管道泄露檢測(cè)及定位方法

鄭士強(qiáng)

摘要：本管道運(yùn)輸技術(shù)在石油、天然氣等輸送中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。隨著西部油田的開(kāi)發(fā)和“西氣東輸”等工程的進(jìn)行，管道運(yùn)輸將會(huì)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)越來(lái)越重要的地位。由于管道服役時(shí)間不斷增長(zhǎng)而逐漸老化，或受到各種介質(zhì)的腐蝕以及其它破壞因素，會(huì)引起管道泄漏。

關(guān)鍵詞：管道泄露;檢測(cè);定位方法

一、監(jiān)測(cè)管壁狀況的泄漏檢測(cè)和定位方法

檢測(cè)管壁是否出現(xiàn)損壞。最初人們采用沿管分段巡視的方法監(jiān)測(cè)管壁的狀況來(lái)進(jìn)行泄漏檢測(cè)，這種方法浪費(fèi)大量的人力、物力，而且不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏。為了提高檢測(cè)效率，人們研制了各種可攜帶的檢測(cè)儀表和設(shè)備。

1.爬壁機(jī)器人

采用爬壁機(jī)器人監(jiān)測(cè)管道的狀況。采用一種全自動(dòng)的機(jī)器人進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位。這種機(jī)器人攜帶傳感器沿管壁爬行，可以爬過(guò)凸緣，但這種爬壁機(jī)器人只適合應(yīng)用于敷設(shè)于地面的管道，應(yīng)用場(chǎng)所受限。

2.管內(nèi)探測(cè)球法

管內(nèi)探測(cè)球檢漏方法是基于磁通、超聲、渦流、錄像等技術(shù)的探測(cè)法。該方法應(yīng)用探測(cè)球沿管線內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行探測(cè)，利用超聲技術(shù)或漏磁技術(shù)采集大量數(shù)據(jù)，并將探測(cè)所得數(shù)據(jù)存在內(nèi)置的專用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中用來(lái)進(jìn)行事后分析，借以判斷管道是否被腐蝕、穿孔等情況，即：是否有泄漏點(diǎn)。

3.油、氣敏感線纜

通過(guò)沿管道外壁敷設(shè)對(duì)油、氣敏感的特殊線纜來(lái)進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位。這種檢測(cè)方法非常靈敏，對(duì)于其它方法無(wú)能為力的小泄漏和緩慢泄漏有很好的效果。

4.嗅覺(jué)傳感器

嗅覺(jué)傳感器技術(shù)是新穎的技術(shù)。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)制造出對(duì)某種化學(xué)物質(zhì)特別敏感的傳感器，再借助于計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)可以大大地提高檢測(cè)的靈敏度和精確度?？梢詫⑿嵊X(jué)傳感器沿管道按一定的距離布置，組成傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，對(duì)泄漏物質(zhì)非常敏感的嗅覺(jué)傳感器就會(huì)發(fā)出報(bào)警。

5.光纖傳感器

光纖傳感器是近年來(lái)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，它在實(shí)現(xiàn)物理量測(cè)量的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，在解決信號(hào)衰減和抗干擾方面有著獨(dú)特的優(yōu)越性。用光纖傳感器檢測(cè)管道泄漏的方法是根據(jù)管道中輸送的熱物質(zhì)泄漏會(huì)引起周圍環(huán)境溫度的變化，利用分布式光纖溫度傳感器連續(xù)測(cè)量沿管道的溫度分布，當(dāng)沿管道的溫度變化超過(guò)一定的范圍，就可以判斷發(fā)生了泄漏。

二、地面間接檢測(cè)方法

1.熱紅外成像

當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，周圍的土壤便浸泡在泄漏的原油中，這時(shí)土壤的溫度會(huì)上升。這種溫度的變化可以通過(guò)紅外輻射的不同來(lái)感知。檢測(cè)時(shí)，將管道周圍土壤正常溫度分布圖記錄在計(jì)算機(jī)中，用直升機(jī)在空中實(shí)時(shí)采集管道周圍土壤溫度場(chǎng)情況，通過(guò)對(duì)兩者的比較來(lái)檢測(cè)泄漏。

2.探地雷達(dá)

探地雷達(dá)（GPR）將脈沖發(fā)射到地下介質(zhì)中，通過(guò)接收反射信號(hào)探測(cè)地下目標(biāo)。由于電磁波在介質(zhì)中的傳播與通過(guò)介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)有關(guān)，故通過(guò)時(shí)域波形的處理和分析可探知地下物體。當(dāng)管道內(nèi)的原油發(fā)生泄漏時(shí)，管道周圍介質(zhì)的電性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，從而反射信號(hào)的時(shí)域波形也會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)波形的變化就可以檢測(cè)到管道是否發(fā)生了泄漏。

三、監(jiān)測(cè)管內(nèi)流體狀態(tài)的泄漏檢測(cè)和定位方法

1.流量平衡法

該方法基于管道流體流動(dòng)的質(zhì)量守恒關(guān)系，根據(jù)管道進(jìn)出口的流量測(cè)量值，結(jié)合管道中原油的流量分析，確定管道中是否發(fā)生泄漏。該方法簡(jiǎn)單、直觀，但對(duì)于任何一個(gè)擾動(dòng)或管線本身的動(dòng)力變化都是敏感的，容易造成誤檢。為了提高檢測(cè)精度和靈敏度，人們改進(jìn)了流量平衡法，改進(jìn)后的動(dòng)態(tài)流量平衡法在檢測(cè)精度和靈敏度上比一般的流量平衡法有所提高，但它需要建立管線的動(dòng)態(tài)模型，而且這種方法對(duì)少量泄漏的敏感性差，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏。

檢測(cè)和定位的準(zhǔn)確性，建立管道的實(shí)時(shí)模型。用模型在線估計(jì)管線的壓力和流量，并與壓力或流量的實(shí)測(cè)值相比較來(lái)進(jìn)行泄漏故障診斷，這就是模型法的基本思想。主要方法有：系統(tǒng)辨識(shí)和Kalman濾波器等。

2.基于信號(hào)處理的泄漏檢測(cè)和定位方法

信號(hào)處理的方法主要有負(fù)壓波法、壓力梯度法、聲波檢測(cè)方法和應(yīng)力波檢測(cè)方法。

（1）負(fù)壓波法

當(dāng)管道某處突然發(fā)生泄漏時(shí)，在泄漏處將產(chǎn)生瞬態(tài)壓力突降，形成一個(gè)負(fù)壓波。該波以一定的速度自泄漏點(diǎn)向兩端傳播，經(jīng)過(guò)若干時(shí)間后，分別傳播到上下游，上下游壓力傳感器捕捉到特定的瞬態(tài)壓力降的波形就可以進(jìn)行泄漏判斷，根據(jù)上下游壓力傳感器接收到此壓力信號(hào)的時(shí)間差和負(fù)壓波的傳播速度就可以定出泄漏點(diǎn)。一種解決方法是在管道的兩端各安放兩個(gè)傳感器，通過(guò)硬件電路延時(shí)的方法，將來(lái)自操作站方向的負(fù)壓波信號(hào)濾除，由于這種方法容易受到干擾信號(hào)的影響，近年來(lái)人們研究了基于數(shù)學(xué)分析的“軟”方法，其中主要有：相關(guān)分析法、時(shí)間序列分析法和小波變換法。

（2）壓力坡降檢漏法（恒定流動(dòng)檢測(cè)法、壓力梯度法）

壓力坡降檢漏法的原理是：正常輸送時(shí)站間管道的壓力坡降呈斜直線，當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，漏點(diǎn)前的流量變大，坡降變陡，漏點(diǎn)后，則流量變小，坡降變平，沿線的壓力坡降呈折線狀，折點(diǎn)即為泄漏點(diǎn)，據(jù)此可算出實(shí)際泄漏位置。壓力坡降檢漏法以上下游壓力梯度信號(hào)構(gòu)成時(shí)間序列模型，該時(shí)間序列模型的統(tǒng)計(jì)特性對(duì)泄漏量敏感，用Kullback信息測(cè)度準(zhǔn)則對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行分析，便可進(jìn)行泄漏檢測(cè)，但線性壓力梯度法，不適合“三高”原油。

（3）聲波檢測(cè)法

當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，在泄漏點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生噪音。通過(guò)設(shè)置好的傳感器可以接受到這種聲波，從而探測(cè)泄漏，并進(jìn)行定位。傳統(tǒng)的聲波檢測(cè)是利用離散型傳感器，即沿管道按一定間隔布置大量傳感器，這種方法成本很高。近年來(lái)隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，已開(kāi)發(fā)出連續(xù)型光纖傳感器進(jìn)行泄漏噪聲檢測(cè)。據(jù)有關(guān)報(bào)道，單根光纖的檢測(cè)距離就可以達(dá)到60km，這樣一根光纖就可以替代大量的傳統(tǒng)傳感器，降低了成本，而且連續(xù)型傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比也提高了檢測(cè)能力。

3.基于知識(shí)的方法

基于知識(shí)的泄漏檢測(cè)主要有人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)計(jì)學(xué)和模式識(shí)別的方法。人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)由于可以具有模擬任何連續(xù)非線性函數(shù)的能力和從樣本學(xué)習(xí)的能力，在故障診斷中受到廣泛的重視。它也被用于輸油管線泄漏的檢測(cè)。

四、結(jié)語(yǔ)

本文綜述了近年來(lái)研究的輸油管道泄漏檢測(cè)方法，評(píng)述了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，得出結(jié)論：在實(shí)際的輸油管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)中，通常采用幾種方法聯(lián)合進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位，特別近幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于信號(hào)處理，尤其是采用小波分析的負(fù)壓波法在泄漏定位方面有著較好的應(yīng)用前景。

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