0 引言

因管道運輸具有密閉性好、運輸量大、損失小、不易受外界因素影響等特點，已經成為油氣運輸的首選方式。但長期運營導致管道老化出現(xiàn)裂縫，或因外界環(huán)境腐蝕，以及打孔偷油等人為破壞因素，會引發(fā)管道泄漏，這不僅會帶來重大的經濟損失和嚴重的環(huán)境污染，而且，管道運輸的油氣易燃易爆，泄漏會導致起火爆炸，影響輸油線的安全，以致造成人員傷亡。因此，安全問題一直是管道運輸面臨的一項重要課題。

由此，國外從上世紀70年代就開始了管道檢漏技術的研究，國內起步較晚，上世紀80年代才開始。目前，檢測方法主要有壓力點分析法(PPA)、負壓波法、聲波法和實時模型法等。PPA法和負壓波法在檢測輸油管道突發(fā)泄漏或者泄漏較大時有效，聲波法和模型法的投入和誤報率都較高。而基于MSP430的石油管道檢漏系統(tǒng)，能連續(xù)檢測并且針對管道發(fā)生細小泄漏及時報警，實時性和準確性較高。此外，更換破損管道方便且不影響整體結構，投入低、性價比高。

1 檢測原理與安裝設計

微線檢漏傳感器(MLLD傳感器)是采用直徑0.1mm的漆包線以“S形”緊密繞制而成的，傳感器留有三個端口，分別是電源端、地端和電壓檢測端。實際情況中，輸油管道大多需要埋在地下，為避免外界因素的影響需要先對管道進行包裝保護后再投入運營。文中介紹的檢測法是在管道包裹保護材料時，將MLLD傳感器包裹在管道外的保護層中，通過檢測傳感器端口的電壓值來判斷管道泄漏情況。

1.1 檢測原理與單元設計

漆包線由銅線構成，0℃時其電阻率約為1.6×10-8 Ω·m，且電阻率的大小與溫度有關，電阻率的計算公式：

ρ=ρ0(1+at)

ρ=RS/L

式中，ρ、ρ0分別是t℃和0℃的電阻率，α是電阻率溫度系數，R是導線電阻，S是導線橫截面積，L是導線長度。根據上述兩個公式得出t℃時漆包線的電阻率及電阻。

MLLD傳感器內部構造如圖1所示，其通斷會導致α點電壓發(fā)生變化，再通過電壓比較器后，通過單片機I/O接收到“0”或“1”的電平信號來判斷是否發(fā)生泄漏。為能縮小泄漏點位置的判斷范圍，提高檢測的準確性，我們將一節(jié)管道均分成若干段，每段安裝一個MLLD傳感器。

1.2 管道整體設計

如圖2所示，以長10m、外徑400mm的管道為例，為方便檢測，該管道均分成八段，則選用的MLLD傳感器總長約為1.28km，每個單元長159m，直徑0.1mm，在溫度是20℃時，每單元的的漆包線電阻約為3.46 Ω，內部選10k的限流電阻。此外，在輸油管道外增加溫度傳感器和壓力傳感器，實時檢測管道運營情況，將檢測值及時反饋給控制中心，做檢漏系統(tǒng)的輔助信息。管道間由防腐防潮性高的四線工業(yè)連接器連接，這四根線分兩組分別連接電源線和信號線。這樣可以保證系統(tǒng)的供電以及管道間的信息傳輸。

2 硬件設計

2.1 信息傳輸系統(tǒng)設計

信息傳輸方式采用無線傳輸和有線傳輸結合。無線數傳網絡是由管道終端檢測系統(tǒng)的無線通信單元和中繼單元組成。檢測終端的無線通信單元選用基于低功耗無線收發(fā)芯片CC1101的無線通信模塊，電路圖如圖3所示。CC1101是美國TI公司推出的一款低功耗、高集成度而多通道的無線收發(fā)芯片，其工作在低于1GHz頻段，設計旨在用于極低功耗RF應用，最高數據傳輸速率為500kbps，通過SPI通信接收數據。

在保證通信正常的情況下，為減少無線通信模塊的數量，將管道分組，每十節(jié)管道為一組，每組管道間采用總線型主從式結構的有線傳輸。最后一節(jié)管道的MSP430匯總十節(jié)管道的信息，通過無線通信模塊傳輸給無線中繼單元，再由CDMA無線通信網絡模塊傳輸給控制中心。控制中心將接收的電平、溫度、壓力等信息在中心機顯示，工作人員由此判斷管道運營情況。圖4是信息傳輸示意圖。

為保證控制中心接收到的信息不會混亂，我們將每節(jié)管道編號，中心機按標號順序顯示管道信息。若發(fā)生泄漏，工作人員可通過標號快速找出泄漏管道，及時做出處理。

此外，由于無線數傳網絡的通信受傳輸距離限制，超出一定范圍后中繼單元將無法收到檢測終端的信息。因而，為保證通信的可行性和可靠性，通過借鑒移動通信系統(tǒng)中基站的微蜂窩結構，對檢測終端分成多個獨立的無線數傳網絡。

2.2 檢測終端電路設計

管道信息采集中系統(tǒng)微處理器采用美國TI公司推出的16位超低功耗的MSP430G2553單片機和MSP430F2234單片機。設計以十節(jié)管道為一組，前九節(jié)管道的微處理器選擇MSP430 G2553單片機，而最后一節(jié)管道因增加無線通信單元和信息存儲單元，所以選擇MSP430F2234單片機。

MLLD傳感器將電壓信息通過電壓比較器后，單片機I/O口接收高低不同電平值。管道溫度數據采集選用微型化、低功耗、單線接口的DS18B20數字溫度傳感器，管道壓力數據采集選用低功耗、寬電壓設計、安裝方便的KE-260/210壓力傳感器。每組管道由SD卡來存儲信息，信息通過有線傳輸到最后一個單片機后，將采集的管道信息存儲到SD卡中。

圖5是每組管道的最后一節(jié)管道的硬件電路框圖。

3 軟件設計流程與仿真

3.1 設計流程

檢測終端初始化后，每隔一段時間采集一次管道的溫度值、壓力值和MLLD電壓端口值，并將信息通過無線通信模塊傳輸給中繼單元。若單片機接收到兩個LM339的8位輸出信息不全為“1”，說明回路斷開，從而判斷有泄漏出現(xiàn)。根據該8位二進制數中“0”的個數和位置，我們可以判斷出是泄漏管道的哪一個MLLD傳感器斷開，從而可以確定泄漏點的位置。圖6為電壓檢測流程圖。

3.2 MATLAB仿真

據單元檢測原理圖設計數學模型，用MATLAB軟件仿真出一節(jié)10m管道電壓情況。軟件設計從零時刻開始，每五分鐘采集一次電壓信息。20℃時MLLD傳感器總阻值為10.346k Ω。再接入3.3V電源后，若傳感器未斷開，仿真結果約為3.19V;若斷開，仿真結果為0.97V。如圖7所示，座標系中橫、縱、豎三個坐標分別表示管道MLLD傳感器的標號，采集時間和電壓值。在0時刻和5分鐘時檢測到電壓值為3.19V，10分鐘時檢測到1號和5號傳感器電壓為0.97V，說明1號和5號傳感器斷開，進而說明管道在這兩個傳感器覆蓋的位置出現(xiàn)泄漏。若未采取措施，在下次檢測時，1號和5號傳感器仍為低電壓。

4 總結

文中提出了一種應用于輸油管道泄漏檢測的檢漏系統(tǒng)，與其他石油管道的檢測技術相比，設計的MLLD傳感器簡單易操作，而且系統(tǒng)設計采用了MSP430G2553、MSP430F2234、CC1101等低功耗器件，通過搭建電路和軟件仿真的結合，驗證了設計的可行性，檢測結果較為可靠。