合评定，最后根据当前现状探讨了船舶管路泄漏诊断技术发展趋势。

2 船舶管路泄漏诊断的主要方法

管路泄漏诊断技术按照侧重不同通常划分为外部监测法与内部监测法、静态方法与动态方法、基于硬件的方法与基于软件的方法三类［2］。本文从硬件、软件两个角度对船舶管路的泄漏诊断方法进行分类评述。

2.1 基于硬件的方法

基于硬件的方法主要依赖仪器设备、物理化学方法达到泄漏检测的目的。主要包括以下几种。

2.1.1 人工巡视法

船舶管路大多采用人工巡视的办法，该方法主要依靠巡视者的经验进行判断，存在盲目性强、检测速度慢、无法进行连续检测的缺点。

2.1.2 浮子法

浮子法常通常在机舱和货舱的四个角落布置装有浮子和报警电路正极的污水井，当污水积累到一定量时，浮子上浮接通污水报警电路，发出警报。该方法虽能监测管路泄漏，但需要污水累积一定量才能发出警报，只用于一些不重要的水管路监测。

2.1.3 双层管泄漏检测法

双层管泄漏检测与压力变送器配合使用于高压油管泄漏的检测，双层管泄漏检测通过在高压油管内层与外层之间设置装有报警电路的回流集油壶，当高压油管内层泄漏时，燃油流回集油壶，达到一定高度时触发报警电路；压力变送器用于检测高压油管是否破裂并发出警报。该方法虽然能对泄漏发出报警，但在主机启动或完车过程中会频繁报警且不能确定泄漏位置。

2.1.4 渗透检测法

渗透检测是根据渗透液具有毛细现象的特性，通过涂上显像剂显像进行管路缺陷检测。渗透液的性能和工件物理状态共同决定着检测工件的效率和检测质量。该方法检测精度高，但检测周期较长，通常作为辅助检测方法。

2.1.5 液压试验法

液压试验将清洁的管路一端堵上，在另一端注入一定压力的水，通过渗水现象判断故障点。该方法具有检测精度高、定位性能好的优点，但对油管进行检测时存在污染系统的隐患，且前期准备工作复杂、不能在役检测。

2.1.6 卤素检漏法

卤素检漏法是基于泄漏冷剂与火焰发生化学反应使得火焰的颜色发生变化的特性达到检测泄漏冷剂的目的，常用于空调系统和冷库系统的管路故障检测。该方法在使用过程中易受到外界环境的限制，对卤素浓度有一定要求，且存在起火和窒息的隐患，一般不建议使用。

2.1.7 气泡检测法

气泡检测法通常用于空调系统和冷库系统的制冷剂的泄漏检测。该方法需先进行系统泄漏位置的粗略判断，通过涂抹发泡水查找鼓泡可完成泄漏点的大致定位。该方法操作简单，但仅适用于有一定压力的气态工质管路，且泄漏点无法精确定位。

上述基于硬件的船舶管路泄露检测技术具有原理简单、操作方便的优点，但存在连续检测性差、管路泄漏缺乏预判性的问题，一般不作为主要的管路检测手段。

2.2 基于软件的方法

为了解决管路泄漏测量精度低、泄漏点定位难的问题，逐步在硬件的基础上采用先进的控制理论进行信号分析处理的基于软件的方法，该方法可分为以下几种。

2.2.1 光纤检测法

光纤传感法是近年来发展起来的新技术，具有信号衰减弱、抗电磁干扰强等优点，相关技术被应用到管路泄漏检测中［3］。

文献［4］基于Sagnac干涉仪的直线型光路结构的特点，采用不破坏管路壁的1根单模光纤结构部署于复杂弯曲的船舶管系，通过合理设置零点频率的落点范围确定船舶管路传感光纤的合适区段以及设置延迟光纤环与消盲光纤环的长度提高采集完整泄漏信号的传感光纤的灵敏度。结果表明：设计的系统具有优良的抗噪抗扰性能，响应时间快速，能够达到复杂工况下船舶管路泄漏监测的目的。尽管该系统在实验室具有较好的监测效果，但真正运用到船舶中还有待实践的检验；此外，在船舶管路断裂、多点泄漏等诊断方面，该系统还需改进提升。

2.2.2 基于信号处理的方法

船舶管路诊断信号包含主机振动产生的高斯噪声，敲击、突发振动等一些突发因素产生的脉冲噪声，管路的弯头、直径变化及间歇性加压等产生的压力脉动噪声，风、浪等自然因素及碰撞引起的压力波动噪声等信号，对大量泄漏信号诊断分析将变得极为困难，为此，选择合适的信号处理方法颇为重要。

1）负压波法

负压波法检测原理为当管路某处突然发生泄漏时，在泄漏处将引起瞬态压力突降，形成一个负压波，该波以声速向管路两端传播，可分别被上下游压力传感器捕捉到，如图1所示。由式（1）可知，通过计算上下游接收到负压波的时间差和传播速度确定泄漏点的位置。

图1 负压波法

泄漏位置：

式中a为负压波传播速度，L为管路长度，∆t为管路首、尾端压力传感器检测到负压波的时间差。

文献［5］对负压波的关键技术波速和上下游传感器检测到的时间差进行了分析，重点研究了气体含量、管径对波速的影响并利用互相关分析法确定负压波传播到两压力传感器的时间差，进一步提高了管路泄漏定位精度。负压波法具有计算量小，响应时间快，对突发性泄漏检测效果较好的优点，若泄漏较小或者泄漏速度很慢，则该方法会失效。

2）压力梯度法

压力梯度法的原理为流体在稳定流动的条件下，压力分布呈线性变化，当管路中发生泄漏时，漏点之前的流量变大，漏点之后的流量变小，导致漏点前压力分布斜率变大，漏点后相应的斜率变小，两条斜率不同的直线必将有一个交点，那么此交点即为泄漏点，其变化趋势如图2所示。

图2 压力梯度法

在进行泄漏位置定位的分析中，文献［6］认为船舶海水管路中各种生物或者杂质容易使流量计失去作用，对管路上的流量计寿命造成一定的影响，此外还增加了轮机员额外的工作量；为此，采用分别在上下游端安装两个压力变送器求得压力梯度，确定泄漏点的位置。与负压波法相比，压力梯度法采用上下游安装双压力传感器的方法减少了管路工况变化带来的干扰，降低了误报警率，但存在检测精度低、定位误差大的缺点。

3）压力-流量平衡法

压力-流量平衡法是通过上下游的流量差和压力变化来进行泄漏判断，在工况稳定的情况下，上下游的流量差、压力差是稳定的，若出现输差的异常变化，则断定管路有异常情况发生。

传统的流量平衡法需将流量计安装在管路中，大大增加了工程量并破坏了管路工作介质流场，对检测结果产生了一定的误差影响。文献［7］采用不需要破坏管路完整性的超声波流量计来检测船舶管路泄漏和泄漏点定位的方法，具有负压波检测法响应速度快、定位精度高以及流量平衡法具有的泵阀操作误报警低的优点。文献［8］利用超声波流量计对船舶管路泄漏和堵塞故障工况进行了研究，利用超声波纵波能够在液体中传播而表面波不能在液体中传播的特性对管路故障工况进行定位分析，并采用多脉冲法对超声波传播时差进行多次测量，提高了故障点定位精度。与压力梯度法相比，采用不破坏管路工作介质流场的压力-流量平衡法具有检测精度高、误报警率低的优点。

4）声发射技术检测法

声发射技术检测法是对管路在自身与外界作用下产生的瞬态弹性波信号进行采集、分析处理，完成泄漏判断及其位置定位［9～10］。

文献［11］基于频谱分析和特征参数法分析了不同压力、孔径下泄漏的声发射信号特征及其变化规律，研究对比了弯管、法兰等结构对声发射信号的影响。文献［12］认为与基于频域特征提取泄露信号的方法相比，采用基于时域统计特征的管路泄漏检测方法具有更高的精度、适应性、鲁棒性，实验结果表明该方法提高了管路泄漏检测的灵敏度和可靠性，实现了低成本、低环境要求。

声发射检测技术是一种动态的无损检测技术，具有检测精度高、应用范围广等优点，但对材料较为敏感，易受到机电噪声的干扰。

5）小波变换法

小波变换法是一种在时域和频域具有良好局部特性的信号处理方法，利用噪声与有用信号在各个尺度上的小波谱具有不同表现的特征去除噪声，对重构出的原信号进行多尺度分析，通过检测小波变换系数模的局部极值点获得信号的突变点，完成泄漏点的检测。

文献［13］针对船舶管系泄漏干扰噪声信号复杂的特点，研究分析了小波变换模极大值去噪法、小波变换尺度间相关性去噪法和小波阈值去噪法三种去噪方法以及haar小波、sym6小波和db5小波三种小波基的特点，选取采用了基于db5小波的缺省阈值去噪法完成船舶管系正常运行、水泵开启、水泵关闭和管路发生泄漏时的四种典型工况特征信号的提取。文献［14～15］分别采用基于haar小波基、db5小波基对背景噪声进行分解、重构，分离并恢复了原始信号波形。

小波变换法通过对采集信号进行去噪、局部特征提取、奇异点检测等处理提高了管路泄漏定位精度，达到了预期的实验效果，但结合船舶管路布局复杂、生存环境恶劣的实际，该方法仍处于实验探索阶段。

2.2.3 基于模型的方法

基于模型的方法是利用建立的数学模型对管路系统的参数进行计算，通过实测值与计算值的比较，判断泄漏的产生。

文献［4～5］基于流体网络理论分别建立了船舶中央冷却管路系统流体网络模型和海水系统管路的流体网络模型，以实测的压力、流量等参数作为边界条件，通过流体网络模型得到的压力、流量等参数值与实测值相比较判断泄漏的产生。文献［16］基于船舶管路系统的结构和空间分布特征并根据流体性能随温度变化的特性分别建立了压载水和消防水管系统的等温流体网络模型以及冷却水和润滑油系统的热管路泄漏检测模型。该类方法对模型精确性要求较高，但存在较多影响计算精度的因素，故采用此类方法进行泄漏诊断难度较大。

2.2.4 人工智能检测法

随着计算机科学技术的发展，相关学者开始将人工智能控制算法应用与船舶管路诊断领域，取得了明显的进步。

文献［17～19］分别提出了基于船舶管路泄漏检测的SOM神经网络算法和自适应小波神经网络算法研究方法，对管路工况与管路压力、流量信号奇异性之间的关系进行了研究分析，将利用小波变换模极大值方法提取的管路工况的特征向量输入设计和组建的神经网络，并通过网络训练建立输入与输出间良好的非线性映射，实现了船舶管路泄漏识别。文献［20］认为BP算法易受初始权值的影响陷入局部极小、收敛速度慢和引起振荡效应等缺点，提出了一种基于GA-BP算法训练网络参数，并通过测试样本验证改进方法有效性的方案，仿真结果表明基于GA-BP算法的模糊神经网络的管路泄漏检测具有收敛速度快、全局寻优能力强、可靠性高的优点。

目前，基于人工智能的泄漏检测诊断的方法尚处于实验阶段，有许多问题待解决。此外，由于船舶管路生存环境恶劣、工况变化复杂，对大量样本的收集或在专家先验知识获取的方面存在一定局限性。

3 泄漏检测方法的综合评定和选择

为综合评定上述船舶管路泄漏诊断技术的性能，参考文献［21］选择灵敏度、定位能力、评估能力、响应时间、有效性、适应能力、误报警率、维护要求和费用九项指标对其进行评定。如表1所示，采用0（无）、0.1（较差/较低）、0.3（差/低）、0.5（中等）、0.7（优/高）、0.9（较优/较高）六个等级进行量化分析。

表1 主要泄漏诊断方法的性能对比

由表1可知：从评估能力方面来看，光纤检测法具有检测管路泄漏量精度最优的性能；从有效性方面来看，人工巡视法、渗透检测法、液压试验法、卤素检漏法和气泡检测法不具备连续检测管路的能力；从维护要求和费用方面看，浮子法、双层管泄漏检测法、压力梯度法和压力-流量法最符合经济性原则。综合以上分析并结合船舶管路诊断最重要的性能指标是有效性、维护要求和费用的实际，一般选择压力梯度法作为主要的泄漏诊断方法。

4 结语

随着航运业的飞速发展，船舶专业化、大型化、智能化水平的提高加速了管路泄漏诊断技术的研究，尤其是先进控制技术的发展，融合智能机舱的管路泄漏诊断系统的研究必将成为重点。但是当前船舶管路泄漏诊断系统的研究仍处于探索阶段，基础相对薄弱，需投入更多的努力。

1）诊断机理方面的研究

船舶管路系统包括海水管路、淡水管路、滑油管路、燃油管路等系统，流体介质流量、温度、压力等特性受外界环境影响较大，尤其管路长期处于强噪声、高潮湿、强振动环境下，泄漏、破裂、腐蚀等故障不可避免，只有深入研究故障征兆与原因的映射关系，才能有针对性的开发实用性较强的诊断技术和诊断系统。

2）智能泄漏诊断系统研究

先进控制理论的发展促进了智能控制系统的研究，特别是模糊逻辑、神经网络、专家系统等人工智能技术在管路诊断领域的应用，加强获取信息全面性的多传感器数据融合技术和提高诊断准确性的多智能诊断方法的研究有助于智能泄漏诊断系统平台的开发，使得机舱一体化、智能化的研制成为可能。

3）扩展应用研究

国内外相继基于输油管路、输气管路等开发出了糅合先进控制理论的管路检测诊断系统，广泛应用于工业生产领域，取得了较好的经济、社会效益。可结合船舶管路特点有针对性的吸收输油管路、输气管路等检测诊断系统的设计经验扩展应用于船舶管路泄漏诊断系统的研制中，争取早日研究出适于我国国情的、拥有自主知识产权的船舶管路泄漏诊断系统。