超声波流，计在仓道检翻中的应用４８９超声波流量计在管道检漏中的应用唐江华张思俊茹惠灵（中国石油管道局职工教育培训中心） 摘要本文介绍了超声波流圣计检漏法与管道瞬变模型法和负压波检浏法的对比，超声波流贡计具有其他流全测典无可比拟的优势。并着重介绍了由超声波流贵计组成的泄漏检浏系统的结构及作用原理。一、前言超声波流量计在测量管道流体流量（ 包括质量流量和体积流量）上已经得到越来越广泛的应用，其显著优势如下。（ １）可做成外夹式，可在管道的任意部位安装，无须破坏性地钻割管道。 （２）仪表可以进行自动调零，安装和更换设备时管道可不停输。（ ３）非插入式，对流体洁净程度无要求．可不设过滤器．（ ４）测量精度高，可达士。．１％，重复性可达。．１％，可作为标准流量计检定其他流量计。（ ５）量程比宽，３００：１或更高。（ ６）不受管内压力限制，不受流向限制。（ ７）易于实现数字计量和数字通信。当前用于管道泄漏检测的方法很多， 但比较有效的方法有两种，一是基于可测变量为边界条件的管道瞬变模型法；二是负压波检测法。前者利用可测量的参数作为边界条件，对管道内的压力和流量参数进行估算，当计算结果的偏差超过给定值时，即发出泄漏报警，由于这种方法只是取决于很少的几个测量点，而这些测量点是由用于其他目的的在线仪表，或者由在几个选定点处安装的仪表测得的，所以要求测量点仪表精度必须足够高，数学模型足够准确。后者利用泄漏发生时泄漏点处向管道上下游发送减压波，通过减压波到达泄漏点两端泵站的时间差来判断泄漏位置，这种方法对泄漏量较大时比较有效，但同时要区分正常操作条件如开关阀和启停泵引起的负压波。二、检漏系统的结构及原理超声波流量计在用于管道泄漏检测时． 其基本原理基于管道质量平衡，即诚入管道的质量流量必须等于流出管道的质量流量。图１为由超声波流量计组成的时差式泄漏检测系统示意图。４９０金国油气储运技术交流研讨会论文魏图１时差式泄漏检测系统示意图 该系统由一个总站通过特定的数据通讯系统和若千个分站相连构成，待检测的管段位于两分站间，两分站距离可长达１６０ ｋｍ，一般将分站设在输油站内，用于检测两输油站间的干线管道，当然如果要保护穿越河流的管段，两分站的距离也可以短至１． ６ ｋｍ．每一分站由一台外夹式超声波流量计， 一个外夹式温度传感器和一套与用户操作系统相兼容的数据通讯装置组成．外夹式超声波流量计又由夹装在管道外部的一对换能器和可近可远安装的流量计算机组成，见图２ｅ上游ＩＯＤ换能器下游３Ｄ图２侧量系统原理图 换能器在上游和下游方向上交替发射和接收声能，图３为传播速度差法测量原理图，图中的Ｔ，Ｒ为两个换能器，即可发射又可接收超声波，可以进行双向测量。为确保测量精度，也可采用两对换能器，四声道，双声束测量，图４为４声道超声波流量计原理图，其主要检测部件是超声波流．计在，道检汤中的应用４９１一个带有４声道的圆形短管，其中１个具有二次反射声道，３个具有单反射声道。双声束的方法可确保流量的测量精度，甚至在流体因管道布局而发生扭曲的地方，同样有效。图３传播速度差法原理图ＴＩ／ＲＩ山、． －，‘‘—－—、 ， 、，、 产、 ，Ｔ（Ｔ２ Ｉ／Ｒ２Ｉ）Ｔ２／Ｒ２ ＴＩ／ＲｌＴＩ／ＲＩ关图４４声道超声波流最计原理图 如果换能器能做到与每一管道的声导特性相“匹配”，即换能器的操作频率和相位速度与它的声音参数相对应，这样“匹配”的结果是在管壁上产生一个波谱。该波在管壁上垂直振动，可以避免被称作模式转换的状态，并以宽束的形式进入流体到达对面的管壁，这就使换能器接收到相当大的声波能量，而不受由于流体声速的变化（流体的化学或温度变化能使流体的声速发生变化）而产生的反射角的变化的影响，这样换能器既可用于流体声速非常小时的测量，也可用于流体声速非常高时的测量。操作频率是由管壁的声反射时间间隔（与管道的材料属性及厚度有关）来决定的，较厚的管道要求的频率较低，这是因为声反射的路程较长。通过“匹配”管壁的反射频率，宽束换能器可以保证将它的能量传递到管道，与管壁振动相位同相，这可产生同步增加振幅的结果，因此，换能器可以在非常低、非常安全的电压下产生非常大的信号振幅。流量计算机测量由于流体流动而产生的顺流和逆流的时间差， 决定流量大小，并对接收到的声波数据进一步的分析，使系统可鉴别出流体的类型及质量．如游离气体和水含量，流体的密度．系统测量当前流体的温度和分站的环境温度，计算出每一个管段内流体的瞬间膨胀或收缩。流量计算机接收的所有数据都是数字式，可通过某种通讯协议传输到外部设备，也可存储在流量计算机的数据记录仪中。所有的数据也可以变成比例模拟格式输出，用于就地控制或显示．总站是通过用户的通信系统连接到每个分站的计算机上。总站定时访问所有的分站， 搜集流量、温度、流体密度、流体粘度、相关压力和油品中含气体和／或水的程度等数据，每分钟一次地计算温度补偿后的管段流入和流出的标准质量差，如果任何管段的质量输人／输出产生不平衡，超过泄漏检测报警设置点的灵敏度，泄漏检测系统会发出报警。如果用不同的时间间隔形４９２全国油气储运技术交流研讨会论文典式处理数据，如５分钟、１５分钟和６０分钟，总站计算出在１分钟流人和流出测量管段的标准质量差，如果不平衡超过预设的报警设置点，将发出泄漏报警。与时间间隔短的相比，时间间隔长的能检测较小的泄漏。时间间隔长的还用于对含气量高的液体，因压缩性强而需要将有间题的流量数据平均化．计算机的显示屏可以显示不平衡趋势，可以在泄漏报警点之前，提前报替，便于做好预防工作。系统可以精确地确定泄漏发生的位置。 其方法类似于负压波检测法，通过泄漏点向管道上下游传播低压波到达管段两端分站的时间计算的。所不同的是分站是根据低压波到达时对流体密度的影响而检测出来的，可设定每秒钟检测很多次。如果泄漏发生在管段的中间，压力波到达管段两侧分站的时间是相等的。如果距离一个分站较近，则低压波到达的时间较早。三、对比分析 与管道瞬变模型法不同，采用超声波流量计法所得的质量流量完全是由超声波质量流量计（其介质密度可通过超声波声速与介质密度关系在线测量得到）直接测出的，而非数学模型计算得出，没有理论上的假定，完全是精确的测量。当管道已充满油品， 但却处于停输的状态时，尽管没有流动，但油品有压力，管道承受着应力。如果这时管道发生泄漏，常规仪表将无法操作。但可双向测量的超声波流量计在近似零流量的条件下仍照样工作．非插入式的超声波流量计检漏系统用于已经建成且需要检漏保护的管道， 可免除管道停产来安装用于泄漏检测的仪表所带来的损失．该系统在确定泄漏发生的位置时， 对低压波的检测是通过低压波对抽品的密度影响而检测出来的。尽管液休油品密度随压力的变化微小，通过测量密度的变化来感受压力的变化似乎没有负压波检侧法那样直接测压力变化更快更准确。但实践证明，这种超声波流量计检漏系统对泄漏位置的定位可以精确到１５０ ｍ，甚至更高的精度。但是，与管道瞬变模型法和负压波检测法不同，在瞬变流条件下，如管道刚启动时，管道中的油品逐渐充满管道的这一过程中．流入的流量大于流出的流量，此时管道可能没有泄滑发生．系统必须防止误报警。四、结束语 超声波流量计已成功地应用在世界各国的油品管道泄漏检测中。在我国这一技术尚属于刚刚起步阶段，无论是运行多年的老管道，还是新建管道，泄漏检测及定位均是一项必不可少的极其重要的工作，越来越引起油品管道运营部门的高度重视，相信这一技术的引进和应用必将带动我国油品管道泄漏检测技术一个新的发展。参考文献．Ａ海波等：国内外油气管道泄漏枪测技术的发展现状，油气储运，２００１，２０（１）．杨建昌等：气体超声波流鱼计在天然气计量中的应用，油气储运，２００２，２１（９）
