彭杰綱，董冠奇，何春秋

主動電場原理液體輸送管道泄漏檢測研究

彭杰綱1,2，董冠奇1，何春秋1

(1. 電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院，機(jī)器人中心 成都 611731; 2. 浙江大學(xué)流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310058)

受生物學(xué)弱電魚的主動電場定位器官研究的啟發(fā)，提出了將主動電場定位原理用于管道的泄漏檢測的新方法。通過Ansoft maxwell有限元仿真和實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，針對管道內(nèi)淡水和脫水原油兩種情況分別實(shí)驗(yàn)仿真。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)分別處理，通過繪制定位曲線和時(shí)頻分析，對比結(jié)果得出，主動電場法可以應(yīng)用于管道的泄漏檢測。當(dāng)探頭接近泄漏點(diǎn)時(shí)，接收電壓會明顯增大，根據(jù)此特征信號主動電場法可以精確定位泄漏點(diǎn)。從實(shí)驗(yàn)和仿真上證明了新型主動電場管道內(nèi)檢測的可行性。

主動電場定位; 有限元仿真; 泄漏檢測; 管道泄漏

隨著管道運(yùn)輸?shù)难该桶l(fā)展，管道泄漏檢測成為管道安全的重要課題。目前，工業(yè)管道泄漏檢測較為常用的主要有超聲波法、漏磁法、光纖定位法、壓力波等方法[1-2]。但這些方法有著各自的應(yīng)用缺點(diǎn)，如超聲檢測需要耦合劑；漏磁法檢測深度不夠及靈敏度不高；光纖定位法造價(jià)高昂；壓力波法對緩慢腐蝕性的泄漏不能較好地實(shí)現(xiàn)探測[3-7]。主動電場定位思想源于仿生學(xué)，在南美和非洲河流中有一類弱電魚，這類魚通過自身器官發(fā)射電場和接收電場，因周圍物體阻抗特性的不同引發(fā)電場擾動進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對物體感知[8]。通過早期的研究結(jié)果表明，利用主動電場法能夠?qū)λ挛矬w進(jìn)行定位[9-11]。文獻(xiàn)[12-13]將主動電場應(yīng)用于血管檢測，成功并準(zhǔn)確地檢測出模擬血栓出現(xiàn)的位置。

本文針對管道輸送液體為淡水、脫水原油兩種情況分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真，通過對比結(jié)果，驗(yàn)證了主動電場技術(shù)能夠用于液體輸送管道的泄漏檢測。

1 管道檢測實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建與軟件介紹

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求構(gòu)建了一套能用于模擬管道檢測的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、USB6289數(shù)據(jù)采集卡、實(shí)驗(yàn)控制臺、水箱、探頭組成。采集卡兩端分別與計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)控制臺的步進(jìn)電機(jī)和探頭的探測電極相連接。計(jì)算機(jī)利用Labview編寫程序，通過信號控制試驗(yàn)臺的電機(jī)實(shí)現(xiàn)滑塊和支架的移動，并為發(fā)射電極添加激勵(lì)；接收電極接收的信號經(jīng)采集卡傳輸至計(jì)算機(jī)中用于后期處理。

圖1 管道泄漏檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)時(shí)滑塊不動，將探頭與實(shí)驗(yàn)臺的滑塊連接固定，步進(jìn)電機(jī)接收來自計(jì)算機(jī)的控制信號控制支架移動，同時(shí)帶動探頭在管道內(nèi)移動。水箱選用有機(jī)玻璃做成，材料絕緣透明，避免電磁干擾，同時(shí)便于觀察。探頭由4個(gè)電極嵌入內(nèi)徑相符的有機(jī)玻璃管，并由玻璃膠固定構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。兩個(gè)發(fā)射電極在管道內(nèi)建立交變電場，兩個(gè)接收電極接收管道內(nèi)的電場信息。

為減少電化學(xué)噪聲，本文管道檢測系統(tǒng)選擇金屬鈦制作電極[14-16]，規(guī)定處于兩個(gè)發(fā)射電極之間的電場區(qū)域?yàn)閮?nèi)電場，兩個(gè)發(fā)射電極之外的區(qū)域?yàn)橥怆妶觥Ｔ陬A(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，內(nèi)電場探測效果優(yōu)于外電場[15]?；谝陨弦蛩乜紤]，將探頭中的No.4和No.1電極作為發(fā)射極，No.3和No.2作為接收極。

本文仿真采用Ansoft maxwell 16.0，其以麥克斯韋方程組為理論基礎(chǔ)，利用有限元離散思想求解微分方程，將電磁場的復(fù)雜計(jì)算轉(zhuǎn)化為矩陣求解。該軟件是非常有名的電磁場有限元分析軟件，在許多工程電磁領(lǐng)域都有廣泛著應(yīng)用[17-18]。

圖2 探頭進(jìn)入管道內(nèi)部示意圖

2 水下淡水輸送管道泄漏主動電場檢測實(shí)驗(yàn)與仿真

本文實(shí)驗(yàn)和仿真中，管道選用在實(shí)際管道運(yùn)輸中廣泛使用的無縫鋼管；管道外部環(huán)境選定為水；設(shè)定管道總長500 mm，外徑50 mm，內(nèi)徑48 mm，中間245～255 mm處為泄漏點(diǎn)。在采集數(shù)據(jù)之前，測量出各個(gè)電極以及泄漏點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)臺標(biāo)尺上的坐標(biāo)，測出導(dǎo)軌運(yùn)動速度與起始點(diǎn)的坐標(biāo)位置。No.3電極與No.4電極距離為40 mm，No.2電極與No.3電極之間的距離為30 mm，No.2電極與No.1電極之間的距離為30 mm，如圖2所示。根據(jù)每個(gè)電極在標(biāo)尺上的刻度，可以算出4個(gè)電極相對于泄漏點(diǎn)之間的距離，這樣后期可以較為方便地得出電場定位曲線。

2.1 水下淡水輸送管道泄漏主動電場檢測實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)以泄漏點(diǎn)為參考點(diǎn)，探頭進(jìn)入管道方向?yàn)檎较?，退出為?fù)方向。設(shè)定行程300 mm進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)No.1電極所加激勵(lì)源為0 V，No.4所加激勵(lì)源為幅值A(chǔ)=2 V，頻率f=1 500 Hz的正弦電壓。電極在探頭進(jìn)入管道內(nèi)部時(shí)，No.3與No.2兩個(gè)接收電極上接收的信號經(jīng)差分后即得到所需的電壓信號。

通過前期的研究發(fā)現(xiàn)泄漏對電壓信號的影響表現(xiàn)為幅值的變化，為了觀察不同位置波形的幅值變化以及時(shí)域和頻域的聯(lián)合分布，本文采用兩種方法分析數(shù)據(jù)：一種是不同位置的差分電壓經(jīng)FFT變換后的幅值變化曲線；另一種是對采集信號的時(shí)頻聯(lián)合分析。

2.2 水下淡水輸送管道泄漏主動電場檢測仿真

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所加激勵(lì)源，在Ansoft maxwell中選用交流電場求解器。在軟件中手動繪制仿真模型，如圖3所示，包括探頭(電極及其外層有機(jī)玻璃管)、管道、上管道壁中間部分留有模擬泄漏的縫隙，求解區(qū)域較大，未能給出。設(shè)No.3電極的左側(cè)X軸坐標(biāo)為變量PX，方便后期處理數(shù)據(jù)繪制定位曲線。

圖3 管道檢測仿真模型圖

模型中各部分尺寸和材料、所添加的激勵(lì)源與實(shí)驗(yàn)條件相一致。模型設(shè)定氣球邊界條件；管道和探頭外層有機(jī)玻璃網(wǎng)格設(shè)置最大邊長3 mm，電極網(wǎng)格設(shè)置最大邊長5 mm，求解區(qū)域網(wǎng)格設(shè)置最大邊長30 mm。設(shè)置最大求解步數(shù)30，最小求解步數(shù)2，下一步求解網(wǎng)格加密30%，最大求解誤差1%。在4個(gè)電極中心各繪制一個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)，用于后期獲取各電極的數(shù)據(jù)。對變量PX進(jìn)行參數(shù)化分析，實(shí)現(xiàn)探頭在管道內(nèi)不同位置的計(jì)算，通過系統(tǒng)檢測后開始求解。

2.3 水下淡水輸送管道泄漏實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對比

將兩接收電壓差分經(jīng)FFT變換之后，繪出定位曲線如圖4a所示。探頭進(jìn)入管道過程中，電場變化不劇烈。探頭在遇到泄漏點(diǎn)時(shí)，在定位曲線上會出現(xiàn)一個(gè)馬鞍狀的區(qū)域，通過馬鞍狀曲線出現(xiàn)的位置，在最大值點(diǎn)對管道泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。在探頭進(jìn)入管道過程中，馬鞍狀曲線最大值點(diǎn)的位置距離泄漏點(diǎn)中心位置的距離為L=10.4 mm。

a. 水下淡水管道泄漏實(shí)驗(yàn)定位曲線

圖4 水下淡水管道泄漏實(shí)驗(yàn)定位曲線及時(shí)頻分析結(jié)果

淡水管道泄漏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)頻分析結(jié)果如圖4b所示。觀察可以得出：在f=1 500 Hz處的響應(yīng)幅度很小且平緩。探頭在遇到泄漏點(diǎn)時(shí)，會出現(xiàn)一個(gè)馬鞍狀的區(qū)域，即定位曲線中用于定位的位置。電場信號在低頻段的干擾很大，但出現(xiàn)的位置和泄漏點(diǎn)位置無關(guān)，低頻噪聲主要分布在f=0 Hz附近。

仿真結(jié)果處理得到淡水管道泄漏仿真的定位曲線如圖5所示。由圖可知，在探頭進(jìn)入管道時(shí)，管道平滑，接收電壓均勻沒有大的變化；當(dāng)接近泄露縫隙時(shí)，接收電壓開始迅速增大，并在PX=5 mm處出現(xiàn)最大值，之后又迅速減小至原來大小。根據(jù)模型，No.3電極的最左邊為PX，No.2電極最右端為PX?10 mm，縫隙的位置為?5～5 mm處。由此可以得出此時(shí)縫隙的中心剛好與No.2電極和No.3電極的中心位置相同。

圖5 水下淡水輸送管道仿真定位曲線

對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果可以看出，仿真結(jié)果理想，曲線平穩(wěn)，可以精確定位到管道泄漏的位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)低頻干擾，定位曲線不平穩(wěn)，定位略有偏差，但仍能根據(jù)最大值點(diǎn)較為精準(zhǔn)的定位到管道泄漏。實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)干擾可能有幾個(gè)原因：整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的干擾；操作實(shí)驗(yàn)時(shí)外部環(huán)境帶來的干擾；實(shí)驗(yàn)材料不如仿真時(shí)材料的參數(shù)理想；水槽中水放置時(shí)間長時(shí)電導(dǎo)率會發(fā)生變化。

3 水下脫水原油輸送管道泄漏主動電場檢測實(shí)驗(yàn)與仿真

3.1 水下脫水原油管道泄漏主動電場實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

水下淡水管道泄漏的實(shí)驗(yàn)和仿真驗(yàn)證了主動電場技術(shù)能夠用于管道泄漏的檢測，同時(shí)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，驗(yàn)證了仿真模型及相關(guān)設(shè)置的正確性。在此基礎(chǔ)上，對水下脫水原油管道泄漏的檢測進(jìn)行研究。由于實(shí)驗(yàn)樣品的運(yùn)輸和保質(zhì)的原因，一般原油在24 h內(nèi)會脫水，故本文實(shí)驗(yàn)使用的原油是脫水原油。一般而言脫水原油的電導(dǎo)率較原油低，其工作條件較原油而言更為苛刻。實(shí)驗(yàn)結(jié)論可以推廣到更有利于建立電場的原油輸送管道。

水下脫水原油輸送管道泄漏實(shí)驗(yàn)與淡水管道泄漏實(shí)驗(yàn)類似。將管道中灌滿脫水原油，固定在水槽中；再將探頭置入管道，由控制臺控制探頭移動，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用的原油來自中國石化勝利油田河口采油廠C913-X9油井，脫水處理之后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。脫水原油電導(dǎo)率極低，相對介電常數(shù)為2.2，電導(dǎo)率為1×10?8S/m[19-20]。實(shí)際的原油管道中的電導(dǎo)率更高，探測效果更佳。由于所用的原油電導(dǎo)率較低，采用激勵(lì)源為幅值A(chǔ)=5 V，頻率f=1 000 Hz的正弦激勵(lì)源。

將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)處理后得到結(jié)果，如圖6a所示，探頭在進(jìn)入管道后，在泄漏點(diǎn)的位置出現(xiàn)了特征信號。探頭進(jìn)入鋼管后約20 s的時(shí)間，即探頭進(jìn)入管道后經(jīng)過75 mm的距離，探頭收到的幅值迅速減小，幾乎趨近于零，隨后緩慢增大。探頭進(jìn)入管道31 s后，即No.3電極進(jìn)入管道內(nèi)部距離測試點(diǎn)11 mm處，電極接收到的電場電勢迅速增大。到達(dá)最大值點(diǎn)時(shí)，探頭剛好經(jīng)過無縫鋼管的泄漏點(diǎn)位置，No.1電極處于泄漏點(diǎn)的正下方。但幅度值增大后保持8 s左右時(shí)間，隨著探頭遠(yuǎn)離泄漏點(diǎn)，探頭上接收到的信號幅值迅速減小，隨后恢復(fù)到正常值。

但在除激勵(lì)頻率之外的區(qū)域，也有頻率響應(yīng)，主要體現(xiàn)在高頻和低頻噪聲共同作用。在頻率較低的區(qū)域f=0 Hz附近存在噪聲。高頻區(qū)噪聲如圖6b所示，在f＞1 000 Hz區(qū)域，噪聲混疊很明顯。噪聲在f=2 000 Hz處的幅值最大，且噪聲在頻率上不連續(xù)。

圖6 水下脫水原油管道泄漏實(shí)驗(yàn)時(shí)頻分析圖及在高頻區(qū)的干擾噪聲

3.2 水下脫水原油管道泄漏主動電場仿真及結(jié)果

水下脫水原油管道泄漏的仿真模型同淡水管道泄漏仿真的模型基本一致，在淡水管道仿真模型基礎(chǔ)上，在管道內(nèi)部繪制一個(gè)矩形區(qū)域，將其材料設(shè)置為原油，定義材料相關(guān)參數(shù)，其他設(shè)置保持不變。經(jīng)過計(jì)算處理得出定位曲線如圖7所示。

圖7 水下脫水原油輸送管道仿真定位曲線

觀察圖形可知，在PX=20 mm處定位曲線出現(xiàn)最大值。根據(jù)探頭尺寸，此時(shí)管道縫隙的中心位置恰在No.2電極的中心處。相比于淡水環(huán)境下的定位曲線，脫水原油曲線中除明顯特征信號外，其余點(diǎn)的數(shù)據(jù)略有起伏，曲線不平穩(wěn)，與實(shí)驗(yàn)有較多干擾相符。曲線中最大值點(diǎn)的幅值相比其他點(diǎn)明顯較大，特征信號非常明顯，故能夠準(zhǔn)確定位到泄漏的位置。

相比水下淡水輸送管道的仿真結(jié)果，脫水原油輸送管道的仿真結(jié)果中存在干擾。根據(jù)仿真條件可以推斷，這些干擾信號與脫水原油有關(guān)。脫水原油的電導(dǎo)率較低，阻礙了電場的建立。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中存在較多干擾，其原因是原油中存在大量雜質(zhì)，在交變電場下影響電磁場的分布。

原油實(shí)驗(yàn)結(jié)果的時(shí)頻分析得出，最大幅值持續(xù)了約8 s的時(shí)間，而仿真結(jié)果只出現(xiàn)了一個(gè)位置，這與實(shí)驗(yàn)的原油有關(guān)。原油從油井到達(dá)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)歷脫水后，基本處于半固體狀態(tài)，非常粘稠，一方面阻礙了電場的建立；另一方面致使原油在泄漏位置附近與管壁產(chǎn)生了間隙，造成了探頭在泄漏位置的接收電壓變大且持續(xù)了一定時(shí)間。

4 結(jié) 論

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，還對不同尺寸的縫隙進(jìn)行了對比，當(dāng)縫隙尺寸大于5 mm時(shí)，探測結(jié)果特征信號明顯，能夠?qū)π孤c(diǎn)進(jìn)行定位。對比不同尺寸的縫隙實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，泄漏點(diǎn)尺寸不同的管道內(nèi)部電場變化趨勢基本相同，探頭獲取的特征信號也基本相同。從理論上講，管道壁產(chǎn)生泄漏，泄漏點(diǎn)處的阻抗特性或介電特性與周圍正常的管道壁相比有很大的不同，從而引起電場擾動定位到泄漏點(diǎn)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果分析，可以對本文提出的管道檢測法得出以下結(jié)論：1) 提出了主動電場定位原理用于管道泄漏檢測的方法，并對該方法進(jìn)行了原理性驗(yàn)證。2) 成功地利用主動電場法模擬了管道泄漏內(nèi)檢測，并且成功地探測到了管道的泄漏點(diǎn)。3) 定位精度高。無論實(shí)驗(yàn)還是仿真結(jié)果，其最大值點(diǎn)與泄漏中心點(diǎn)的距離最大為20 mm，如若考慮到泄漏的寬度，距離將更小。另外結(jié)合電極所在的位置將進(jìn)一步精確泄漏所在的位置。相比一些傳統(tǒng)方法在幾米、十幾米的定位誤差，主動電場定位法具有定位精度高的特點(diǎn)。

隨著研究的深入，通過對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的改造，可將該方法應(yīng)用于多種管道檢測。該方法最終有望將其集成到智能管道機(jī)器人，從而實(shí)現(xiàn)對管道的內(nèi)檢測工程化應(yīng)用，有著較為廣闊的應(yīng)用前景。

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編 輯 漆 蓉

Research on Fluid Transportation Pipeline Leak Detection Based on Active Electrolocation

PENG Jie-gang1,2, DONG Guan-qi1, and HE Chun-qiu1

(1. School of Automation Engineering and Center for Robotics, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 611731; 2. The State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control, Zhejiang University Hangzhou 310058)

Inspired by the research of active electrolocation organs of the weakly electric fish in biological, a new method which is active electric field principle is proposed for pipeline leakage detection. In order to verify this method, we study the pipeline detection in water and dehydrated crude oil through the experiment platform and Ansoft Maxwell. The positioning curve and time-frequency analysis can be obtained through dealing with the data of experiments and simulations. Positioning curve provides an available method to analyze the experimental results in the time domain. Time-frequency analysis can observe the frequency response of exciting signal when the detector has been inserted into pipes. The comparison of the both experiments and simulation results proves that the active electrolocation can be applied to pipeline detection. When probes are closing to the leaks, the voltage of

signal is increasing significantly. This is the character signal which can be used to position the leak of pipeline.

active electrolocation; finite element simulation; leak detection; pipeline leak

TP212.6

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2015.06.012

2014 ? 05 ? 23；

2015 ? 07 ? 20

國家自然科學(xué)基金(61074182, 61573083)；流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(GZKF-201108)作者簡介：彭杰綱(1971 ? )，男，博士，副教授，主要從事仿生傳感器方面的研究.