管道泄漏檢測(cè)與定位技術(shù)研究概述

趙亞麗 劉欣 路澤永

摘要：管道運(yùn)輸是油氣的主要運(yùn)送方式之一，與空運(yùn)、海運(yùn)、鐵路和公路并駕齊驅(qū)，在經(jīng)濟(jì)迅速增長(zhǎng)和社會(huì)健康發(fā)展的過程中起著十分重要的作用。管道一旦泄漏會(huì)帶來重大安全隱患和污染問題，因此及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道泄漏并準(zhǔn)確定位具有重大的安全意義?，F(xiàn)分析對(duì)比了常用管道泄漏檢測(cè)和定位方法的原理及優(yōu)缺點(diǎn)，展望了管道泄漏和定位技術(shù)的研究方向。

關(guān)鍵詞：管道;光纖;泄漏;定位

中圖分類號(hào)：TE832? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）01-0086-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.024

0? ? 引言

隨著石油天然氣行業(yè)的發(fā)展，管道運(yùn)輸因其高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于油氣產(chǎn)品的運(yùn)輸。但是，輸送管道多埋于地底，經(jīng)常受到自然腐蝕、地質(zhì)災(zāi)害等影響而發(fā)生泄漏，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還存在安全和污染隱患等問題。因此，加強(qiáng)對(duì)運(yùn)輸管道的監(jiān)測(cè)，縮短管道泄漏的檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間，提高泄漏點(diǎn)定位精度[1-3]，對(duì)減小經(jīng)濟(jì)損失，保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。目前管道泄漏檢測(cè)定位方法有很多，常見的測(cè)量方法大致可分為基于硬件的檢測(cè)定位法和基于軟件的檢測(cè)定位法。

1? ? 基于硬件的管道泄漏檢測(cè)方法

以硬件為基礎(chǔ)的管道泄漏檢測(cè)方法一般指對(duì)泄漏原料直接進(jìn)行檢測(cè)的方法，主要有聲發(fā)射法、光纖檢測(cè)法、探地雷達(dá)法、紅外線法等。

1.1? ? 聲發(fā)射法

當(dāng)壓力管道的管壁發(fā)生泄漏時(shí)，發(fā)射聲波會(huì)由于能量的釋放從泄漏點(diǎn)往左右兩個(gè)方向傳播[4]，通過計(jì)算到達(dá)安裝在泄漏點(diǎn)前后兩側(cè)的兩個(gè)處理器的時(shí)間可以確定泄漏點(diǎn)的位置。天津大學(xué)在此基礎(chǔ)上加入了模式匹配濾波技術(shù)，通過采集信號(hào)與數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比來提高泄漏定位的準(zhǔn)確性。聲發(fā)射技術(shù)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，配合一定的算法可以精確定位泄漏位置，對(duì)突發(fā)型和連續(xù)型泄漏響應(yīng)較快，且處理器易于安裝，便于攜帶，性價(jià)比較高;但其對(duì)隨機(jī)噪聲敏感，容易受環(huán)境影響而出現(xiàn)誤報(bào)，不適用于小泄漏。

1.2? ? 光纖檢測(cè)法

1.2.1? ? 基于Sagnac干涉儀的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)

被耦合器分成兩束的光線，分別沿干涉儀光纖環(huán)的順、逆兩個(gè)方向循環(huán)一周后匯合。如管道出現(xiàn)泄漏，這兩束光會(huì)受到因壓力改變而產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)的作用，被調(diào)制從而產(chǎn)生干涉。計(jì)算使兩束干涉光輸出的基頻分量為最大值時(shí)的零點(diǎn)調(diào)制頻率，即可測(cè)得泄漏點(diǎn)的位置[5]。傳統(tǒng)環(huán)形對(duì)稱結(jié)構(gòu)中，兩束光波會(huì)相互抵消，影響干涉信號(hào)的質(zhì)量。為消除環(huán)形結(jié)構(gòu)的影響，重慶大學(xué)等機(jī)構(gòu)通過在傳感光纖尾端安裝法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和雙Sagnac干涉光路兩種形式，將測(cè)試系統(tǒng)變?yōu)橹本€型分布式光纖傳感結(jié)構(gòu)，提高了泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和定位準(zhǔn)確度。這種泄漏檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，模式識(shí)別能力強(qiáng)，但定位精度較低，也無法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)振動(dòng)的準(zhǔn)確定位。

1.2.2? ? 基于馬赫-曾德干涉儀的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)

沿傳輸管道并排敷設(shè)三條光纖組成分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)來測(cè)量泄漏噪聲。當(dāng)管道泄漏產(chǎn)生的信號(hào)作用在兩條測(cè)試光纖時(shí)，光纖內(nèi)部的兩束干涉光就會(huì)產(chǎn)生相位變化，從而實(shí)現(xiàn)管道泄漏的實(shí)時(shí)檢測(cè)。隨著技術(shù)的發(fā)展，后又逐漸出現(xiàn)雙馬赫-曾德干涉儀泄漏檢測(cè)系統(tǒng)以及結(jié)合了馬赫-曾德和薩格納克干涉儀兩種結(jié)構(gòu)的組合優(yōu)化系統(tǒng)，以減輕環(huán)境對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的影響?；隈R赫-曾德干涉儀的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，定位精度也較高，且能實(shí)現(xiàn)對(duì)小孔徑、小壓力泄漏的測(cè)量;但這種結(jié)構(gòu)易出錯(cuò)，只有在兩束干涉光正交時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)準(zhǔn)確定位。

1.2.3? ? 基于Φ-OTDR的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)

聲光調(diào)制器將超窄線寬激光器發(fā)出的強(qiáng)相干連續(xù)光調(diào)制成脈沖光，其在光纖內(nèi)傳播時(shí)，會(huì)不斷產(chǎn)生受外界振動(dòng)信號(hào)調(diào)制的相干后向瑞利散射光。由于光的時(shí)分復(fù)用特點(diǎn)和振動(dòng)調(diào)制，這些信號(hào)的相位信息攜帶了外部振動(dòng)和位置信息，再利用光干涉將脈沖光的相位變化轉(zhuǎn)換為相干光的強(qiáng)度變化，最后用光電探測(cè)器獲得光功率，完成分布式振動(dòng)傳感信號(hào)的檢測(cè)。該系統(tǒng)通過檢測(cè)泄漏產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)在頻域上的能量分布情況，分析其特征頻段的分量，用特征頻率分量沿光纖的分布情況作為判斷依據(jù)，可實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)位置的精準(zhǔn)定位[6]，原理簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位，但成本較高。

1.3? ? 探地雷達(dá)法

采用探地雷達(dá)法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，發(fā)射天線將脈沖源產(chǎn)生的納秒級(jí)周期電磁信號(hào)耦合到埋管介質(zhì)中，電磁信號(hào)在傳播過程中遇到介質(zhì)變化產(chǎn)生的波阻抗界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比正常情況下更強(qiáng)的反射信號(hào)，該信號(hào)由接收天線接收并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，記錄發(fā)射波和反射波的時(shí)間差，即可確定反射面離地表的位置[7]。探地雷達(dá)法可以及時(shí)檢測(cè)地下管道的泄漏情況，可靠而全面，可用于地形比較復(fù)雜的環(huán)境;但在黏土環(huán)境中容易失真，成本較高，對(duì)操作員的技術(shù)熟練度要求也較高。

1.4? ? 紅外線法

基于紅外熱成像的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的原理是利用紅外成像技術(shù)檢測(cè)管道中溫度的變化來檢測(cè)其是否發(fā)生泄漏。物體輻射出的紅外線強(qiáng)度會(huì)隨溫度的變化而改變，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，會(huì)改變泄漏點(diǎn)的熱輻射，并且有別于周圍環(huán)境，通過紅外熱成像儀就可以探測(cè)到泄漏點(diǎn)的熱場(chǎng)分布云圖發(fā)生的變化，從而迅速檢測(cè)出泄漏并定位泄漏點(diǎn)[8]。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是將檢測(cè)到的參數(shù)轉(zhuǎn)換為可視圖像，操作方便，響應(yīng)速度快;缺點(diǎn)是對(duì)管道埋入深度有要求，對(duì)小于1.0 mm的泄漏孔難以進(jìn)行量化。

2? ? 基于軟件的管道泄漏檢測(cè)方法

基于軟件的管道泄漏檢測(cè)方法是將采集到的管道內(nèi)壓力、流量、速度等參數(shù)用現(xiàn)代控制理論、信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)管道泄漏的檢測(cè)和定位。主要包括以下幾種：

2.1? ? 質(zhì)量體積平衡法

質(zhì)量體積平衡法的測(cè)漏原理是在管道的上下游分別安裝流量計(jì)，在理想狀態(tài)下，管道內(nèi)流體的輸入、輸出總量應(yīng)該是相等的或保持一個(gè)固定的差值，一旦發(fā)生泄漏，則上下游之間的流量差會(huì)明顯增大，當(dāng)該差值達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)，就可以判斷出發(fā)生了泄漏，再根據(jù)泄漏點(diǎn)定位公式，即可判斷出泄漏點(diǎn)的位置。這種方法不需要復(fù)雜的模型，設(shè)備簡(jiǎn)單，安裝方便，成本較低;但是測(cè)量精度受儀表限制，且檢測(cè)周期較長(zhǎng)，定位精度有待提高。

2.2? ? 負(fù)壓波測(cè)漏法

負(fù)壓波測(cè)漏原理是當(dāng)管道某處發(fā)生泄漏時(shí)，該點(diǎn)局部流體流失，壓強(qiáng)突然減小，形成一個(gè)以泄漏點(diǎn)為中心的壓力波，即負(fù)壓波。負(fù)壓波以特定速度向管道首尾兩端傳輸，并最終由壓力傳感器采集，計(jì)算壓力傳感器采集到的負(fù)壓波速度及其傳播時(shí)間差就可以定位管道泄漏點(diǎn)的位置。負(fù)壓波測(cè)漏法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，也有較高的定位精度和較快的響應(yīng)速度;但易受環(huán)境影響，不適用于管道滲漏情況。

2.3? ? 壓力梯度法

采用壓力梯度法需要通過壓力傳感器時(shí)刻監(jiān)測(cè)管道內(nèi)的壓力，理想環(huán)境下，管道內(nèi)的壓力沿管道軸向線性變化，若有泄漏發(fā)生，泄漏點(diǎn)的壓力梯度會(huì)隨著上下游流量的改變而相應(yīng)增大或減小，從而出現(xiàn)壓力變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)，對(duì)比泄漏前后管道壓力梯度的變化即可完成檢漏工作并定位泄漏點(diǎn)。但在實(shí)際工作中，管道內(nèi)壓力并非理想線性分布，因此采用壓力梯度測(cè)漏法有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，為了減小這種誤差，李俊花等將壓力梯度法與逆瞬態(tài)法相結(jié)合，采用遺傳算法對(duì)管道泄漏點(diǎn)前后的摩阻系數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算，對(duì)管道泄漏點(diǎn)進(jìn)行迭代更新計(jì)算，提高了定位精度[9]。

2.4? ? 小波分析法

用小波分析法進(jìn)行管道泄漏點(diǎn)定位的原理是通過將含有瞬態(tài)負(fù)壓波的下降沿突變點(diǎn)的非平穩(wěn)信號(hào)與一個(gè)在頻域和時(shí)域都具有局部化特征的小波基函數(shù)進(jìn)行卷積，然后選擇合適的尺度因子和平移因子，凸顯出信號(hào)在某一個(gè)時(shí)刻的局部信息，從而檢測(cè)出信號(hào)的異常點(diǎn)[10]。采用小波分析進(jìn)行管道泄漏檢測(cè)和泄漏點(diǎn)定位時(shí)不需要流量信息和建立精確的管線數(shù)學(xué)模型，靈敏度和準(zhǔn)確度較高，對(duì)迅速、突然出現(xiàn)的泄漏比較敏感，但它同樣對(duì)滲漏檢測(cè)效果有限，且抗干擾能力較差，容易誤報(bào)。

2.5? ? 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道泄漏檢測(cè)方法

油氣輸送管道非線性特征明顯，難以用精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)輸入、輸出的非線性映射，具有模擬連續(xù)非線性函數(shù)的能力和自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力，非常適合建立非線性和不確定性系統(tǒng)模型。基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道泄漏檢測(cè)方法可以較為及時(shí)地檢測(cè)出管道泄漏事故的發(fā)生，并且抗干擾能力較強(qiáng)。但在工業(yè)環(huán)境中，情況復(fù)雜，難以得到覆蓋全面的數(shù)據(jù)，無法滿足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模所需要的訓(xùn)練程度，所以基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道泄漏檢測(cè)方法在實(shí)際中的應(yīng)用還有很長(zhǎng)一段路要走。

2.6? ? 動(dòng)態(tài)模型法

動(dòng)態(tài)模型法是將管道內(nèi)流體的質(zhì)量、動(dòng)量平衡等動(dòng)力學(xué)方程構(gòu)建成仿真模型，并與實(shí)際管道同步運(yùn)行，同時(shí)利用儀表測(cè)量出管道的瞬時(shí)流量、壓力、溫度等參數(shù)值，將所測(cè)數(shù)值作為動(dòng)態(tài)模型的邊界條件，再用特征線法對(duì)管道模型沿時(shí)間層逐層求解，得到管道沿線的壓力分布曲線，將理想狀態(tài)下的管道壓力分布曲線和管道實(shí)際運(yùn)行曲線進(jìn)行對(duì)比，若發(fā)生泄漏，則兩條曲線會(huì)產(chǎn)生明顯偏差，再通過求解定位公式即可對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。這種方法誤報(bào)率相對(duì)較高，且模型描述的精確程度易受到管道內(nèi)外復(fù)雜環(huán)境的影響。

3? ? 管道泄漏檢測(cè)方案選擇參考

由上述分析可知，上述管道泄漏檢測(cè)定位方法有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適用的環(huán)境以及檢測(cè)對(duì)象也各不相同。光纖和紅外熱成像檢測(cè)法適用范圍較廣，可用于地表、地下或水下的管道檢測(cè)，但紅外熱成像多用于油氣檢測(cè)。探地雷達(dá)法檢測(cè)對(duì)象多為水和氣體，一般只用于地下管道檢測(cè)。基于軟件的管道泄漏檢測(cè)方法多與硬件檢測(cè)法結(jié)合使用，用于連續(xù)監(jiān)測(cè)管道內(nèi)油氣產(chǎn)品的壓力、流速等狀態(tài)，其中質(zhì)量平衡法適用于流量計(jì)方便安裝的管道，壓力梯度法不適合三高原油的檢測(cè)，負(fù)壓波法則較適用于短距離管道檢測(cè)。但無論選擇哪種方案，都需要滿足美國(guó)石油學(xué)會(huì)制定的靈敏度、準(zhǔn)確度、可靠性和適應(yīng)性等標(biāo)準(zhǔn)。

4? ? 結(jié)論與展望

本文分析了常用的管道泄漏檢測(cè)方法，認(rèn)為較理想的測(cè)漏方法一般應(yīng)達(dá)到以下幾點(diǎn)要求：（1）能夠?qū)艿佬孤┳龅筋A(yù)警;（2）智能化，成本低，精度高;（3）響應(yīng)速度快，定位準(zhǔn)確;（4）能夠?qū)崿F(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。

管道泄漏的智能檢測(cè)和定位是管道運(yùn)輸未來發(fā)展的重點(diǎn)內(nèi)容，現(xiàn)有技術(shù)大多易受環(huán)境干擾而出現(xiàn)誤報(bào)，且定位精度不高。隨著各學(xué)科的融合和科學(xué)技術(shù)的日新月異，以軟件為主、軟硬件融合的智能化綜合管道泄漏檢測(cè)和定位技術(shù)必將日趨完善。另外，融合了光纖傳感技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的管道泄漏檢測(cè)方法不易受電磁環(huán)境影響，具有檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍廣、靈敏度高和可實(shí)時(shí)在線檢測(cè)的特點(diǎn)，因此，開發(fā)基于分布式光纖傳感技術(shù)的管道檢測(cè)和定位系統(tǒng)并將其付諸應(yīng)用，將會(huì)成為今后一段時(shí)間內(nèi)管道測(cè)漏技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 高剛剛.輸油管道泄漏檢測(cè)定位研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2015.

[2] 賀揚(yáng)，婁申浩，王棟.石油天然氣長(zhǎng)輸管道的泄漏原因及檢測(cè)方法分析[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2019，39（20）：34-35.

[3] 趙亞麗.光纖光柵傳感系統(tǒng)解調(diào)方法概述[J].承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2018，20（1）：48-53.

[4] 劉濤，王寶光，高華，等.基于聲發(fā)射技術(shù)的管路泄漏檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].新技術(shù)新工藝，2007（8）：34-36.

[5] 楊洋，封皓，王宗和，等.光纖傳感技術(shù)在管道檢測(cè)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2016，31（6）：1-9.

[6] 沙洲，楊洋，封皓，等.基于Φ-OTDR技術(shù)的城市地下供水管網(wǎng)主干線泄漏檢測(cè)與定位[J].中國(guó)儀器儀表，2016（11）：72-76.

[7] 黃樂藝.城市地下供水管線滲漏探地雷達(dá)正演模擬與解釋方法應(yīng)用研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2016.

[8] 夏傳強(qiáng).基于VMD和互譜分析的供水管道泄漏檢測(cè)定位研究與應(yīng)用[D].重慶：重慶郵電大學(xué)，2020.

[9] 李俊花，劉文白，崔莉，等.一種新的長(zhǎng)輸管道泄漏點(diǎn)定位方法[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，2010，42（1）：127-131.

[10] 楊浩瓏，李龍.基于小波變換理論的石油管道油氣泄漏信號(hào)檢測(cè)[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2017，37（6）：19-20.

收稿日期：2021-10-14

作者簡(jiǎn)介：趙亞麗（1982—），女，河北保定人，碩士，副教授，研究方向：光纖傳感技術(shù)與電氣控制技術(shù)。