专利名称：用于确定流体从管道中漏逸出来的位置的系统和方法
技术领域：
本发明涉及管道，具体涉及一种用于确定流体从管道中漏逸出来的位置的系统。
众所周知，在把诸如原油、精炼油之类的流体从一处输送到另一处时要用管道。这些管道一般都敷设在地下，因此很难判断其泄漏和阻塞。迄今已经揭示了一些用于对管道泄漏进行检测和定位的系统。一种典型的系统是由得克萨斯州休斯敦市的CRC Bethany国际公司制造的。在这种检漏系统中，用检测器从管道的每一端对流体中表征管道破裂的波形进行监测。每个检测器进行检测的时间均予以记录。根据波在流体中的传播速度，可以用时间差来确定泄漏的位置。然而，这种系统的缺点在于泄漏处周围需要多个检测器。
本发明是一种用于确定流体从管道中漏逸出来的位置的系统。该系统包括用于对作为一种状态变化而传播的压力波进行检测的装置或机构。这种传播是以音速在表征有流体从管道中漏逸如泄漏或未经批准的放出的流体介质中行进的一种平面波。该系统还包括用于通过产生一个作为一种状态变化传播的试验压力波来确定流体漏逸位置的。这种传播是以音速在流体介质中行进的一种平面波。本发明也用于确定管道阻塞(结块堵塞)的位置，在这种情况下，平面波从阻塞处反射。根据观察到的传输时间可以计算出至不连续点的实际距离。如果这个波遇到状态变化(泄漏)或一不连续点，则会向传播起始点发回一个反射波。流体可以是油类，但不限于此，因本系统可适用于管道内的任何流体。
可取的是，位置确定装置或机构包括一个用于在管道内的流体中产生试验压力波的机构和一个用于检测试验压力波的反射波的机构。反射波检测机构和初始压力波感受装置或机构可以合用一个与信号处理及控制装置或机构如一台计算机相连接的压力传感器。从压力传感器来的压力信号被送入计算机中进行处理和分析。计算机可包括一个用于显示压力信号的图象显示器和一个用于与计算机对话的键盘。由于来用数字过滤技术所以能以很低的虚假报警率进行灵敏的检测。
本发明也是一种用于检测管道的系统。可以把到固定的不连续点、支管、弯头、接头和部分关闭的阀门的距离记录下来。该系统包括一个用于在管道内产生一个试验压力波的机构以及一个用于对试验压力波的反射波进行检测的机构。该检测机构可以是一个压力传感器和对压力信号进行全时处理的信号处理装置或机构。
以下结合
本发明的较佳实施例和较佳实施例方法。
对附图的简单说明。
图1是表示确定流体从管道中漏逸位置的系统的示意图。
图2a—2d表示波在管道中的传播。
图3是管道内流体中的有效音速与温度的关系图。
图4a是表示管道特性测绘的一个波信号。
图4b是有一个管道中流体漏逸部位微兆的波信号。
图5是表示一个用于确定流体从管道中漏逸出来的位置的系统的实施例的示意图。
上述各附图中，相似或相同的部分采用相同的标号。图1示出了用于监测和确定流体从管道12中漏逸的位置的系统10。系统10包括用于对流体内表征出有流体从管道12中漏逸如泄漏的压力波进行检测的装置或机构。系统10还包括用于通过在管道12中的流体中产生一个试验压力波来确定流体漏逸位置的装置或机构。系统10适用于任何流体，故流体种类并无限制，可以是气体或油类，但管道12内最好是气体。
流体从管道12中突然漏逸会产生一个间断的瞬态压力降，该压力降作为一个平面波在流体介质中沿管道12传播。管道壁起波导作用，而压力瞬态传播则是以波形式从漏逸处向两个方向上传去。这个波用诸如压力传感器18和信号处理和控制装置或机构20之类的检测装置或机构来检测。
可取的是，这种位置确定装置或机构包括一个用于在管道12内的流体中产生一个试验压力波的机构14。这个试验压力波可以是一个正向压力波或一个负向压力波，可以是一个单一的波或多个波。位置确定装置或机构还包括一个用于对试验压力波的反射波进行检测的机构。这方面可参见美国专利申请07/962524、07/962526和07/962457。反射波检测机构和原始压力波感受装置或机构均可以采用与信号处理和控制装置或机构20相连的一个压力传感器18。
控制和处理装置或机构20最好包括一个计算机21。从压力传感器18来的压力信号被馈入计算机21进行处理和分析。计算机21可以包括一个用于显示压力信号的显示器22和一个用于与计算机21对话的键盘23。由于采用数字过滤技术所以能以很低的虚假警报率进行灵敏的检测。关于对从压力传感器18来的信号的信号处理的具体情况可参见美国机械工程师学会(ASME)出版物第78—PET—54号，M·T·Corington著“管道破裂检测与控制”。
信号处理和控制装置或机构20根据对一个表征突然漏逸的波信号的识别控制试验波产生机构14向管道12内发出一个流体波。这个试验波沿管道12传播并最终被管道12内的流体分配器反射。反射波由反射波检测机构检测。
在一较佳实施例中，试验压力波产生机构14包括一个用于向管道12提供一流体充量的蓄能器24。由处理和控制装置或机构20控制的阀门65一开启这一充量就放出来。最好是还有一个用于以流体给蓄能器24加压机构26。加压装置或机构26可以包括一个与管道12内的流体连通的泵28。
应该理解到，试验波的反射代表了对管道12之内部的一种测绘。各种进口、出口和几何特性均可通过反射波来检测。这些特性中的每一个都部分地反映着一些试验波能量。通过将试验波反射与事前测取的管道12的特征反射波形进行比较，即可确定漏逸及其位置。
因此，本发明也是一个用于对管道12进行测绘的系统100。系统100包括一个用于在管道12内产生一个试验压力波的机构14。系统100还包括一个用于对试验压力波的反射波进行检测的机构。该检测机构可以是一个压力传感器18和对压力信号进行全时处理的信号处理装置或机构20。
在系统10的运行过程中，信号处理和控制装置或机构20对管道压力进行连续监测来观察由诸如泄漏或放出之类的压力突然释放引起的管道夺力中的不连续点，如图2a所示，当从管道12出现一个突然的压力释放36时，就有一个从某一压力稳态到一个较低状态的瞬态变化。如图2b所示，这种损坏产生一个负向的平面波40。这个波40从释放点36向两个方向穿过管道12中的流体并以流体中的音速(波速)传播。系统10位于管道12或者严格地说是管道的一个管段的一端。将控制和处理装置或机构20设置成通过压力传感器18在负向压力波40通过监控点38时对其进行观察。
一俟观察到一个表征一个新的漏逸的负向压力波40，系统10就起动控制和处理装置或机构20的一个数据记录程序。一个快速动作电磁阀25被打开。这个阀门的开启将一个高压充量从预先充注的蓄能器24充入管道12内。
蓄能器是通过打开阀门41、42和43来预充注，以平衡从管道12进入蓄能器24的压力(此时阀门25是关闭的)。然后关闭阀门42并用泵28使蓄能器24中的压力升高到比管道压力高200—400磅/平方英寸的程度。然后关闭阀41和43。
如图2c所示，高压充量产生一个以流体波速在管道中从监控点38传播出去的正向压力波44。当该正向压力波44经过漏逸点36时，该正向压力波44的部分能量即被反向并产生一个可检测的负向波前反射46。如图2d所示，这个负向波前46随后在流体内从漏逸点36向两个方向也以流体波速传播。
当这个负向波46经过监测点时，其幅值和到达时间由控制和处理装置或机构20记录。控制和处理装置或机构具有以前记录的正向波的起始时间，故可计算正向波的起始时刻和负向反射波的到达时刻之间的时间差(T1—T2)。
知道了这个时间差(T1—T2)和流体波速，即可得到从监测点38到漏逸处36的距离L。系统10包括一个连续监测流体密度的超声波装置19。根据测得的密度即可知道波44起始时的波速读数。超声波装置19的具体情况可参见美国专利申请07/957,411。
L＝波速×(T1－T2)/2上式表示，如果知道从正向波44在监测点38处的起始到负向反射波46到达监测点38的时间差(秒)并把这个时间差乘以波速(英尺/秒)，即可知道两个波(正向波和负向反射波)传播的总距离。再把这个总距离除以2，即可得到从监测点38到漏逸点的距离L(英尺)。
图4b所示为试验波信号的反射波30之一例。用处理和控制装置或机构20对该反射波进行分析并将其图4a所示的试验波基准反射波32的特征进行比较。特征反射波32是一特定的管道32所特有的，它由管道12的几何参数以及特定的输出和输入连接点来表征。(管道12的测绘就是通过产生特征反射基准反射波32进行的。管道的每个特定的输出或输入连接点试验波产生一个反射波，试验波就能判别它和它的相对位置)。由于收积有特征试验波波形，任何对管道12来说是新的流出(或新的流进)均将表现为不同于特征试验波反射波32的波形的部分34。波形部分34的检测可以是手动或自动的。波形部分34通过监测点38的时间用于计算至漏逸点的距离L。
为了确定漏逸点的精确位置，必须测取实时波速的精确读数。例如，油作为一种不定介质在60°F时的波速约为4100英尺/秒。但由于管道的弹性，波速在管道12中有所降低。CP(T)=C(T)1+DtBE]]>式中Cp(T)＝管道内的流体波速C(T)＝一种不定介质中的流体波速D＝管子外径t＝管子壁厚B＝C2ρw/gρw＝流体密度g＝重力加速度对于额定压力为1200磅/平方英寸的6英寸管子D＝6.625英寸t＝0.280英寸E＝30×106磅/平方英寸ρw＝SG×62.4＝50.88磅/平方英寸g＝32.2英尺/秒2B＝50.88/32.2×(4100)2＝26.57×102×#/FT2＝184500磅/平方英寸因此CP(T)=C(T)1+6.625×1845000.28×30000000]]>CP＝(0.934)C(t)Cp＝3830英尺/秒考虑到温度C(temp)＝4502－6.7*T考虑到管道弹性，有效音速为Cp(temp)＝0.934*C(temp)或Cp(temp)＝0.934*(4502－(6.7*t))＝4205－(6.258*t)表1有效音速Cp(英尺/秒) 温度(°F)3955 403892 503830 603767 703704 803642 903579 1003517 1103454 120表1中的数字绘制成图3的曲线。(对于适当的材料，可采用查表法，例如表1，来代表超声波装置19)。
根据反射波的传递时间按下式确定到漏逸点的距离LL＝(Cp*T2－T1/2)/5280式中L＝到漏逸点的距离(英里)Cp＝对于当时流体温度的有效音速(英尺/秒)时间＝反射压力波的总传递时间(从从试验压力波源到漏逸点并回到传感器18)例如给定1)80度(华氏)的流体2)反射时间为35秒则L＝(3704*35)/(2*5280)＝12.26英里[CP(T)也可由图3查得]可取的是，系统10是一个用于确定流体从管道12或管道的一管段漏逸出来的位置的一个单点系统。在确定管道12上的漏逸点位置中，要在一段预定的时间内完成许多步骤。
在本发明的一个实施例中，系统10由若干相互连接的便携式部件组成，如图5所示。这些便携式部件是单路外部传感器组件19、压力发送器组件15、监视器/处理器单元20和压力波发生器14。
下面介绍每个部件。单路跨接传感器组件19包括一对超声波传感器53、一个电阻温度检测器54(RTD)和一个安装夹具55。压力传感器组件15包括一个要安装到一个永久安装的管道分支接头80上的压力传感器/发送器18。压力传感器18还可包括三个截止阀47、48、49、一个三通接头51和一个快速连接阀体58。
监视器/处理器单元20可取地包括三个基本元件一个LEFM电子单元60、一个压力数据记录器62以及一个中央处理器和显示单元21。LEFM电子单元60是配置成用于接收和处理来自超声波传感器53和电阻温度检测器54的数据的一台工业质量的计算机。该电子单元60根据这些数据确定管道12内介质的音速(波速)以及建立为完成泄漏点位置确定步骤而设定的预定时间内的平均音速。有关LEFM电子单元62的使用方面的详细情况可参见美国专利申请号07/957411。
压力数据记录器62是一台配置成用于接收和处理来自压力传感器18的数据的工业质量的计算机。数据记录器62以数字形式记录压力数据，记录并显示所有压力事件到达测量点处的时间。
中央处理器和显示单元21是一台工业质量的计算机，其配置成用于处理从LEFM电子单元60接收来的音速数据和从压力数据记录器62来的压力事件和时间数据。计算机21对置于监视下的管段的任何泄漏或未经批准的放出的位置和大致数量进行计算并显示在一台一体化的VGA监视器22上。计算机21还包括一台打印机64，用于提供管道监视结果的永久记录。
压力波发生器14包括一个通过释放阀65、止回阀66和高压软管组件68连接到压力发送器组件15的预充注囊式蓄能器24。与释放阀65并联的是一个由泵28、二个隔离阀44、44和旁路阀42组成的装置或机构，用于把管道内的产品流体泵入蓄能器24内并使蓄能器24内的产品流体的压力升高至比管道压力高一个预定程度。
把系统10安装到管道12上的步骤如下。
将管道12的一个管段确定为需要对是否有正在发生的泄漏或未经批准的放出进行调查。选择该管段的一端作为测量位置。在该位置上将安装一个管道分支接头80。管道分支接头80将包括一个带隔离阀49的焊接口或螺纹口以便允许管道介质进出。
将单路外部传感器组件60安装在管道12的外表面上靠近管道分支接头80。每个传感器53通过传感器电缆82连接到装在监视器/处理器单元20内的LEFM电子单元50的适当接口。
关闭阀49，把压力传感器组件15连接到管道分支接头80上。通过传感器电缆83把压力传感器18连接到压力数据记录器62的数据输入口并通过一根高压软管68和快速连接杆与压力波发生器14相连而形成压力连接。
系统的使用操作方法如下。步骤1对位于压力波发生器14上的囊式蓄能器24进行预充注。为此请用一个装有压力调节器组件88的标准氮气瓶86。卸去位于蓄压器24顶部的保护盖并把充注用具90连接到敞开的充注口。用高压软管92把压力调节器88的出口连接到充注用具90的进口。把充注用具上的放气阀97转半圈而打开。在确保调节器调整螺钉完全退回(调节器关闭)的情况下打开氮气瓶隔离阀。向里拧压力调节器88的调整螺钉(氮气会从放气阀97逸出)直至调节器88上的出口压力表读数为400磅/平方英寸，然后关闭充注用具的放气阀。向里拧充注用具上的提升阀直至将其一直拧到底。调节器出口压力表上的压力读数将下降，表示出氮气正在瓶86和蓄能器24之间流动。当压力读数回升并稳定于400磅/平方英寸时充注即告完成。向回拧充注用具90的提升阀直至将其一直拧上来。关闭氮气瓶隔离阀并打开充注用具的放气阀97，以释放包含在充注用具90和氮气瓶86之间的任何压力。将高压软管92从注用具90和压力调节器88脱开并将保护盖重新装在蓄能器24上。至此，蓄能器24就预充注完毕。
给监视器/处理器单元20通电。这一系统将在显示器22上显示出一个数据输入幕表。请根据显示器屏幕上显示出一个数据输入幕表。请根据显示器屏幕上显示出来的适当提示输入管道的数据(管通直径、壁厚等)。计算出的音速将被连续地显示出来(英尺/秒)。
打开压力发送器组件15的管道阀门49和阀门48。快速打开释放阀87以放出积留在高压软管68内的任何空气。在打开阀87时会有管道内的产品流体流出来，故应准备好适当的容器。当空气从系统流出时，即关闭阀87。步骤2
在确保阀65关闭的情况下打开阀43、44和65使泵28两边的压力均衡。管道压力将表示在两个压力表92、94上。关闭阀(D)42并使泵28运转，直至压力表94上的读数比压力表92高一个预定值。管道12与蓄能器24之间的压力差应处于200到400磅/平方英寸。压力差越大，系统10的作用越有效，但应注意保证蓄能器24内的压力不要超过管道12的最大允许工作压力(MAWP)。
输入适当的命令(logp)以访问数据记录器。输入一个适当的文件名称——最多8个字符＋.dat(ABCD1234.dat)。通过把管道长度(英尺)除以显示的音速来选择足够使压力波以显示的音速在管段的整个长度上传输的定位步骤所用的一段时间，把这段时间加倍(以允许任何反射波传回到监测点)再乘以一个允差系数。举例管段长度＝25英里或132,000英尺计算音速＝3600英尺/秒允差系数＝3132000÷3600＝36.666秒(传输时间，秒)36.66×2＝73.33×3＝219.99秒选择大于219秒的最接近整分单位即4分(240秒)。
一旦将选择的时间输入，数据记录器62将开始接收管道压力数据。在一适当的时间标记处(输入时间后约30秒)突然打开释放阀65。在所选择的时间结束时数据记录器62将自动停止接收压力数据。
选择数据记录器中的压力数据显示程序(algordsp)。见美国专利申请07/962524、07/962526和07/962457。选择文件名称(ABCD1234·dat)。压力分布和时间基准将显示在监视器屏幕22上。卷过压力分布数据直至正向波(被看作在大致30秒处开始)处在屏幕中央，把光标对准波形最顶端(即显示在屏幕顶端的最高压力值处)。记录显示为时间“A”的时间。
当正向诱导波通过被查管段时，波的能量因与止回阀、断流阀和控制阀等装置相关联的管道横截面的变化而改变。这类装置的位置是已知的并应在一个泄漏点确定步骤开始之前就记录下来。同时，波的能量也因与产品流体进入放出点或通过泄漏点相关联的管道压力稳态的变化而改变。由于压压波能量的改变，因而产生了一个负向压力或反射波。这些负向波反射同样以介质的音速传播过管道介质。
继续卷过压力分布数据并观察波反射，把光标对准反射波形的最底端(即显示在屏幕底端的最低压力值处)。记录显示为时间“B”的时间。如果观察到许多波反射，则把它所记为“B1”、“B2”、“B3”等。
退出压力数据显示程序。系统将缺席于数据输入屏幕状态。按照适当的提示输入时间“A”即XXX·XXX秒。按照适当的提示输入时间“B”或时间“B1”、“B2”、“B3”等。在所有时间均输入后输入“Location calc(位置计算)”命令。将显示出每个反射波发生源的位置。
即“B1”＝XX，XXX英尺“B2”＝X，XXXX英尺“B3”＝XXX，XXX英尺将这些位置已知装置的位置加以比较。如果有一种相关关系，则就知道反射波是由对应的装置发生的。记录到的没有一个对应的已知位置的任何位置都应作为泄漏点或未经批准的放出而加以调查。
重复步骤2至少两次以上并在开始调查之前确定泄漏点或未经批准的放出事件的平均位置。这些步骤重复得越多，平均位置也就越精确。
虽然为了说明的目的通过上述实施例对本发明做了详细的描述，但是应该理解，这些具体描述仅仅为了说明，熟悉本专业的人员可以在不偏离下述本发明的权利要求的精神和范围的情况下作出种种变型。
权利要求
1.一种用于确定流体从管道中漏逸的位置的系统，包括用于对流体内的表征有流体从管道中漏逸出来的压力波进行检测的装置或机构；以及用于通过在流体中产生一个试验压力波来确定流体漏逸位置的装置或机构。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，位置确定装置或机构包括一个用于在管道流体中产生试验压力波的机构和一个用于对试验压力波的反射波进行检测的机构。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，位置确定装置或机构包括控制和处理装置或机构，所述控制和处理装置或机构根据试验压力波开始时刻和检测到反射时刻之间经历的时间计算流体漏逸位置。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述控制和处理装置或机构包括用于对流体中波传播速度进行测量的装置或机构，所述测量装置或机构设置成邻近管道。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述压力控制装置或机构和反射波检测机构包括一个与管通流体连通的压力传感器。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述试验压力波发生机构包括一个用于向管道提供一流体充量的蓄能量，所述蓄能器有一个阀门并与管道流体连通，所述阀门与控制和处理装置或机构相连通。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述试验压力波发生机构包括用于以流体给蓄能器加压的装置或机构。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述处理和控制装置或机构包括一台计算机。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述处理和控制装置或机构包括一个图象监视器和一个键盘。
10.一种用于确定流体从管道中漏逸出来的位置的方法，包括以下步骤对流体中表征有流体从管道中漏逸出来的压力波进行检测；产生试验压力波；以及根据试验压力波开始时刻和收到试验压力波的反射波时刻之间经历的时间确定流体漏逸位置。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述检测步骤之前有一个测取管道的特征波形的步骤。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述确定位置步骤之前有一个对流体中波传播速度进行测量的步骤。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述试验压力波产生步骤包括一个将加压的流体流入管道的步骤。
14.一个用于对管通进行测绘的系统，包括一个用于在管道中产生一个试验压力波的机构，所述压力波产生机构设置成与管道内的流体相连通；以及一个用于对试验压力波的反射波进行检测的机构，所述检测机构有一个用于产生一个与管道测绘相对应的波信号的信号处理装置或机构，所述检测机构设置成与管通内的流体相连通。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述压力检测装置或机构和反射波检测机构包括一个与管道流体连通的压力传感器。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，试验压力波产生机构包括一个用于向管道提供一流体充量的蓄能器，所述蓄能器有一个阀门并与管道流体连通，所述阀门5控制和处理装置或机构相连通。
17.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述处理和控制装置或机构包括一个图象监视器和一个键盘。
全文摘要
本发明是一种用于确定流体从管道中漏逸出来的位置的系统。它包括用于流体内表征有流体从管道中漏逸出来的压力波进行检测的装置或机构和用于在流体中产生一个试验压力波并接收该试验压力波的反射波来确定流体漏逸位置的装置或机构。该系统适用于管道中的任何流体，例如流体可以是但不限于气体或油类。
文档编号G01M3/24GK1123894SQ9511511
公开日1996年6月5日 申请日期1995年8月18日 优先权日1994年8月19日
发明者霍华·L·李登, 罗伯特·J·布汀, 卡尔文·R·黑斯廷斯 申请人:美商卡登有限公司