用于监测非金属管道泄漏的系统
技术领域
本实用新型涉及管道泄漏监测技术，特别涉及一种用于监测非金属管道泄漏的系统。
背景技术
管道是能源和水输送的核心设施，是攸关国民经济发展和人类生存的生命线。随着我国能源结构的调整和城市化进程的加速，非金属管道在国家重大工程中有着广泛的运用，如在滩涂和浅海石油工业领域作为高压跨接管，在城市燃气管网中作为燃气输送管道，在核电站中作为冷却水循环管道，同时其也是油井注水管和浅海中低压海洋软管的理想替代品。我国已成为非金属管道产量和需求量最大的国家，应用前景十分广阔。
非金属管道应用场合广泛，服役环境复杂且恶劣，容易受到地形变化和自然灾害产生的外界载荷。在实际使用中，由于非金属管道泄漏产生的资源浪费与安全事故不断发生。据统计我国城市供水管网的水损达到21.5％，北方某些城市的水损甚至达到40％左右。其中管道漏损产生的水损约占50％，造成了严重水资源浪费。用于油气输送的非金属管道，其压力高，口径大，该类型管道的泄漏不止形成动力浪费、污染环境，还会对人们生命财产安全形成威胁。
为解决管道泄漏产生的资源浪费和安全事故，需要建设管道的泄漏监测系统，对管道泄漏状态进行实时监测，及早发现管道泄漏隐患并排除，降低管道的运行维护成本，减少资源的浪费，提高管道的安全性和使用寿命。目前管道泄漏监测的方法主要有：声波检测技术和光纤检测技术。声波检测技术是根据声波在介质中的传播规律来进行泄漏监测及定位的。对于金属压力管道，一旦管道产生泄漏，由于管道内外压力差的作用，介质会从泄漏点以一定的速度流出，形成射流，从而在泄漏点产生声波。该方法在金属管道中已经有比较成功的应用，但是在非金属管道中，由于声波在非金属(塑料)材料中的衰减速度快，传播距离短，系统建设成本大。且该方法受外界的噪声干扰大，产生的误报较多，因此声波检测技术在非金属管道的泄漏中无法适用。光纤检测技术中由于光纤信号受到温度、应变因素的影响难以解耦，且光纤材料易断裂，需要专门维护，限制了其应用。因此，在非金属管道的泄漏监测中，目前尚缺乏一种有效的泄漏监测技术。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用于监测非金属管道泄漏的系统。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的解决方案是：
提供一种用于监测非金属管道泄漏的系统，包括电阻值检测模块；还包括：沿轴向布置在管道外侧正下方的轴向监测电极、装于管道壁上且能与输送介质接触的环向监测电极，轴向监测电极的一端通过导线依次连接电阻值检测模块和环向监测电极，环向监测电极及其接线端与轴向监测电极、管道安装环境之间保持绝缘；电阻值检测模块通过信号线连接通讯模块，后者以有线或无线通讯方式连接至泄漏分析模块，泄漏分析模块用于根据通讯模块上传的电阻监测数据变化判断是否发生管道泄漏。(管道安装环境是指管道铺设在土壤中或其它介质中的情况，此时应保证环向监测电极及其接线端与土壤或其它介质之间为绝缘。)
作为一种改进，所述轴向监测电极是条状电极、线状电极或板状电极。
作为一种改进，所述轴向监测电极以胶粘的方式固定管道外侧正下方；或者，轴向监测电极沿管道直接铺设在正下方，与管道间距不超过0.5m。
作为一种改进，所述环向监测电极布置在离轴向监测电极的接线端的轴向距离在0～50cm范围内的任意环向位置。
作为一种改进，所述环向监测电极是条状电极、线状电极、板状电极或圆柱形电极。
作为一种改进，所述环向监测电极通过下述任意一种方式固定在管道壁上：
(1)环向监测电极固定在带内孔的螺栓内部，然后密封内孔；在管道壁上打孔，将螺栓装入孔中；
(2)环向监测电极嵌入在管道壁内侧，且与内嵌电阻丝的电熔管件的内部导线连通；
(3)环向监测电极以热熔焊接的方式固定在管道壁内侧；
(4)在管道壁上打孔，将环向监测电极通过该孔插入至露出管道壁内侧，再用热熔枪熔融塑料将孔密封。
作为一种改进，所述系统包括若干个并行的子系统，每个子系统均包括一组轴向监测电极、环向监测电极、电阻值检测模块和通讯模块，分别通过通讯模块连接至泄漏分析模块；各子系统中的轴向监测电极首尾相接依次布置，且在离轴向监测电极的接线端的轴向距离0～50cm范围内的任意环向位置处，布置对应的环向监测电极。
基于本实用新型，可按下述方法实现非金属管道泄漏的监测，包括：电阻值检测模块实时检测轴向监测电极与环向监测电极之间的电阻值，并将电阻值数据通过通讯模块传输至泄漏分析模块；泄漏分析模块将接收到的测量电阻值Rm与预设的特征值Rs比较；若Rm>Rs，管路系统无泄漏；若Rm<Rs，管路系统存在泄漏；如存在泄露，泄漏分析模块在输出监测结果的同时发出警告提示存在泄露。
所述预设的特征值Rs取值按下述任意一种方式确定：
(1)特征值Rs是为待监测非金属管道的绝缘电阻；
(2)在非金属管道及监测系统安装后，采用高阻仪对监测系统的电阻值进行测量，取测量电阻的10％作为特征值Rs；
(3)对于壁厚超过10mm的SDR11 PE100燃气管道，取特征值Rs为200MΩ。
在具备若干个并行的子系统的情况下，泄漏分析模块在输出监测结果的同时，发出警告提示相应子系统存在泄露，从而确认泄漏点属于某特定管段。
实现原理描述：
非金属管道的表面材料为绝缘材料，管道未发生泄漏时，沿管道轴向布置的轴向监测电极和插入管道内部的环向监测电极之间处于绝缘状态，此时电阻值检测模块测量的电阻值非常大，通常在1000MΩ以上。当管道发生泄漏时，泄漏的部分流体将沿着管道外壁面流到管道下方的轴向监测电极处，由于水等流体介质具有导电性，管道内的流体以及泄漏的流体使轴向监测电极和环向监测电极导通形成回路，电阻值检测模块测量的电阻值将明显降低，由此监测到管道产生的介质泄漏。电阻值检测模块测量的电阻值信号通过通讯模块传输至泄漏分析模块，泄漏分析模块根据接收的电阻值的变化判断是否发生管道泄漏。
由于管道发生泄漏时电阻值检测模块测量的电阻值会明显降低，为了判断管道是否发生泄漏，需要设置一个特征值Rs，将电阻值检测模块测量的电阻值Rm与该特征值Rs作对比，当电阻值Rm大于该特征值Rs时，认为管路无泄漏；当电阻值Rm小于该特征值Rs时，认为管路发生泄漏，一般可以将特征值Rs设置为待监测非金属管道的绝缘电阻，也可以在塑料管道及监测系统安装后，采用高阻仪对其进行测量，并取测量电阻的10％作为特征值Rs，对于壁厚10mm的SDR11 PE100燃气管道，可取Rs为200MΩ。
本实用新型中，所述轴向监测电极采用胶粘的方式固定在管道的外壁面时，电极应当布置在管道外壁面最下侧位置；或者，所述轴向监测电极直接沿管道铺设时，电极应当布置在管道的正下方；安装完成后，确保环向监测电极与环向监测电极之间有较好的绝缘性。这样，当管道在环向任何位置发生泄漏时，泄漏的部分流体将沿着管道外壁面流到管道下方的轴向监测电极处，管道泄漏的流体以及管道内的流体使轴向监测电极和环向监测电极导通形成回路，检测电路测量到的电阻值将明显降低，由此监测到管道产生的介质泄漏。
本实用新型中，可以将轴向监测电极、环向监测电极、电阻值检测模块和通讯模块组成一个子系统。这样的子系统可以沿着管道分段布置多个，每一个子系统负责其布置范围内的管道泄漏监测，以适应管道系统泄漏监测的精度需求。泄漏分析模块可以同时接收多个泄漏监测子系统传输的监测数据，根据接收的电阻值判断是否发生管道泄漏，以及泄漏点属于哪一个泄漏监测子系统所覆盖的管段。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
(1)以往的声波和光纤检测技术难以应用于非金属管道的泄漏监测，本实用新型提出的基于电阻的监测系统，能够有效监测到非金属管道系统中产生的流体介质泄漏，解决了非金属管道泄漏监测困难的问题。
(2)本实用新型专利中的泄漏监测系统可以根据管线监测精度需求沿管道分段布置多个，每一个系统负责其布置范围内的管道泄漏监测，适应管道系统泄漏监测的精度需求。
(3)相比于其他的泄漏监测技术，本实用新型所采用的检测设备简单，不需要复杂的检测设备，测试方法易于实现，降低了非金属管道泄漏监测的成本。
附图说明
图1为本实用新型所述系统的结构及原理示意图；
图2为利用本实用新型实现泄露判断的流程图；
图3为实施例中的泄漏测试过程示意图。
附图标记：1非金属管道；2环向监测电极；3轴向监测电极；4电阻值检测模块；5通讯模块；6泄漏分析模块。
具体实施方式
首先需要说明的是，本实用新型中的泄漏分析模块是一个具有计算功能的硬件产品，可选设备包括单片机、PLC模块、计算机等，其分析计算功能是由内嵌或安装在设备中的软件功能模块实现的。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本实用新型的实现原理和实用新型目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本实用新型。
附图中示出了本实用新型专利中非金属管道监测系统及方法的各种示意图。其中为了清楚地表达，放大了某些细节，并且可能地省略了某些细节。图中所示出的各个部件的形状以及他们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的。
用于监测非金属管道泄漏的系统如图1所示，包括电阻值检测模块4、沿轴向布置在非金属管道1外侧正下方的轴向监测电极3、装于管道壁上且能与输送介质接触的环向监测电极2，轴向监测电极3的一端通过导线依次连接电阻值检测模块4和环向监测电极2，且环向监测电极2与轴向监测电极3之间保持绝缘；电阻值检测模块4通过信号线连接通讯模块5，后者以有线或无线通讯方式连接至泄漏分析模块6；泄漏分析模块6用于根据通讯模块5上传的电阻监测数据变化判断是否发生管道泄漏。
该系统中可以包括若干个并行的子系统，该子系统可以沿着管道分段布置多个，每一个系统负责其布置范围内的管道泄漏监测，以适应管道系统泄漏监测的精度需求。每个子系统均包括一组轴向监测电极3、环向监测电极2、电阻值检测模块4和通讯模块5，分别通过通讯模块5连接至泄漏分析模块6；各子系统中的轴向监测电极3首尾相接依次布置，且在离轴向监测电极3的接线端的轴向距离0～50cm范围内的任意环向位置处，布置对应的环向监测电极2。
轴向监测电极3可选条状电极、线状电极或板状电极，以胶粘的方式固定在管道外侧正下方；或者，轴向监测电极3沿管道直接铺设在正下方，且与管道间距不超过0.5m。环向监测电极2可选条状电极、线状电极、板状电极或圆柱形电极，布置在离轴向监测电极3的接线端的轴向距离在0～50cm范围内的任意环向位置。其布置方式可选下述任意一种方式：(1)环向监测电极2固定在带内孔的螺栓内部，然后密封内孔；在管道壁上打孔，将螺栓装入孔中；(2)环向监测电极2嵌入在管道壁内侧，且与内嵌电阻丝的电熔管件的内部导线连通；(3)环向监测电极2以热熔焊接的方式固定在管道壁内侧；(4)在管道壁上打孔，将环向监测电极2通过该孔插入至露出管道壁内侧，再用热熔枪熔融塑料将孔密封。
电阻值检测模块4连接所述两个监测电极，测量两个监测电极之间的电阻值。非金属管道1发生泄漏时，泄漏的液体介质使两个监测电极导通形成回路，电阻值检测模块4测量到的电阻值会明显降低；电阻值检测模块4可选市售电阻测量产品(例如量程在5～10MΩ以上的万用表或高阻仪)，也可以对单纯的电阻测量电路进行封装作为电阻值检测模块4；甚至可以将电阻测量电路与通讯模块共同封装在一个硬件设备中，以降低硬件产品成本、降低安装工序。
利用本实用新型所述系统实现非金属管道泄漏的监测，其过程包括：电阻值检测模块4实时检测轴向监测电极3与环向监测电极2之间的电阻值，并将电阻值数据通过通讯模块5传输至泄漏分析模块6；泄漏分析模块6将接收到的测量电阻值Rm与预设的特征值Rs比较；若Rm>Rs，管路系统无泄漏；若Rm<Rs，管路系统存在泄漏；一般可以将特征值Rs设置为待监测非金属管道的绝缘电阻，也可以在塑料管道及监测系统安装后，采用高阻仪对其进行测量，并取测量电阻的10％作为特征值Rs，对于壁厚10mm的SDR11 PE100燃气管道，可取Rs为200MΩ。如存在泄露，泄漏分析模块6在输出监测结果的同时发出警告提示存在泄露。在具备若干个并行的子系统的情况下，泄漏分析模块6在输出监测结果的同时，发出警告提示相应子系统存在泄露，从而确认泄漏点属于某特定管段。
图1介绍了本实用新型的监测原理。非金属管道1的表面材料为绝缘材料，管道未发生泄漏时，沿管道轴向布置的轴向监测电极3和插入管道内部的环向监测电极2之间处于不导通状态，此时电阻值检测模块4测量的电阻值非常大，通常在1000MΩ以上。当管道发生泄漏时，泄漏的部分流体将沿着管道外壁面流到管道下方的轴向监测电极3处，由于水等流体介质具有导电性，管道内的流体以及泄漏的流体使轴向监测电极3和环向监测电极2导通形成回路，电阻值检测模块4测量的电阻值将明显降低至10MΩ以下，由此监测到管道产生的介质泄漏。
电阻值检测模块测量4的电阻值信号通过通讯模块5传输至泄漏分析模块6，后者根据接收的电阻值判断是否发生管道泄漏。
图2展示了利用本实用新型的泄漏监测系统实现泄漏分析处理流程图，包括以下步骤：
(1)泄漏分析模块6接收通讯模块5传输的测量电阻值Rm；
(2)泄漏分析模块6将测量电阻值Rm与特征值Rs比较；
(3)若Rm>Rs，说明管路系统无泄漏，监测系统显示管线运行正常，无泄漏，直接进入步骤(6)输出监测结果；
(4)若Rm<Rs，说明管路系统存在泄漏；
(5)如果系统存在多个泄漏监测与数据传输系统，泄漏分析模块6将确认泄漏点属于哪一个泄漏监测与数据传输系统所覆盖的管段；
(6)输出系统监测结果；
(7)回到步骤(1)处理下一个测量数据。
下面结合实施例对本实用新型的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。实施例中的所有测量元件及材料设备均可通过公开的市售渠道获得。
测试管道为DN110高密度聚乙烯管道，填充介质为水。轴向监测电极3采用铜质条状电极，采用粘贴的方法将电极沿轴向固定在非金属管道1外壁面的最下侧位置。在轴向监测电极3端部沿环向旋转180°的位置，钻一个
本实施案例按照以下步骤实现监测：
(1)按照图1所示布置监测电极以及万用表，管道内填充介质为水；
(2)管道未发生泄漏时，采用万用表(最大测量电阻200MΩ)测量轴向监测电极3和环向监测电极2之间的电阻值，测量结果显示电阻值超过量程，记为R0；
(3)如图3所示，在管道上距离环向监测电极100cm(A点距离环向监测电极的轴向距离)位置钻孔A，模拟管道泄漏，A点泄漏的水将沿着管道外壁面流到布置在管道最下侧的轴向监测电极3处，此时泄漏的水以及管道内的水将轴向监测电极3和环向监测电极2连接起来，形成导通回路；采用万用表测量轴向监测电极3和环向监测电极2之间的电阻值，测量结果记为RA；
(4)A点测量完之后，采用胶水将A点密封，消除泄漏；
(5)同样地，在B和C点分别钻孔，产生水介质泄漏，模拟管道泄漏；分别记录B、C两点的距离以及泄漏时测量的电阻值，记为RB和RC；
(6)管道未泄漏时的电阻值以及A、B和C三个泄漏模拟点的距离以及泄漏时的测量电阻值记录如表1所示；未发生泄漏时，轴向监测电极2和环向监测电极3处于断开状态，测量电阻R0超过量程(>200MΩ)；发生泄漏时，在A、B和C三个泄漏模拟点测量的电阻值分别为4.29MΩ、3.06MΩ、2.14MΩ。
表1泄漏模拟点的距离以及泄漏时的测量电阻值
模拟泄漏实验的测试结果显示，管道发生泄漏后，由于泄漏的水介质将轴向监测电极3和环向监测电极2连接起来，形成导通回路，测量的轴向监测电极3和环向监测电极2之间的电阻值明显减低；并且泄漏点越靠近环向监测电极，测量的电阻值越小。因此，本实用新型专利提出的管道泄漏监测系统及方法能够有效地监测到非金属管道产生的流体介质泄漏，解决非金属管道泄漏监测的难题。
