管道泄漏檢測研究現(xiàn)狀

張曉靈，公彥蒙，翁曉霞，白 勇，李清平，姚海元

(1.中海油能源發(fā)展管道工程公司，天津 300452； 2.浙江大學(xué)，杭州 310058；3.中海油研究總院，北京100027)

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管道泄漏檢測研究現(xiàn)狀

張曉靈1，公彥蒙2，翁曉霞2，白 勇2，李清平3，姚海元3

(1.中海油能源發(fā)展管道工程公司，天津 300452； 2.浙江大學(xué)，杭州 310058；3.中海油研究總院，北京100027)

管道泄漏檢測可為管道運(yùn)行安全提供重要保證。總結(jié)國內(nèi)外陸地和海底管道的泄漏檢測方法。由于現(xiàn)場情況復(fù)雜，采用單一方法進(jìn)行泄漏檢測并不能得到滿意的結(jié)果，尤其是海底管道，因此需要多種方法結(jié)合使用。對基于外部和內(nèi)部檢測的各種方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用情況(陸地/海底，單相/多相等)等做了介紹。對敏感性、穩(wěn)定性、實時性以及泄漏反應(yīng)時間等做了對比。為管道泄漏檢測的研究提供參考。

管道泄漏檢測；敏感性；實時性；陸地；海底

0 引言

管道泄漏是管道運(yùn)行中的主要故障，會造成經(jīng)濟(jì)損失并污染環(huán)境。為了最大限度地降低管道泄漏帶來的損失，一般要求管道泄漏檢測系統(tǒng)具備以下幾個特點(diǎn)[1]：(1) 靈敏性。泄漏檢測系統(tǒng)能夠檢測到泄漏，并在此泄漏量下以最短的時間進(jìn)行泄漏報警。(2) 魯棒性。當(dāng)儀表出現(xiàn)故障或者管道的工作狀態(tài)發(fā)生瞬變時，泄漏檢測系統(tǒng)是否仍能夠進(jìn)行泄漏檢測。(3) 易維護(hù)。檢漏系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，容易進(jìn)行系統(tǒng)的恢復(fù)。本文對國內(nèi)外一些先進(jìn)的管道泄漏檢測方法進(jìn)行了廣泛的調(diào)查和研究，為管道泄漏檢測的研究提供參考。

1 檢測方法

檢測分為管內(nèi)檢測和管外檢測[2]。根據(jù)不同原理，可分別基于硬件或軟件進(jìn)行檢測。

1.1 基于外部的泄漏檢測方法

(1) 光纖法

光纖法可通過聲波頻率來定位和測量機(jī)械干擾，這些干擾可能是由震動、地震波、氣體或者液體泄漏等引起的。此時可以檢測到泄漏，且定位精度大約1 m，通過與數(shù)據(jù)庫對比，從而確定引起干擾的原因。光纖法可通過將光纖測試管道的溫度分布傳輸給特定軟件，通過溫度分布判斷是否發(fā)生泄漏并確定泄漏的位置。要求光纖均勻的分布在管道周圍。

光纖法適用于氣體、液體和多相流管道。其定位和檢測精度高，對電磁干擾具有免疫性。但光纖價格較為昂貴，進(jìn)行泄漏檢測時需建立干擾因素數(shù)據(jù)庫。

北京鵬達(dá)實創(chuàng)科技發(fā)展有限公司研制的管道泄漏檢測系統(tǒng)通過單模光纖把管道的溫度分布傳送給分析軟件，通過軟件對比其他區(qū)域的溫度來判斷是否產(chǎn)生泄漏,其探測距離最長為80 km，主要用于陸地管道。瑞士Omnisens公司開發(fā)了分布式光纖管道測漏傳感器，如圖1所示。

圖1 分布式光纖管道測漏傳感器

(2) 電容法

電容法[3]通過電容傳感器檢測周圍物質(zhì)介電常數(shù)的變化來測漏。電容器由同一平面上的兩個同心、絕緣的電容板組成，一個是圓盤，另一個是周圍環(huán)。傳感器電容與電容板間介質(zhì)的介電常數(shù)成正比。海水和碳?xì)浠衔锏慕殡姵?shù)差異很大。如果傳感器與碳?xì)浠衔镏苯咏佑|，則所測量的電容將改變。在進(jìn)行泄漏檢測時，電容傳感器依賴收集器的形狀和尺寸。由于聚結(jié)問題，相比天然氣，不太適合原油檢測。

電容傳感器技術(shù)成熟度很高，自1990年開始就已經(jīng)面向市場。電容傳感器會產(chǎn)生很多誤報警，原因是沿程安裝了許多傳感器。

(3) 生物傳感器法

生物傳感器法利用生物對周圍環(huán)境污染的反應(yīng)進(jìn)行測漏。合適的生物體被放置在結(jié)構(gòu)中進(jìn)行檢測。生物體用作傳感器的一個例子是貽貝，傳感器記錄心臟的節(jié)奏和力度以及跳動頻率等。此方法適用于氣體和液體，并在淺水區(qū)進(jìn)行過檢測，在深水區(qū)還未進(jìn)行過檢測。生物傳感器方法雖然能夠進(jìn)行泄漏檢測，但是無法進(jìn)行泄漏定位。

(4) 光學(xué)相機(jī)法

光學(xué)相機(jī)法是利用一臺攝像機(jī)監(jiān)控水下的系統(tǒng)。此技術(shù)依賴于相機(jī)空間覆蓋范圍和相機(jī)到泄漏的方向。光學(xué)相機(jī)法的能力是3～30 min記錄和發(fā)送動態(tài)圖，每小時記錄和發(fā)送1～10張靜態(tài)圖。光學(xué)相機(jī)檢漏法對水的濁度以及生物的生長比較敏感，適用于氣體和液體管道。一般與水下機(jī)器人(Remote Operated Vehicles,ROV)一起安裝在海底管道上使用。

(5) 特性阻抗法

由傳感器構(gòu)成的泄漏系統(tǒng)可隨時檢測到管道微量原油的泄漏情況。特性阻抗檢漏法適用于氣體、液體和多相流管道。

(6) 聲波法

管道泄漏時會產(chǎn)生噪聲信號，聲波法即基于這些噪聲信號進(jìn)行檢測。但是，信號受到環(huán)境與管道操作噪聲的影響，會使得聲波信號失真。聲波法適合流量小、壓力高的管線。

目前市場有許多聲波檢測裝置用于海底管道泄漏檢測。例如GE的新聲波泄漏檢測系統(tǒng)，Co.L.Mar公司開發(fā)的ALD，Neptune公司開發(fā)的ALD以及美國休斯頓聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)。

國內(nèi)靖江市中諾儀器有限公司研制的地下管道泄漏檢測儀應(yīng)用數(shù)字信號處理技術(shù)來分辨環(huán)境噪聲、操作噪音和泄漏噪聲，從而判斷是否產(chǎn)生泄漏，并進(jìn)行直觀定位，其適用范圍是油、氣、水等介質(zhì)輸送管線的緩慢泄漏，可進(jìn)行較為精確的檢測。檢測靈敏度：0.03加侖/分；定位誤差：±1 m；漏報警、誤報警率≤1%。

1.2 基于內(nèi)部的泄漏檢測方法

(1) 統(tǒng)計檢漏法

統(tǒng)計檢漏法監(jiān)測管道泄漏時，若無泄漏發(fā)生，則流量和壓力之間的關(guān)系不會發(fā)生變化。如發(fā)生泄漏，根據(jù)工況利用水力坡降法和負(fù)壓波對泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。使用統(tǒng)計檢漏法無需復(fù)雜的管道模型，計算量比較小，誤報警率低，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，但其定位精度不高，對儀表精度有一定要求，在多泄漏情況下檢測結(jié)果變差。這種檢測方法對氣、液和多相流管道均可。

(2) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[4]與基于管道準(zhǔn)確流動模型泄漏檢測方法不同。用該方法檢測泄漏時，常出現(xiàn)誤差大或漏報、誤報現(xiàn)象，工業(yè)應(yīng)用較少。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對單相流和多相流管道均適用，其缺點(diǎn)是受到訓(xùn)練樣本的嚴(yán)重制約，各項參數(shù)的選取缺乏足夠的理論支持以及存在自學(xué)習(xí)等問題。

北京東方中石科技有限公司基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研制了HKH長輸管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。誤報警率≤2次/年；漏報警率：正常運(yùn)行無漏報；定位精度≤150 m；報警響應(yīng)時間0.3～3.0 min。

(3) 實時瞬變模型法(RTMM)

RTMM模擬管道內(nèi)部流體的流量，利用質(zhì)量和動量守恒以及氣體狀態(tài)方程等對管道內(nèi)流體的流量建立模型。當(dāng)計算偏差大于設(shè)定閾值時，發(fā)出泄漏報警。

RTMM適用于氣體、液體和多相流管道，實時性好，精度依賴于模型和硬件的精度。缺點(diǎn)是誤報警率較高。

Troika 以及Gemini均使用過RTTM，但是目前此方法還沒有被廣泛應(yīng)用。PSI利用實時瞬變模型研發(fā)了PSI 管線泄漏檢測系統(tǒng)。

(4) 系統(tǒng)辨識法

在管道完好的情況下，建立管道有、無故障靈敏模型，然后根據(jù)此靈敏模型，利用自相關(guān)分析算法來判別泄漏。系統(tǒng)辨識檢漏法適合進(jìn)行小泄漏檢測。

(5) 負(fù)壓波法

泄漏時，把泄漏點(diǎn)兩端的管道看成上、下游兩條管。把泄漏前的管道壓力作為參照基準(zhǔn)，管道泄漏時產(chǎn)生的壓力波就稱為負(fù)壓波。負(fù)壓波以特定速度向管道的端部傳播，經(jīng)過一段時間后分別被位于上、下游的壓力傳感器接收。

負(fù)壓波法不需建立數(shù)學(xué)模型，計算量小，簡單實用，較為靈敏，定位精度也高。但對于滲漏、緩慢泄漏或者已經(jīng)存在的泄漏，該方法檢測效果不理想，而且易受工況變化的干擾。

天津大學(xué)基于這種方法開發(fā)了用于輸油管線泄漏的檢測與定位系統(tǒng)，檢測到的最小泄漏量僅為總數(shù)量的1%，報警時定位誤差小于被測管道總長度的2%。

(6) 壓力梯度法

壓力梯度法是在管道上、下游兩端各設(shè)置2個壓力傳感器，通過傳感器測得的壓力信號分別計算出上、下游管道的壓力梯度。當(dāng)管道沒有泄漏時，壓力梯度曲線呈斜直線；發(fā)生泄漏后，壓力梯度曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為泄漏點(diǎn)。壓力梯度法適用于等溫長輸管道或介質(zhì)隨溫度變化不大的管道。不等溫長輸管道需要建立復(fù)雜的水力和熱力學(xué)模型。該方法簡單、直觀，儀表測量的精度和安裝位置都對定位結(jié)果有較大的影響。

(7) 小波法

選取適宜的小波基函數(shù)和尺度對泄漏信號進(jìn)行小波分解，再進(jìn)行閾值量化，重構(gòu)小波信號后就得到消噪后的泄漏信號。運(yùn)用該方法可以更為精確的獲得壓力突降點(diǎn)，提高泄漏點(diǎn)定位的精度。一般與負(fù)壓波方法相結(jié)合。

(8) 質(zhì)量/體積平衡法

根據(jù)動態(tài)質(zhì)量守恒原理，即流體的流入量與流出量的差等于管道內(nèi)滯留的流體量。管道穩(wěn)定運(yùn)行時，管道流入量等于流出量。當(dāng)發(fā)生泄漏時，檢測管道中流入量與流出量存在差值，若差值大于一定的范圍，則表明所測管道可能已經(jīng)發(fā)生泄漏。該方法適用于有流量、運(yùn)行狀況相對穩(wěn)定、泄漏量較大的管道。它能夠檢測已有的泄漏，檢測的靈敏度和精度不高，但是可靠性高，與壓力波結(jié)合使用可以大大減少誤報警，但對氣體檢測比較困難。

德國阿爾卑斯管道公司(TAL)原油管道上安裝使用了基于流量設(shè)計的檢漏系統(tǒng)，配合超聲波流量計使用。濰坊凱特工業(yè)控制系統(tǒng)工程有限公司利用質(zhì)量守恒原理以及負(fù)壓波定位和動態(tài)方程定位研制了管道泄漏檢測系統(tǒng)。東北大學(xué)與勝利油田合作研制的管道泄漏智能診斷與定位系統(tǒng)利用輸差和壓力波耦合的方法來檢測和定位泄漏，在勝利油田輸油管道上進(jìn)行了應(yīng)用，可測量管道最大長度達(dá)50 km，定位誤差為管長的2%，可檢測最小泄漏量為輸量的2%，報警響應(yīng)時間小于55 s。

(9) 壓力點(diǎn)分析法

管道發(fā)生泄漏的前后一段時間內(nèi)，其壓力的統(tǒng)計特性是不同的。這樣，沿管道布置一系列壓力測試點(diǎn)來監(jiān)測各處壓力，然后采用統(tǒng)計方法分析監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，并與管道正常運(yùn)行狀態(tài)時的曲線進(jìn)行比較，根據(jù)兩者的差別來判斷管道是否發(fā)生泄漏。壓力點(diǎn)分析法可以檢測較小量泄漏，但是無法定位，對泄漏的評估能力較差。

兩杯酒進(jìn)了肚之后，我的頭腦卻格外清明起來。我是一個農(nóng)家的孩子，靠著父母省吃儉用把自己供了出來，有了工作，當(dāng)了官，可自己卻從來沒有一天感到自己是幸福的，即使是和穎春的新婚之夜，因為心里有了對秀紅的愧疚也沒有半絲的甜蜜。到了后來，穎春生下女兒又下了崗，日子便變得更加艱難起來，為了讓穎春能夠重新混上一個工作，苦扒苦撐當(dāng)上了個副局長，可一個小小芝水縣的小小官場卻讓我覺得那么的齷齪與骯臟，也許，我只有放棄了這一切，回到老王的紅提園或者秀紅的果園場，我的幸福才會來臨。

國內(nèi)東營五色石測漏專家公司應(yīng)用壓力點(diǎn)分析和輸差分析對輸油管道進(jìn)行泄漏檢測，可檢測到小于總瞬時輸量1%的泄漏量，定位誤差在±200 m，泄漏檢測定位和報警均在泄漏發(fā)生后3 min內(nèi)完成。

(10) 支持向量機(jī)法

提取檢測到的特征信號，采用基于小波包分解的“能量-模式”法對管道沿線的異常情況進(jìn)行識別，按照“一對一”的方法解決多分類問題。該方法的缺點(diǎn)是過分依賴特征數(shù)據(jù)的提取，前期的數(shù)據(jù)預(yù)處理決定了泄漏故障識別率的高低。

(11) OLGA Online

OLGA Online[5-6]是真正的在線動態(tài)生產(chǎn)支持系統(tǒng)。OLGA Online是基于OLGA內(nèi)核的，對各種生產(chǎn)情形都能夠處理，如停輸和啟動、清管、管線充裝、減量和增輸?shù)?。OLGA Online具有3種運(yùn)行模式：

實時：與油田實際生產(chǎn)同步進(jìn)行，可提供比控制系統(tǒng)更多的信息。應(yīng)用實例包括漏失探測、段塞計算和水合物形成分析等。

計劃：可以對所有參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，執(zhí)行新的操作規(guī)程計劃。

因OLGA Online是基于OLGA 內(nèi)核的，所以在意外工況下是值得信賴的，但是價格較為昂貴。該方法界面友好，能夠?qū)崿F(xiàn)無縫集成，具有許多功能模塊，能夠很容易地與第三方軟件相結(jié)合。

2007年，OLGA Online在某油田上利用生產(chǎn)井與井口平臺、MEG注入、平臺間管線與外輸管線、段塞捕集器與入口分離器等模型，實現(xiàn)了泄漏檢測、沖蝕、腐蝕、水合物等的作業(yè)。2007年，OLGA Online在Ormen Lange PMS 項目中實現(xiàn)了泄漏檢測與定位(單相與多相)、清管等作業(yè)。

1.3 周期性泄漏檢測方法

(1) 管內(nèi)通球法

在管道內(nèi)部通入檢測球，采用漏磁、超聲波、渦流、錄像等技術(shù)手段采集管內(nèi)信息，然后對采集的信息進(jìn)行分析處理，來檢測泄漏并確定泄漏位置。該方法適用于氣體、液體、多相流管道，要求管道沒有太多接頭和連接。定位較為準(zhǔn)確，但檢測成本大，實時性差，不適用于較小口徑管道，且容易發(fā)生卡球事故。

(2) 熒光劑法

通過檢測泄漏管道產(chǎn)生的碳?xì)浠衔餆晒庑盘杹砼袛嗪５坠艿赖男孤?。熒光劑檢漏法的靈敏度高，能夠檢測微小泄漏，但是不能實時檢測。

英國CTG開發(fā)的PLK水下管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)采用熒光劑法進(jìn)行泄漏監(jiān)測，具有超過25年的成功記錄。該系統(tǒng)用在了墨西哥海灣的馬孔多油井。由CONTROS公司開發(fā)的CONTROSTM永久泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，具有3種傳感器，保證了監(jiān)測的可靠性和低誤報警率。此系統(tǒng)可用在水深3 000 m的地方。由BOWTECH公司生產(chǎn)的泄漏檢測系統(tǒng)包含了1個LED燈，調(diào)諧到能發(fā)射綠色光的熒光示蹤染料和高分辨率、低光敏感的照相機(jī)，該照相機(jī)裝有1個過濾器，能夠檢測到熒光染料。Neptune公司研制的熒光泄漏檢測系統(tǒng)，能夠在混濁的條件下檢測到低濃度的泄漏物。

2 結(jié)語

本文主要總結(jié)了陸地和海底管道泄漏檢測的方法，由于所處環(huán)境不同，兩者的檢測方法區(qū)別較大。海底管道泄漏檢測仍是難點(diǎn)，但國內(nèi)外已有一些研究成果，其中殼牌研制的ATMOS管道泄漏檢測系統(tǒng)可用于海底管道泄漏檢測，OLGA Online也可以用于進(jìn)行海底管道泄漏檢測，但ATMOS系統(tǒng)具有針對性。聲波檢測也是目前利用比較多的海底泄漏檢測方法。實際應(yīng)用時，需要多種方法結(jié)合，才能達(dá)到理想的泄漏檢測效果。

[1] 潘霞.管道泄漏檢測綜合實驗系統(tǒng)開發(fā)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2006.

[2] SCOTT S L,BARRUFET M A.Worldwide Assessment of Industry Leak Detection Capabilities for Single & Multiphase Pipelines[M].Offshore Technology Research Center,2003.

[3] DNV.Selection and Use of Subsea Leak Detection Systems:DNV-RP-F302[S].2010.

[4] 唐秀家，顏大椿.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道泄漏檢測方法及儀器[J].北京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1997,33(3):319-327.

[5] SPT Group.油氣田生產(chǎn)操作中流動安全保障模擬的核心解決方案[EB/OL].http://www.coc88.com/p-9788196001906.html.2014.

[6] 王玨.海上流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].科技視界,2014 (2):21-23.

Pipeline Leak Detection Research Status

ZHANG Xiaoling1，GONG Yanmeng2，WENG Xiaoxia2，BAI Yong2， LI Qingping3，YAO Haiyuan3

(1.CNOOC Energy Technology & Services-Pipe Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China；2.Zhejiang University，Hangzhou 310058,China；3.CNOOC Research Institute,Beijing 100027,China)

Pipeline leak detection is the important safeguard to the operation of pipelines.The domestic and international pipeline leak detection methods,including terrestrial and submarine pipelines are summarized.Due to the complexity of the situation,especially to subsea pipeline,a single method of leak detection does not get satisfactory results.So a variety of methods need to be combined.Detection methods based on external and internal detection are provided,including principles of each method,advantages,disadvantages and applications(land/subsea,single-phase/multiphase),etc.These methods about sensitivity,stability,real-time and leakage of reaction time and so on are compared.It provide reference for research of pipeline leak detection.

pipeline leak detection; sensitivity; real-time; land; subsea

2016-07-12

國家科技重大專項(2016ZX05028-004)

張曉靈(1972-)，男，教授級高工

1001-4500(2017)03-0001-05

U178

A