管道堵塞综述

管道堵塞检测技术文献综述

雷宇

摘要：目前管道运输方式规模大，容易发生堵塞问题，本文通过对国内代表性的论文分类总结了几种常用的管道堵塞检测方式，有压力波法，机器人探堵，水压曲线法，水力瞬变法，分布式光纤法，以及电容层析成像法。根据综述，最后提出了一些可以适用于裸露且结构复杂的管道的堵塞检测的初步想法。

关键词：管道堵塞综述

1，引言

管道运输作为一种传统的运输方式，具有运量大，可持续运输，受天气影响小，运输稳定设备简单，建设投资少，占地面积小，易于集中管理等其它运输方式不可替代的特点，对现代资源调配以及城市建设起着重要作用。并且现代对于将煤炭等固体原料以浆料形态进行管道运输的发展，进一步提高了管道运输的地位。目前国内外的管道运输业不仅规模庞大并且发展迅速，全世界仅油气输送管道就有200多万公里，城市送水以及排水管道更是无法统计。所以，对于管道运输的安全管理是研究的重点，管道堵塞是影响管道运输安全的一个重要问题，本文主要对目前管道堵塞问题的研究现状做一定的总结以，并提出一些自己的方法。

目前的检测导管堵塞方式多样，其应用的原理与方法也比较多样化，但大体可以分为导管内部检测堵塞与经导管外部传感器检测堵塞两大类。下面进行分类说明。

2，管道堵塞检测技术综述

2.1，导管内部检堵法：

(1)，压力波法：

压力波法根据声波反射原理，在文献[1]较早的提出了应用压力波法检堵，其基本方法是在未堵塞管道一端发送一个水压脉冲，水压脉冲遇到堵塞物会反射，称其为正压波，通过测量水压脉冲与正压波之间的时间间隔与计算水压脉冲在管道中的行进速度，从而给出了压力波在频域中求解方法以定位管道堵塞位置。

图1 压力波法测堵简单原理示意图

如图1 t1时刻压力泵（或者压力变送器）向管内发送压力波，由压力表I-5监测压力波发送与返回时间，由于压力波与声波在管道中传输速度相同，由此可以计算出堵塞处于压力变送器之间的距离。用于此种方法定位的数学处理方法主要有相关分析法，时间序列法和小波变换法。

文献[2]通过简化算法并且通过压力传感器实现了压力波法检堵，验证了该方法的可行性。文献[3]在文献[2]提供的方法基础上，应用球形模型增强堵塞产生的正压波，并使用小波变换技术来检测压力波，进一步提高了压

力波法检堵的精确度，完善了压力波法检堵。此种方法对管道堵塞检测的灵敏度高，可以进行较长距离的管道监测，定位精确度高，是目前广泛重视的一种监测方法。

(2)，机器人探堵法:

近几年由于芯片以及机器人的急速发展，机器人在各中环境以及工程中起到了巨大的作用，在管道内部探测也起到一定作用，文献[4]中已经提出了一种以机器人为主体的检测系统，论述了整个系统的基本组成模块。文献［5］给出了一种管道机器人的设计与控制方法，有一定的可行性．文献[6]设计了一种检测城市排水系统的机器人。

由上可知，受机器人体积与功能的限制，目前管内机器人探堵主要应用于城市地下排水管道的检测，而将超声波与管内机器人结合可以提高检测精度，减小检测系统体积，排除污水等无关信号的干扰，文献[7],[8]将超声波探测器与机器人结合，探索了其在地下管道排污管道检测系统中的应用。

文献[15]介绍了一种利用主动电场液体输送管道内检测装置，体积比超声波装置更小，并且对介质的灵敏度要比超声波小，即抗干扰性更好。

鉴于机器人功能的多样性，应用机器人进入管道内部不仅可以探堵，还可以检测其它管道内部故障，无线机器人还适用于长距离地下以及海底管道，有很大的发展前景．

二，外部传感器检堵法：

(１)，水压曲线法

文献［9］提出了利用堵塞后管道堵塞前后静压值的不同，通过管道两

端的压力曲线观察可以大致判断堵塞位置。文献[10]利用管道堵塞前后两端压差的剧烈变化，通过检测获取的两端实际压力值，以及当时(2009)年先进的管道仿真技术描绘出管道堵塞前后时间点的水力坡降曲线，再通过小波变换识别水力坡降的突变信号，检测水力坡降奇异点，从而估测堵塞位置。 上游管段压力梯度下游管段压力梯度

堵塞点

奇异点 x P 1P 4

P 3P 2管

道

压

力管道压力

图2 水压坡降奇异点示意图

如图2 在管道上游一定距离测定水压P 1，P 2，下游测定P 3，P 4，然后绘出水力坡降线，通过模拟或计算得到两个坡降线的交点或者奇异点x ，该处即为估测的堵塞位置。

文献[10]利用仿真方法，减少了检测设备，操作费用低，操作简单。优化了文献[9]中的方法。文献[11]利用了长距离供水网线的中现有的水压力监测仪提供的数据，以文献[9]与文献[10]提供的方法进行堵塞点计算检测，提

高了检测效率，提供了一种对于长距离输水管线检堵的有效解决方法。此方法基于管压降线性分布的条件，而实际管压降受工况条件影响而呈非线性，所以定位精确度不是很高，虽然仿真方法能一定程度提高精确度，但对于长距离管道，最终定位仍需要人工处理。

(2)，水力瞬变法

文献[12]所用的方法是在管线堵塞后，利用站段油泵将堵塞管段加压到预定的压力，然后利用已知流量水压等特性的泄流阀进行泄流，在管内形成管道运输介质的瞬态流动，此时在预定地点进行压力检测，然后对检测到的数据进行分析最终得出堵塞位置的方法，属于水压曲线法，但是通过预先的处理获得数据，提高了检测精度与速度。

(3)，分布式光纤检测法

文献[13]较早的提出了利用分布式光纤实现对管道状况的检测，即在管道沿线铺设光纤，通过管道或者管道周围状况变化对光纤传输的特征参量（振幅，相位，偏振态，波长等）的影响，判断管道是否发生故障的一种方法，文献最终通过检测光信号相位的方法有效解决了管道泄漏的判断以及定位。并给通过此方法检测管道其它故障提供了一种较新的思路。文献[14]在文献[13]的基础上，结合石油管道在冬季冰堵会发生膨胀的而挤压光纤的效应，提出了通过该方法对石油管道冰堵进行快速定位以及检测的方法。

利用光纤检测具有误报率小，定位精确度高，响应速度快等特点，但前提必须是在铺设管道的同时沿线铺设分布式光纤检测系统，增加了管道建设成本，故不适合小型管道工程以及类似城市供水的复杂型管道工程，仅在长距离输油，输气管道中应用。

(4)，电容层析成像法：

电容层析成像主要应用于对气液两相流管道状况的外检测方法，气液两相流管道，常见于发电场锅炉管道以及核电站冷却系统管道，此类管道中由于运输介质温度高，管道内同时存在液体与气体，而电容层析成像系统可以检测出管道内流体的形状与状态。

图3，电容层析成像法原理图

由上图，电极阵列由14到20个条状电容组成，电容的长度为管径的1.5倍，数据采集系统可以将电极阵列的任意两对电容值采集以便于重建图像时使用，属于一个下位机，数据采集系统将采集到的数据传到上位机中，通过

一定的重建算法，将电容数据转化为图像数据，从而对管道内两种介质流动时的截面图像重建出来，完成对管道内部状况的检测。

文献[16]介绍了通过应用电容层析成像系统检测油气两相流管道中的空隙率，简单介绍了成像系统的组成以及基本功能，并提出利用模糊模式识别方法提高管道空隙率检测效率的方法。文献[17]提出了一种新的图像重建算法，使重建速度更快，从而能更准确的判断实时的管内情况截图。

由以上一些方法看出，目前对管道内部状况尤其是堵塞问题的检测主要集中在长距离运输管道方面，以及城市排水系统，以及锅炉，核电站冷却系统等关键性的管道检测，而对于企业以及工厂的小型供给管道系统仍采取传统的检测方法，对检测工人的经验要求比较高，检测效率低下，检测准确性低，针对这种情况，可以设计一种手持的针对小型管道运输系统的检测装置，以提高工人检测准确率以及检测效率着手。

三，针对以上讨论，猜想了如下三种方法：

(1)，音速推断法：

原理为不同介质中音速不同，如下图：

注1：准确的说有一部分是水为介质一部分为空气介质

管道下游

管道

上游

理想的声音信号

321

图4，音速推断法示意图

如上图所示，工人先将声音信号接收器安装于管道下游某处，然后在距离下游L 长度（管长）的上游敲击管壁，若敲击处于声音信号接收器之间存在堵塞，经过处理后的理想音频信号应该有三个波峰（猜想）。从而转化为如下数学模型：假设管壁为铁质，运输介质为水，管堵塞后下游有空气，那么常温下铁中声速为5130m/s,水中为1500m/s ，空气中声速约为340m/s 。从收到第一个信号为t 1=0，记录第二次与第三次的波峰时间t 2，t 3。计算堵塞位置。

(2)，固有频率法：

此方法为便携式手持设备，直接根据敲击听音法，依据堵塞上游段与下游段音色与音调有差别，将声音信号转化为更科学的波形图并分析其声音频率大小从而准确判断堵塞位置的设备。操作时需要工人使用取中法等常用检测方法。

(3)，电容传感器法：

依据不同介电常数作为介质的平板电容的电容大小不同做一个便携式电容传感器，原理以及方法均类似于电容层析成像法，但为了节约成本，针对检测管道堵塞的方便性，对其进行简化，以便实现所需功能。

参考文献

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A Review Of Pipeline Blockage Detection Technology

Leiyu

Abstract:Pipeline transportation’s structure is complex in present,and easy to get blockage problems, based on the domestic representative summary of several commonly used pipeline jam detection method, like a pressure wave method, the robot exploration block, pressure curve method, hydraulic transient, distributed optical fiber method, and capacitance tomography method. According to the survey,finally I puts forward some preliminary ideas can be applied to the pipeline structure and complex bare blockage detection.

Keywords: pipe blockage review