随着管道运输的迅猛发展，管道泄漏检测成为管道安全的重要课题。目前，工业管道泄漏检测较为常用的主要有超声波法、漏磁法、光纤定位法、压力波等方法^{[1, 2]}。但这些方法有着各自的应用缺点，如超声检测需要耦合剂；漏磁法检测深度不够及灵敏度不高；光纤定位法造价高昂；压力波法对缓慢腐蚀性的泄漏不能较好地实现探测^{[3, 4, 5, 6, 7]}。主动电场定位思想源于仿生学，在南美和非洲河流中有一类弱电鱼，这类鱼通过自身器官发射电场和接收电场，因周围物体阻抗特性的不同引发电场扰动进而实现对物体感知^[8]。通过早期的研究结果表明，利用主动电场法能够对水下物体进行定位^{[9, 10, 11]}。文献[12, 13]将主动电场应用于血管检测，成功并准确地检测出模拟血栓出现的位置。

本文针对管道输送液体为淡水、脱水原油两种情况分别进行实验和仿真，通过对比结果，验证了主动电场技术能够用于液体输送管道的泄漏检测。

根据实验需求构建了一套能用于模拟管道检测的实验系统，如图 1所示。该系统由计算机、USB6289数据采集卡、实验控制台、水箱、探头组成。采集卡两端分别与计算机、实验控制台的步进电机和探头的探测电极相连接。计算机利用Labview编写程序，通过信号控制试验台的电机实现滑块和支架的移动，并为发射电极添加激励；接收电极接收的信号经采集卡传输至计算机中用于后期处理。

图1

图1管道泄漏检测实验系统

实验时滑块不动，将探头与实验台的滑块连接固定，步进电机接收来自计算机的控制信号控制支架移动，同时带动探头在管道内移动。水箱选用有

机玻璃做成，材料绝缘透明，避免电磁干扰，同时便于观察。探头由4个电极嵌入内径相符的有机玻璃管，并由玻璃胶固定构成，其结构原理如图 2所示。两个发射电极在管道内建立交变电场，两个接收电极接收管道内的电场信息。

图2

图2探头进入管道内部示意图

为减少电化学噪声，本文管道检测系统选择金属钛制作电极^{[14, 15, 16]}，规定处于两个发射电极之间的电场区域为内电场，两个发射电极之外的区域为外电场。在预实验中发现，内电场探测效果优于外电场^[15]。基于以上因素考虑，将探头中的No.4和No.1电极作为发射极，No.3和No.2作为接收极。

本文仿真采用Ansoft maxwell 16.0，其以麦克斯韦方程组为理论基础，利用有限元离散思想求解微分方程，将电磁场的复杂计算转化为矩阵求解。该软件是非常有名的电磁场有限元分析软件，在许多工程电磁领域都有广泛着应用^{[17, 18]}。

本文实验和仿真中，管道选用在实际管道运输中广泛使用的无缝钢管；管道外部环境选定为水；设定管道总长500 mm，外径50 mm，内径48 mm，中间245～255 mm处为泄漏点。在采集数据之前，测量出各个电极以及泄漏点在实验台标尺上的坐标，测出导轨运动速度与起始点的坐标位置。No.3电极与No.4电极距离为40 mm，No.2电极与No.3电极之间的距离为30 mm，No.2电极与No.1电极之间的距离为30 mm，如图 2所示。根据每个电极在标尺上的刻度，可以算出4个电极相对于泄漏点之间的距离，这样后期可以较为方便地得出电场定位曲线。

实验时以泄漏点为参考点，探头进入管道方向为正方向，退出为负方向。设定行程300 mm进行实验。实验时No.1电极所加激励源为0 V，No.4所加激励源为幅值A=2V，频率f=1500Hz的正弦电压。电极在探头进入管道内部时，No.3与No.2两个接收电极上接收的信号经差分后即得到所需的电压信号。

通过前期的研究发现泄漏对电压信号的影响表现为幅值的变化，为了观察不同位置波形的幅值变化以及时域和频域的联合分布，本文采用两种方法分析数据：一种是不同位置的差分电压经FFT变换后的幅值变化曲线；另一种是对采集信号的时频联合分析。

根据实验所加激励源，在Ansoft maxwell中选用交流电场求解器。在软件中手动绘制仿真模型，如图 3所示，包括探头(电极及其外层有机玻璃管)、管道、上管道壁中间部分留有模拟泄漏的缝隙，求解区域较大，未能给出。设No.3电极的左侧X轴坐标为变量PX，方便后期处理数据绘制定位曲线。

图3

图3管道检测仿真模型图

模型中各部分尺寸和材料、所添加的激励源与实验条件相一致。模型设定气球边界条件；管道和探头外层有机玻璃网格设置最大边长3 mm，电极网格设置最大边长5 mm，求解区域网格设置最大边长30 mm。设置最大求解步数30，最小求解步数2，下一步求解网格加密30%，最大求解误差1%。在4个电极中心各绘制一个单独的点，用于后期获取各电极的数据。对变量PX进行参数化分析，实现探头在管道内不同位置的计算，通过系统检测后开始求解。

将两接收电压差分经FFT变换之后，绘出定位曲线如图 4a所示。探头进入管道过程中，电场变化不剧烈。探头在遇到泄漏点时，在定位曲线上会出现一个马鞍状的区域，通过马鞍状曲线出现的位置，在最大值点对管道泄漏点进行定位。在探头进入管道过程中，马鞍状曲线最大值点的位置距离泄漏点中心位置的距离为L=10.4 mm。

图4

图4水下淡水管道泄漏实验定位曲线及时频分析结果

淡水管道泄漏实验数据的时频分析结果如图 4b所示。观察可以得出：在f=1 500 Hz处的响应幅度很小且平缓。探头在遇到泄漏点时，会出现一个马鞍状的区域，即定位曲线中用于定位的位置。电场信号在低频段的干扰很大，但出现的位置和泄漏点位置无关，低频噪声主要分布在f=0 Hz附近。

仿真结果处理得到淡水管道泄漏仿真的定位曲线如图 5所示。由图可知，在探头进入管道时，管道平滑，接收电压均匀没有大的变化；当接近泄露缝隙时，接收电压开始迅速增大，并在PX=5 mm处出现最大值，之后又迅速减小至原来大小。根据模型，No.3电极的最左边为PX，No.2电极最右端为PX-10 mm，缝隙的位置为-5～5 mm处。由此可以得出此时缝隙的中心刚好与No.2电极和No.3电极的中心位置相同。

图5

图5水下淡水输送管道仿真定位曲线

对比实验结果和仿真结果可以看出，仿真结果理想，曲线平稳，可以精确定位到管道泄漏的位置。实验结果中出现低频干扰，定位曲线不平稳，定位略有偏差，但仍能根据最大值点较为精准的定位到管道泄漏。实验结果出现干扰可能有几个原因：整个实验系统的干扰；操作实验时外部环境带来的干扰；实验材料不如仿真时材料的参数理想；水槽中水放置时间长时电导率会发生变化。

水下淡水管道泄漏的实验和仿真验证了主动电场技术能够用于管道泄漏的检测，同时仿真与实验结果相一致，验证了仿真模型及相关设置的正确性。在此基础上，对水下脱水原油管道泄漏的检测进行研究。由于实验样品的运输和保质的原因，一般原油在24 h内会脱水，故本文实验使用的原油是脱水原油。一般而言脱水原油的电导率较原油低，其工作条件较原油而言更为苛刻。实验结论可以推广到更有利于建立电场的原油输送管道。

水下脱水原油输送管道泄漏实验与淡水管道泄漏实验类似。将管道中灌满脱水原油，固定在水槽中；再将探头置入管道，由控制台控制探头移动，进行实验。实验所用的原油来自中国石化胜利油田河口采油厂C913-X9油井，脱水处理之后进行实验。脱水原油电导率极低，相对介电常数为2.2，电导率为1×10^-8 S/m^{[19, 20]}。实际的原油管道中的电导率更高，探测效果更佳。由于所用的原油电导率较低，采用激励源为幅值A=5 V，频率f=1 000 Hz的正弦激励源。

将实验所得数据处理后得到结果，如图 6a所示，探头在进入管道后，在泄漏点的位置出现了特征信号。探头进入钢管后约20 s的时间，即探头进入管道后经过75 mm的距离，探头收到的幅值迅速减小，几乎趋近于零，随后缓慢增大。探头进入管道31 s后，即No.3电极进入管道内部距离测试点11 mm处，电极接收到的电场电势迅速增大。到达最大值点时，探头刚好经过无缝钢管的泄漏点位置，No.1电极处于泄漏点的正下方。但幅度值增大后保持8 s左右时间，随着探头远离泄漏点，探头上接收到的信号幅值迅速减小，随后恢复到正常值。

图6

图6水下脱水原油管道泄漏实验时频分析图及在高频区的干扰噪声

但在除激励频率之外的区域，也有频率响应，主要体现在高频和低频噪声共同作用。在频率较低的区域f=0 Hz附近存在噪声。高频区噪声如图 6b所示，在f>1 000 Hz区域，噪声混叠很明显。噪声在f=2000 Hz处的幅值最大，且噪声在频率上不连续。

水下脱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础上，在管道内部绘制一个矩形区域，将其材料设置为原油，定义材料相关参数，其他设置保持不变。经过计算处理得出定位曲线如图 7所示。

图7

图7水下脱水原油输送管道仿真定位曲线

观察图形可知，在PX=20 mm处定位曲线出现最大值。根据探头尺寸，此时管道缝隙的中心位置恰在No.2电极的中心处。相比于淡水环境下的定位曲线，脱水原油曲线中除明显特征信号外，其余点的数据略有起伏，曲线不平稳，与实验有较多干扰相符。曲线中最大值点的幅值相比其他点明显较大，特征信号非常明显，故能够准确定位到泄漏的位置。

相比水下淡水输送管道的仿真结果，脱水原油输送管道的仿真结果中存在干扰。根据仿真条件可以推断，这些干扰信号与脱水原油有关。脱水原油的电导率较低，阻碍了电场的建立。实验的结果中存在较多干扰，其原因是原油中存在大量杂质，在交变电场下影响电磁场的分布。

原油实验结果的时频分析得出，最大幅值持续了约8 s的时间，而仿真结果只出现了一个位置，这与实验的原油有关。原油从油井到达实验室经历脱水后，基本处于半固体状态，非常粘稠，一方面阻碍了电场的建立；另一方面致使原油在泄漏位置附近与管壁产生了间隙，造成了探头在泄漏位置的接收电压变大且持续了一定时间。

在实际实验时，还对不同尺寸的缝隙进行了对比，当缝隙尺寸大于5 mm时，探测结果特征信号明显，能够对泄漏点进行定位。对比不同尺寸的缝隙实验结果发现，泄漏点尺寸不同的管道内部电场变化趋势基本相同，探头获取的特征信号也基本相同。从理论上讲，管道壁产生泄漏，泄漏点处的阻抗特性或介电特性与周围正常的管道壁相比有很大的不同，从而引起电场扰动定位到泄漏点。

根据实验和仿真结果分析，可以对本文提出的管道检测法得出以下结论：1) 提出了主动电场定位原理用于管道泄漏检测的方法，并对该方法进行了原理性验证。2) 成功地利用主动电场法模拟了管道泄漏内检测，并且成功地探测到了管道的泄漏点。3) 定位精度高。无论实验还是仿真结果，其最大值点与泄漏中心点的距离最大为20 mm，如若考虑到泄漏的宽度，距离将更小。另外结合电极所在的位置将进一步精确泄漏所在的位置。相比一些传统方法在几米、十几米的定位误差，主动电场定位法具有定位精度高的特点。

随着研究的深入，通过对实验系统的改造，可将该方法应用于多种管道检测。该方法最终有望将其集成到智能管道机器人，从而实现对管道的内检测工程化应用，有着较为广阔的应用前景。