一种长距离泥浆管道输送异常工况诊断方法

技术领域

本发明涉及的是一种疏浚技术领域的异常工况诊断方法，特别是一种无需在管道中安装大量传感器的长距离泥浆管道输送异常工况诊断方法。

背景技术

作为疏浚及吹填施工的重要部件，管道输送系统也面临着各种输送工况的挑战，输送土质条件复杂多变，输送方量不断增加，输送浓度要求提高，输送距离不断加长。长距离管道水力输送泥沙是疏浚工程中不可或缺的一部分，为满足长距离输送要求，通常采用接力泵的形式进行串联。在实际工程中安全、稳定的管道水力输送是实现高效施工的必要前提条件，而管道堵塞与泄漏是对工期和成本影响较为严重的施工故障，上述故障一旦发生，则需要立即停工，并进行排查，找到堵管或者泄漏点，当输送管线长达十几公里时，这将耗费大量时间和人力。

目前管道堵塞的检测方法主要分为直接检测和间接检测，直接检测包括：音听法、射线检测法、管道应变法等；间接检测包括：质量体积平衡法、压力梯度法、有压瞬变流法、光纤检测法、基于状态估计法、声学检测法等。直接检测方法通常需要耗费大量人力物力，效率较低，只适用于管线较短的工况。为满足管道堵塞监测与定位的双重要求，间接检测方法需要安装大量传感器来监测相关参数变化，成本较高。

目前管道泄漏检测的方法主要分为管道外部环境检测、管壁状况检测、管道内部流体状态检测。外部环境监测检包括：外部巡视法、光纤检测法等；管壁状况检测包括：管道内壁检测法和管道外壁检测法；上述两种方法同样适用于短距离管线。管道内部流体状态检测包括基于流速平衡的方法、基于模型的方法等方法。流速平衡方法难以实现泄漏点定位，基于模型的方法目前计算较为复杂，准确性难以保证。

上述管道堵塞和泄漏监测和定位的方法目前在油气管道中应用较多，而在长距离浆体管道中由于泥浆在管道中运行会产生较大的噪声干扰，且管道内泥浆流动状态并不一致，泥浆浓度并不均匀，因此现有的检测方法并不适用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种长距离泥浆管道输送异常工况诊断方法，通过监测管道进出口的流速、浓度、压力，结合管线布置情况以及泥浆管道输送摩阻特性来实时监测并定位管道堵塞和泄漏。本发明无需在管道中安装大量传感器就可以实时监测并定位管道堵塞和泄漏，实现了低成本、高效诊断管道异常工况。

本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明提供一种长距离泥浆管道输送异常工况诊断方法，所述方法为通过管道进出口安装的流量计、压力传感器和浓度传感器，来监测管道进出口泥浆的流量、压力、浓度；通过监测的管道进出口泥浆的流量、压力、浓度数据，结合管线布置情况以及泥浆管道输送摩阻特性，对管道泄漏进行判定、对管道泄漏点进行定位、对管道堵塞进行预警、对管道堵塞进行判定、对管道堵塞点进行定位。

进一步地，在本发明中，对管道泄漏进行判定的方法为：

同步采集管道进出口泥浆的流量，当管道出口泥浆流量Q

式中，ε为进出口流量偏差百分比；Q

更进一步地，在本发明中，对管道泄漏点进行定位的方法，包括以下步骤：

(1)根据每段浆体在管道入口处的速度和采样时间，实时获得进入管道内每段浆体在不同时间上所处的位置；

(2)通过公知的摩阻公式计算整个管道的摩阻：

I

式中，I

(3)通过下式计算管道泄漏点的局部摩阻：

式中，h

(4)通过下式计算管道进出口的高差：

H＝h

式中，H是管道进出口的高差，单位为m；h

(5)通过下式计算整个管道的总计算摩阻：

H

式中，H

(5)通过下式计算整个管道实测摩阻：

式中，H

(6)假定泄漏发生在第一段，I

更进一步地，在本发明中，对管道堵塞进行预警的方法，包括以下步骤：

(1)分析每段泥浆在管道进出口处的浓度，每段泥浆在管道进口处的浓度通过浓度计获得，该段泥浆运动至管道出口处的时间T

T

式中，m和y为进入管道的浆体段顺序数；L

(2)通过以下公式计算管道进出口累计浓度差值，当管道进出口累计浓度差值达到预设值后就判定该管道内存在一定量的泥沙沉积，此时存在一定的堵管风险：

式中，C

更进一步地，在本发明中，对管道堵塞进行预警的方法为通过下式计算固体颗粒的临界流速，当管道内泥浆的流速低于该流速时，则管道内存在堵管风险：

式中，V

更进一步地，在本发明中，对管道堵塞进行判定的方法为：管道进口泥浆流量明显降低，管道进口泥浆压力明显增高；同时，管道出口泥浆流量明显降低、管道出口泥浆压力明显降低。

更进一步地，在本发明中，对管道堵塞点进行定位的方法为：首先根据每段泥浆的位置以及相应的泥浆浓度，将每段泥浆按照浓度进行排序，泥浆高浓度点为易堵塞点；而后按浓度高低去现场进行确认，直至发现堵塞点。

本发明只需通过监测管道进出口的流量(流速)、浓度、压力，结合管线布置情况以及泥浆管道输送摩阻特性即可实时监测并定位管道堵塞和泄漏。其特征在于通过泥浆管道输送特性将管道堵塞和泄露与管道进出口监测参数进行关联，首先泥浆进入管道后按时间分段并实时追踪，其次堵塞与泄露的监测可以同步进行：当监测到管道内发生堵塞时，需要通过实时监测的各分段泥浆浓度来定位堵塞位置，同时可以通过该方法监测堵塞发生的风险；当监测到管道内发生泄露时，通过管道泥沙摩阻特性计算泄漏点位置。

本发明中的管道泄漏判定：通过管道进出口流量计获得管道进出口的流量，当管道进出口流量差值超过预设差值时，此时判定管道上发生泄漏，为避免测量误差导致的误报，需要将10-20秒内的流速数据进行平均。预设值可根据初始对管道进出口流量计的率定获得。

本发明中的管道泄漏点定位：管道发生泄漏后，泄漏点前后的流速分别是管道进出口的流速，根据实时监测的管道进口浓度、流速以及出口流速(根据管径可换算成流速)，通过泥浆摩阻公式可以计算出泄漏前后泥浆在管道内的单位摩阻公式，泄漏口处的局部压力损失可以根据泄漏的流速计算得到，同时根据管道进出口压力可以得到总的管道压力损失，而总的管道压力损失等于泄漏点前后管道摩阻损失加上泄漏点局部压力损失，因此泄漏点位置可以根据一元一次方程得到准确解答。

本发明中的管道堵塞预警：管道发生堵塞前必然已发生大量泥沙堆积，流入管道内的泥沙并没有全部流出。通过实时测量的管道进口流速和浓度可以跟踪每段泥浆通过管道所需要的时间，同时选取该时间后管道出口浓度数据，此时通过对比管道进出口浓度数值可以判定该段泥沙是否全部通过管道，为避免测量误差产生的误判，因此采用10-20s的平均数据来进行计算。

本发明中的管道堵塞判定：管道发生堵塞时，通常泵依然在运行，此时管道进行出的压力会急剧上升，并远超合理数值范围。此时通过摩阻公式和实时测得的管道进口浓度和流速得到合理的进口压力数值范围，当其压力超过该数值范围则认为存在堵管现象，此时管道出口的压力和流速会快速降低直至为零，这同样可以判定存在堵管。

本发明中的管道堵塞定位：管道堵塞的定位通常是在泥沙浓度较高的区域发生，按照管道进口泥沙浓度和流速的数据获取数据的时间间隔将管道进口处的泥浆分段，该段泥浆后续的流速为实时获得的管道进口流速，浓度为初始测量的浓度保持不变。因此当管道堵塞时，根据实时计算得到的管道内泥沙浓度分布，可以定位管道内泥沙浓度较高的位置，从而实现管道堵塞的定位。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果为：本发明设计合理，方法简单，无需在管道中安装大量传感器，不但可以对泄露和堵塞进行实时监测，还可以进行定位。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图。

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本发明实施例流程图如图1所示，具体包含以下步骤：

1、长距离管道输送数据采集：管道进出口压力、流量、流速和泥沙浓度。泵启动前开始数据采集，此时管道内为空管，或部分进口管道内为清水。Q

2、测量长距离管道和泥沙的物理特性参数，包括管径、内壁面粗糙度、管道布置(弯管、水平管、倾斜管)、高差、泥沙粒径分布等，这些数据用于管道堵塞和泄漏点的定位。

3、大部分泥沙管道输送中，进入管道进口的流速和泥沙浓度是随时间波动的，流速的变化会以极快的速度传播至整个管道，因此可以将进口流速当做泄漏点前所有输送物的流速，管道出口流速当做泄漏点后的流速。整个管道上泥沙浓度的分布无法通过管道进口的浓度计直接测量获得，需要将管道进口处浓度计测量获得的浓度，根据实时变化的流速推演至整个管道。本次实施案例中，管道泥沙进口处流速和浓度数值取时间t＝2s内流速传感器和浓度传感器测量的平均值(通常测量频率在5-20HZ)，时间t的取值可以根据流速、管线长度确定，通常流速越低，管线越长，取值越大。开始进行数据采集，此时平均流速为V

4、管道内泄漏和堵塞是同步开始诊断，这里先介绍泄漏的诊断。对比管道进出口流量(流量与流速可以通过管径进行换算)，首先管道进出口的流量数据需要同步采集，当管道出口流量Q

式中，ε为进出口流量偏差百分比，单位％；，Q

5、泄漏点定位：

管道泄漏点前的流速即是管道进口处流量为V

I

式中，I

泥沙中值粒径d＜0.04mm时采用

式中，I

当泥沙中值粒径0.04mm＜d＜0.2mm时采用费祥俊公式

式中，I

当泥沙中值粒径0.2mm＜d＜0.015D时采用Wilson&GIW对于非均质流的公式

式中，I

当中值粒径0.015Dmm＜d时采用Wilson计算分层流摩阻

式中，I

管道泄漏点的局部摩阻按下式计算，如果长距离管道输送中管径并不一致，其中V

式中，h

管道进出口的高差为：

H＝h

式中，H是管道进出口的高差，单位为m，h

管道内总的摩阻如下式所示：

H

式中，H

通过试算的方法，假定泄漏发生在第一段，I

6、管道堵塞判定：

管道堵塞时，管道进出口流量会明显减小直至接近零，管道进口压力P

7、如未发生管道堵塞，则进一步判断是否存在发生堵塞的风险。

通过两种方式同时判断是否存在堵管风险：

1)首先分析每段泥浆在管道进出口处的浓度，每段泥浆进口处的浓度通过浓度计获得，该段泥浆运动至管道出口处的时间通过管道进出口的流量计获得，如式11所示为L

式中，m和y为进入管道的浆体段顺序数；L

当每段浆体在管道进出口浓度差值累计达到一定量时如式12所示，C

式中，C

当管道内进出口的流量计测得的流量偏差超过限制(即判断出现泄露时)，则泄漏点前后每段泥浆分别按照管道进出口测得的流量进行计算。

2)计算固体颗粒的临界流速，流量计测得的流速(流量换算获得)，低于该流速，则管道内存在堵管风险。

式中，V

8、如判断发生管道堵塞，则进一步判断堵管发生的位置。

当判断发生管段堵塞时，通过下列方法确定堵管发生的位置：

1)通过步骤7可以得到分析得到管道内每段泥沙的泥沙浓度，根据浓度高低将每段泥沙进行依次排序为

2)对整个管线易发生堵管的位置进行编号，易发生的堵管位置为弯管段和倾斜上升段的低位处(爬坡段)当式(14)出现小于等于0时的r值即为求解值，此时浆体段L

G

3)根据管道内泥浆浓度分布以及管线易发生堵管的位置进行堵管位置的确定，当易发生堵管位置处泥浆段(L

如3)中未发现易堵管位置出现堵管，则按照1)中浆体段浓度的高低顺序，假设浓度最高的浆体段为

以上对本发明的具体操作方式进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定操作方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。