海底油氣管道泄漏檢測與定位技術(shù)研究進(jìn)展

吳希明，李江豐，嚴(yán) 謹(jǐn)，張大朋，王 成

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司湛江采油服務(wù)文昌分公司，廣東湛江 524057

2.廣東海洋大學(xué)，廣東湛江 524088

海底管道可以將海底油氣資源與整個(gè)陸上油氣生產(chǎn)管理系統(tǒng)以最快速、最安全和最經(jīng)濟(jì)的路線聯(lián)系起來，被稱為海洋油氣工程的“生命線”。然而，一旦海底管道出現(xiàn)嚴(yán)重的泄漏或損壞，輕則會(huì)造成資源的大量浪費(fèi)，重則會(huì)引起爆炸，從而產(chǎn)生重大傷亡事故和巨大經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)嚴(yán)重破壞周圍的生態(tài)環(huán)境。此外，海上油氣田也會(huì)因此導(dǎo)致停產(chǎn)，從而直接造成更大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。

盡管陸上管道泄漏檢測技術(shù)已較為成熟，海底管道的泄漏檢測還處于初級(jí)階段[3-4]。由于海底管道一般淺埋入海底[5]，位置比較隱蔽，導(dǎo)致其在服役過程中產(chǎn)生的銹蝕和局部損壞也不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)、檢查以及修復(fù)[6-7]。因此，對(duì)海底管道泄漏檢測以及定位關(guān)鍵技術(shù)的深入研究有著極其重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 海底管道泄漏檢測方法

海底管道泄漏檢測與定位技術(shù)可歸納為基于硬件的方法、基于軟件的方法以及多方法融合的檢測方法?；谟布O(shè)備的方法采用根據(jù)物理原理而設(shè)定的硬件設(shè)施，將其裝載或敷設(shè)到管路上，并由此來直接或者間接檢測管路的泄漏情況和位置，其主要方法有：水下機(jī)器人檢測法、遙感監(jiān)測法、漏磁檢測法等?；谲浖姆椒ㄊ侵笇?duì)所監(jiān)測采集到的流量、壓力、溫度等主要技術(shù)參數(shù)，采用參數(shù)變換、質(zhì)量守恒或容積平衡和壓力分析等分析方法，檢測并分析油氣泄漏狀況，其主要方法有：負(fù)壓波法、次聲波法、壓力梯度法等。而多方法融合的檢測方法則是綜合各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，取長補(bǔ)短、軟硬件結(jié)合的綜合檢測定位方法。

1.1 基于硬件的方法

1.1.1 水下機(jī)器人檢測法

水下機(jī)器人能持續(xù)在深水環(huán)境下作業(yè)，范圍覆蓋面廣，突破了潛水員對(duì)工作水深、持續(xù)時(shí)間和工作環(huán)境條件下的局限，因而在深海管道的檢測中承擔(dān)著重任。目前水下機(jī)器人根據(jù)有無電纜連接，可分為遙控式水下機(jī)器人(Remote Operated Vehicles,簡稱ROV)、自治式水下機(jī)器人(Autonomous Underwater Vehicle，簡稱AUV)和混合型潛水器（Hybrid Remotely Operated Vehicle,簡稱HROV）。ROV通過臍帶式電纜與水上母船相接，以獲得支持能源和收發(fā)各種控制指令與數(shù)據(jù)。AUV無需與水面設(shè)備進(jìn)行連接，通過光學(xué)系統(tǒng)、聲學(xué)系統(tǒng)、放射性、磁探測器等實(shí)現(xiàn)對(duì)海底管道的自動(dòng)跟蹤，能夠根據(jù)工作指令自主進(jìn)行大范圍的水下檢測并記錄聲音和圖像等數(shù)據(jù)。HROV則同時(shí)具備ROV和AUV兩種水下機(jī)器人的工作模式，能夠先以AUV模式利用搭載的攝像機(jī)和聲吶進(jìn)行大范圍的自主搜索檢測，在鎖定目標(biāo)后又能短時(shí)內(nèi)切換成ROV模式，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行近距離的數(shù)據(jù)采集[8]。

目前，水下機(jī)器人檢測技術(shù)根據(jù)搭載檢測設(shè)備的不同可以進(jìn)行水下觀察與檢測、電位檢測、射線探傷、超聲檢測、磁粉檢測等。水下機(jī)器人檢測技術(shù)由于其經(jīng)濟(jì)、安全、作業(yè)水深大、可以在較為惡劣的海況下進(jìn)行作業(yè)等優(yōu)勢，已部分取代了傳統(tǒng)潛水員的水下檢測工作，并逐漸在各種水下檢測中有所運(yùn)用。該種方式通常只能檢出較大量的泄漏，檢測精度低，而且檢測所需周期較長，無法進(jìn)行全管道或在線的現(xiàn)場監(jiān)測。

1.1.2 遙感探測法

遙感探測法是指利用宇航飛行器上搭載的遙感識(shí)別裝置進(jìn)行檢測，目前使用比較普遍的方法主要有紅外遙感法和微波遙感法。紅外遙感法是指利用熱紅外波段檢測海面，準(zhǔn)確找到海面上的油氣擴(kuò)散區(qū)域。利用熱紅外數(shù)據(jù)不但能夠判斷出油氣泄漏的面積，還可以清晰分辨出溢出油層覆蓋范圍的大小、油層擴(kuò)散的范圍以及油層的漂移擴(kuò)散速度。溢油厚度和溢出值可以通過熱紅外圖像中油層不同厚度的像素灰度值推算出來。微波遙感法則是利用電磁波和微波頻段特性獲取海面信息，可以透過云層對(duì)海面進(jìn)行海溫觀測，不存在紅外遙感法中探測會(huì)受到云層影響的缺點(diǎn)，但其空間分辨率要比紅外遙感法低。遙感探測法雖然無法分辨海水中浮游物與管道泄漏溢油，不過由于它能夠全天24 h工作，且價(jià)格相對(duì)低廉，因此已成為當(dāng)今世界上應(yīng)用最廣的海洋溢油檢測技術(shù)[9]。

1.1.3 漏磁檢測法

漏磁檢測法需要先對(duì)管壁進(jìn)行磁化，然后檢查是否出現(xiàn)漏磁。當(dāng)管壁出現(xiàn)缺陷導(dǎo)致管道發(fā)生泄漏時(shí)，通過分析管壁缺陷產(chǎn)生的環(huán)電流信號(hào)，可以判斷泄漏的位置。該方法的準(zhǔn)確度會(huì)受到焊縫和管道表面的不平整影響，且無法檢測緩慢泄漏。

1.1.4 管道機(jī)器人檢測法

管道機(jī)器人是一種可在遠(yuǎn)距離控制下在管道內(nèi)爬行，利用配備的各種傳感器件對(duì)管道進(jìn)行檢測或維修，集各類傳感器、智能移動(dòng)載體、作業(yè)設(shè)備以及無損監(jiān)測等技術(shù)手段于一體的機(jī)電一體化裝置。它能夠?qū)崟r(shí)采集管道內(nèi)部圖像、管壁紋理和幾何形狀等各種信息，由于信號(hào)比較穩(wěn)定，且采集周期短，因此可以對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行精確的檢測與定位[10]。

海底長輸油氣管道內(nèi)可能會(huì)存在階梯、管溝和碎塊等雜質(zhì)，以及變徑管道、彎管、T型管道等特定管道結(jié)構(gòu)，管道機(jī)器人容易產(chǎn)生卡堵和通過困難等問題。針對(duì)現(xiàn)有管道機(jī)器人通過性差和運(yùn)動(dòng)方式單一等問題，王永雄[11]將管道內(nèi)的圖像予以分解，從而獲得幾何特征，提升了管道缺陷辨識(shí)率，同時(shí)導(dǎo)入了模糊控制等人工智能控制算法，實(shí)現(xiàn)了管道內(nèi)智能機(jī)器人的主動(dòng)導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)了管道內(nèi)后退、拐彎、越障和管壁缺陷的定位。李智強(qiáng)[12]設(shè)計(jì)了一種可以順利通過R≥1.5D的彎管環(huán)境的新型變運(yùn)動(dòng)方式管道機(jī)器人，其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)傾角可調(diào)，對(duì)管道有良好的通過性。劉勇[13]設(shè)計(jì)了一種可變徑支撐輪式管道機(jī)器人，該機(jī)器人能夠適應(yīng)管徑的變化，具有良好操控性。

大部分管道機(jī)器人都可以在直管段完成測試，但對(duì)工程應(yīng)用中的變徑管路、分支管路、U型管路等的檢測技術(shù)仍處在研究階段，且存在長距離工作能源供給困難和管道內(nèi)通信屏蔽的問題，距離實(shí)際使用尚有一定距離。

1.1.5 管內(nèi)通球法

智能球是一種基于無損檢測技術(shù)的無線纜自由浮游式監(jiān)測工具，將其投入管道內(nèi)并通過漏磁、超聲檢測技術(shù)、渦流、錄像技術(shù)等手段收集管內(nèi)信號(hào)，進(jìn)而對(duì)所收集的信號(hào)加以分析處理，來監(jiān)測油氣泄漏和判斷泄漏狀況等。加拿大Pure公司[14-15]和天津大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了適用于管道微小泄漏檢測與定位的智能球，該檢測球具有制備成本低、體積小、靈敏度高和在管道中不易卡堵等優(yōu)點(diǎn)[16]。郭世旭[17]等針對(duì)海底油氣管道微量泄漏的檢測難題，設(shè)計(jì)了一種雙層耐壓的智能檢測球，其能通過豎直管道段，檢測靈敏度高達(dá)0.7 L/min。針對(duì)球形內(nèi)檢測器跟蹤定位困難的問題，周乾[18]等提出了一種由檢測球自主發(fā)送聲信號(hào)，在管道外部遠(yuǎn)距離采集導(dǎo)波脈沖，然后計(jì)算出檢測球與檢測點(diǎn)距離的方法。

管內(nèi)通球法可以應(yīng)用于氣體、液體和多相流體管道，并要求管路內(nèi)不能有過多接頭和接線。對(duì)泄漏點(diǎn)的定位比較準(zhǔn)確，但由于測量成本大，且實(shí)時(shí)性較差，不宜運(yùn)用于較小口徑管道，且易出現(xiàn)卡球事件。

1.2 基于軟件的方法

1.2.1 負(fù)壓波法

油氣管道發(fā)生泄漏后，泄漏部位的壓力會(huì)驟然降低，該壓力變化沿管道以一定的速率傳遞至管道首末兩端，產(chǎn)生負(fù)壓信號(hào)。管道泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波通過管道內(nèi)介質(zhì)傳播的速度可達(dá)聲速級(jí)別。利用管路首末端的傳感器收集到該負(fù)壓波，而后通過負(fù)壓波的傳輸速率和到達(dá)管路兩端的時(shí)間差，就可以定位泄漏點(diǎn)。該方法是目前市面上應(yīng)用最為成熟的管道泄漏檢測技術(shù)[19-21]。天津大學(xué)在負(fù)壓波管道泄漏的檢測領(lǐng)域進(jìn)行了產(chǎn)品化，其檢測定位原理如圖1所示[20]。

圖1 負(fù)壓波法檢測定位原理

定位公式：

式中：X為泄漏點(diǎn)到入口端傳感器的距離，m；L為兩傳感器間的距離，m；t1、t2分別為兩端傳感器接收到負(fù)壓波的時(shí)間，s；a為負(fù)壓波的速度，m/s。

負(fù)壓波法具有靈敏度和定位精度較高、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)。由于無法感知細(xì)微負(fù)壓波的產(chǎn)生，負(fù)壓波法只能檢測到突發(fā)性泄漏和大泄漏量的泄漏，對(duì)已發(fā)生的泄漏、滲漏等不敏感。負(fù)壓波法對(duì)管道首末端的壓力差有一定的要求，所以對(duì)于首末端壓力基本相等的輸氣管道，負(fù)壓波法基本發(fā)揮不了作用。針對(duì)管道泵的啟停、流量調(diào)節(jié)等操作可能引起泄漏誤報(bào)的問題，張宇[22]等研制了一種壓力變送器，通過測量管道內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力的變化，利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法提取了泄漏信號(hào)特征，該法能夠有效避免啟停管道泵等工況的影響；文靜[23]提出了一種自適應(yīng)無偏時(shí)延估計(jì)方法，能夠有效消除無關(guān)噪聲干擾，提高估計(jì)性能。針對(duì)工況擾動(dòng)引起的誤報(bào)問題，王正等[24]在管道泵前后兩側(cè)設(shè)置兩組壓力傳感器，通過傳感器接收到負(fù)壓波信號(hào)的先后來判別其傳播方向，不但減少由工況擾動(dòng)造成的誤報(bào)，還避免了采用雙壓力傳感器造成的漏報(bào)，但存在成本增加和傳感器距離確定的問題。針對(duì)小泄漏檢測困難的問題，王洪超等人[25]通過監(jiān)測管道壓力的持續(xù)下降來判斷泄漏，提高了對(duì)小泄漏的靈敏度；王洪超等人[26]根據(jù)上下游負(fù)壓波信號(hào)來自同一個(gè)泄漏點(diǎn)的特點(diǎn)，通過歐氏距離計(jì)算出兩個(gè)傳感器接收到的負(fù)壓波的相似度，得到其時(shí)間差，然后計(jì)算出泄漏點(diǎn)位置，能準(zhǔn)確檢測和定位微小泄漏和緩慢泄漏。

由于傳感器不能夠以無延時(shí)的方式檢測壓力變化情況，并且管道兩端也因?yàn)榫嚯x的因素，在未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一正時(shí)的狀況下，可能對(duì)時(shí)間也產(chǎn)生了偏差；而在1 000 m/s的速率下，每0.5 s的延時(shí)也可以產(chǎn)生500 m左右的距離偏差，從而對(duì)時(shí)間的準(zhǔn)確度有較高的要求，這也是以負(fù)壓波作為指標(biāo)檢測方式的局限性。

1.2.2 壓力梯度法

壓力梯度法的提出[27-29]是基于泄漏發(fā)生時(shí)沿管道的壓力分布會(huì)隨著管道長度的變化而發(fā)生顯著變化這一事實(shí)。無泄漏管道上的壓降曲線是一個(gè)線性實(shí)線，一旦出現(xiàn)泄漏，壓降曲線將與泄漏點(diǎn)產(chǎn)生扭結(jié)。在泄漏位置可以通過計(jì)算泄漏上、下游壓力分布的交點(diǎn)來確定，其定位原理如圖2所示[28]。

圖2 壓力梯度法定位原理

在滿足沿管道壓力PX=PD-GX時(shí)，其泄漏點(diǎn)定位公式如下：

式中：X為泄漏點(diǎn)和管道入口的間距，m；L為管道長度，m；G為壓力梯度，Pa/m；PX為與入口相距X處管道的壓力，Pa；PD為管道進(jìn)口壓力，Pa；PS為管道出口壓力，Pa；GU為上游壓力梯度，Pa/m；GD為下游壓力梯度，Pa/m。

此方案要求在管路上必須設(shè)有多個(gè)壓力檢測地點(diǎn)，在現(xiàn)場難以實(shí)現(xiàn)；另外，由于地質(zhì)等復(fù)雜狀況導(dǎo)致沿程壓力的下降產(chǎn)生了非線性特性，嚴(yán)重影響使用效益，且其定位精度會(huì)受儀器精度影響，因此常作為輔助檢測方法使用。針對(duì)壓力梯度法定位誤差大的問題，唐秀家[28]建立了沿管道變化的熱力和水力綜合模型，得出更接近實(shí)際的壓力分布規(guī)律，實(shí)現(xiàn)泄漏位置定位，該方法針對(duì)原油或者黏度、密度、熱容等特性會(huì)隨沿管道溫降而發(fā)生變化的流體管道有優(yōu)越性，但是由于需要建立較為繁雜的模型，增加了運(yùn)算量。

1.2.3 次聲波法

管道泄漏造成的內(nèi)外壓差會(huì)導(dǎo)致湍流產(chǎn)生，流體-流體、流體-管道內(nèi)壁的摩擦碰撞產(chǎn)生聲波信號(hào)，聲波沿管壁振動(dòng)和管內(nèi)介質(zhì)同時(shí)傳播。泄漏聲波屬于連續(xù)聲發(fā)射信號(hào)，其頻率范圍很寬，包含了次聲波、可聽聲波和超聲波。由于可聽聲波和超聲波的波長較長，在傳播過程中衰減得很快，不適于長距離管道的泄漏檢測。次聲波的波長比較長，在傳播過程中不容易衰減，其最大傳播距離可達(dá)50 km以上，滿足海底管道長距離監(jiān)測的需要。次聲波法的檢測定位原理與負(fù)壓波法類似，通過次聲波的波速和到達(dá)管路兩端的時(shí)間差，就可以計(jì)算出泄漏點(diǎn)，其定位原理如圖3所示。

圖3 次聲波法檢測定位原理

定位公式：

式中：s為泄漏點(diǎn)到管道上游傳感器的距離，m；L為兩傳感器的間距，m；t1、t2分別為進(jìn)、出口傳感器接收到次聲波的時(shí)間，s；v為次聲波速度，m/s。

由于泄漏產(chǎn)生的次聲波信號(hào)比較微弱，容易被同樣由泄漏產(chǎn)生的高頻噪聲和低頻諧波干擾所淹沒，其定位的關(guān)鍵是泄漏次聲波信號(hào)的提取和時(shí)間差的確定。陳久會(huì)[30]提出了一種利用壓力變送器檢測泄漏次聲波的方法，該方法無需另外安裝聲波傳感器，直接從管道的壓力、流量信號(hào)中分離提取出次聲波信號(hào)，提高了檢測靈敏度。武偉強(qiáng)[31]針對(duì)采集到泄漏信號(hào)受噪聲干擾嚴(yán)重的問題，提出采用補(bǔ)償傳感器的方法，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)補(bǔ)償。胡楊曼曼[32]把傳感器接收次聲波信號(hào)比作“聽”這一動(dòng)作，從機(jī)理上分析了泄漏次聲波的產(chǎn)生與傳播。吳鵬[33]對(duì)次聲波法進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明次聲波信號(hào)的強(qiáng)度隨泄漏孔徑的增大而增大，對(duì)于多相混輸管道，次聲波法可檢測到的泄漏孔徑最小為3 mm。次聲波的產(chǎn)生與傳播不受介質(zhì)影響，在不同流體、甚至在不同相的密度和黏度等參數(shù)下，發(fā)生泄漏時(shí)次聲波均能產(chǎn)生，因此適用各種管道的泄漏檢測。次聲波法由于以上優(yōu)點(diǎn)，有著良好的應(yīng)用前景。

1.2.4 流量平衡法

流量平衡法[34-35]根據(jù)質(zhì)量守恒定律，無泄漏時(shí)，流進(jìn)與流出管道的流量應(yīng)當(dāng)相等，倘若存在泄漏，管道出入口的流量就會(huì)存在差值。實(shí)際上由于溫度等因素，出入口流量并不相等，而是維持在一個(gè)穩(wěn)定的差值。當(dāng)管道出現(xiàn)泄漏時(shí)，管道兩端的流量差增大。由于受到管道自身的彈性以及流體特性改變等諸多原因影響，管道進(jìn)出口的流量變化會(huì)具有不同時(shí)性，所以這個(gè)方法精確度并不高，且只能檢測而無法定位，但其能夠檢測已有泄漏，可靠性高，常與負(fù)壓波法結(jié)合使用以減少誤報(bào)率。

1.2.5 統(tǒng)計(jì)檢漏法

管道正常運(yùn)行時(shí)壓力和流量存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)管道發(fā)生泄漏，壓力和流量的關(guān)系就會(huì)發(fā)生改變，通過對(duì)發(fā)生泄漏時(shí)管道內(nèi)壓力和流量進(jìn)行連續(xù)統(tǒng)計(jì)記錄分析，然后通過序貫概率比檢驗(yàn)法，計(jì)算泄漏出現(xiàn)的概率，最后用最小二乘法定位。這種方法相對(duì)建立模型的方法降低了檢測工程量，減小了數(shù)學(xué)計(jì)算的難度，成本低，提高了檢測的準(zhǔn)確性，最突出的是此系統(tǒng)具有自我學(xué)習(xí)能力，可適配大多數(shù)環(huán)境[36]。然而，此方法受儀器精度影響，定位準(zhǔn)確性上有待優(yōu)化。

1.2.6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于具有認(rèn)知能力、自適應(yīng)力以及非線性特征等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用[37]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)管路運(yùn)行工況分析精確，誤報(bào)率低，對(duì)單一流體和多相流動(dòng)管路都適合，但其會(huì)受到訓(xùn)練樣本的限制，檢測過程復(fù)雜。

1.3 基于多方法融合的泄漏檢測技術(shù)

目前尚沒有任何一種方法能夠精確地檢測與定位所有管道的泄漏。在實(shí)際使用過程中，必須針對(duì)管道的實(shí)際狀況，將多種檢測技術(shù)和定位方式相結(jié)合，以提高檢測與定位的精確度，用最少的成本獲得最佳的效益，基于多種方法融合的泄漏檢測技術(shù)也由此得到發(fā)展。

為了得到較好的檢測效果，目前泄漏檢測方法多采用占主流的負(fù)壓波法和次聲波法結(jié)合其他檢測方法，以應(yīng)對(duì)負(fù)壓波法和次聲波法的誤報(bào)、對(duì)小泄漏與滲漏不敏感以及泄漏特征信號(hào)提取困難的問題。李利鋒[38]設(shè)計(jì)了一個(gè)負(fù)壓波與流量平衡相結(jié)合的泄漏檢測系統(tǒng)，只有當(dāng)流量差增大和壓力拐點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)時(shí)才進(jìn)行泄漏判斷，顯著減少了單獨(dú)使用負(fù)壓波法容易誤報(bào)的問題，但仍然對(duì)小泄漏不敏感。針對(duì)單種泄漏信號(hào)存在識(shí)別的準(zhǔn)確性和時(shí)效性較差的問題，李鳳等人[39]將負(fù)壓波法和聲波法結(jié)合使用，避免了僅使用負(fù)壓波法會(huì)因?yàn)殄e(cuò)過瞬時(shí)壓力降而無法檢測的問題，同時(shí)通過兩種方法的檢測結(jié)果相互校正，提高了檢測與定位精度，但仍存在工況擾動(dòng)下信號(hào)提取困難的問題。石光輝等人[40]研究了負(fù)壓波在分支管網(wǎng)的傳播特性，結(jié)合小波分析法得到各傳感器接收到負(fù)壓波信號(hào)的時(shí)間。Bai Y等人[41]對(duì)管道泄漏檢測和定位分別采用不同的方法，檢測用序貫概率比法，減少了誤報(bào)，定位根據(jù)穩(wěn)態(tài)泄漏和動(dòng)態(tài)泄漏分別采用了負(fù)壓波法和壓力梯度法，有效利用這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，減少誤報(bào)，定位更準(zhǔn)確。模式識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)能很好地排除工況影響，識(shí)別泄漏，通過與常用的壓力、聲波方法結(jié)合使用，能減少誤報(bào)，提高定位精度。

負(fù)壓波法等基于軟件的方法能對(duì)海底管道運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，而對(duì)泄漏點(diǎn)的定位存在一定的誤差；水下機(jī)器人等基于硬件的方法不能對(duì)管道進(jìn)行實(shí)時(shí)的連續(xù)監(jiān)測，但能靠近泄漏點(diǎn)以準(zhǔn)確定位。實(shí)際應(yīng)用中往往可以先利用軟件的方法大致定位泄漏點(diǎn)，然后使用水下機(jī)器人等基于硬件的方法實(shí)現(xiàn)精確定位。這種軟硬件結(jié)合的方法能顯著提高管道泄漏檢測與定位的準(zhǔn)確性與快速性。

2 常用檢測方法性能比較

海底管道泄漏檢測系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性、穩(wěn)健性、準(zhǔn)確性和靈敏性等主要性能指標(biāo)[42]，另外決定檢測技術(shù)是否適用于海底管道的重要依據(jù)還包括以下性能指標(biāo)[43]：

(1)定位精度。對(duì)海底管道的泄漏檢測是為了準(zhǔn)確定位泄漏點(diǎn)，以及時(shí)進(jìn)行維護(hù)搶修。若定位誤差過大，則會(huì)增加沿線尋找泄漏點(diǎn)的時(shí)間，且由于海底環(huán)境的特殊性，使泄漏損失進(jìn)一步擴(kuò)大。

(2)海洋環(huán)境適用性。由于海底管道所處環(huán)境的復(fù)雜性，一些在陸上有良好應(yīng)用效果的檢測方法不再適用。例如需要建立精確數(shù)學(xué)模型的方法和易受噪聲影響的音波法將難以繼續(xù)使用；光纖類方法因?yàn)榘惭b施工的難度大大增加，且安裝、維護(hù)的成本過大，也不再適用于海底管道。

(3)安裝維護(hù)難度。海底管道的平直管段一般淺埋于海底，泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的儀器設(shè)備一般安裝在海上平臺(tái)和陸上的首末站，且海上平臺(tái)空間有限，要求其安裝和維護(hù)應(yīng)盡量簡單方便，占用空間少。

(4)作用范圍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國長度不超過50 km的海底管道占海底管道總數(shù)的91%以上。由于海上油氣管道的中轉(zhuǎn)困難，一般只在管道的首末端安裝監(jiān)測設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)全管段的監(jiān)測。這就要求監(jiān)測系統(tǒng)的有效監(jiān)測范圍至少為50 km才能滿足大部分海底管道的監(jiān)測需要。

(5)成本。雖然管道泄漏檢測系統(tǒng)的安裝、維護(hù)成本只占整個(gè)海底管道建設(shè)維護(hù)費(fèi)用微小的一部分，然而其成本仍然是不可忽視的性能指標(biāo)。原則上無需新裝監(jiān)測儀器設(shè)備，安裝、維護(hù)所需費(fèi)用的高性價(jià)比方法應(yīng)優(yōu)先考慮。

(6)便捷性。監(jiān)測系統(tǒng)的便捷與否直接影響到其能不能被推廣使用，一般要求監(jiān)測系統(tǒng)的操作盡可能簡單，無需過多的培訓(xùn)便能掌握使用。

管道常用檢測方法的性能按1～5劃分為五個(gè)等級(jí)，數(shù)值越大表示越適合，見表1。

表1 管道常用檢測方法的性能對(duì)比

由表1可知，硬件類方法的定位精度高，但實(shí)時(shí)性差，而軟件類方法均可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測。由此可見，軟硬件結(jié)合，互相補(bǔ)充是可行的。

3 海底管道檢測技術(shù)發(fā)展趨勢

（1）以軟件監(jiān)測為主、硬件檢測為輔的多方法融合的海底管道泄漏檢測技術(shù)將會(huì)成為研究熱點(diǎn)?；谲浖姆椒ㄆ涠ㄎ徽`差通常在幾十到上百米，而水下機(jī)器人等基于硬件的方法可以實(shí)現(xiàn)海底管道高分辨率檢測，但因其效率和成本問題一般只運(yùn)用于高風(fēng)險(xiǎn)管段。通過基于軟件的方法定位縮小檢測范圍，然后結(jié)合基于硬件的方法對(duì)海底管道實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)精確定位，能夠完美地綜合兩類方法的優(yōu)點(diǎn)。

（2）多點(diǎn)泄漏的檢測與定位將成為未來研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。陸上管道的多點(diǎn)泄漏檢測一直是個(gè)難題，而在復(fù)雜的海底環(huán)境中實(shí)現(xiàn)多個(gè)泄漏點(diǎn)的檢測更是難上加難。實(shí)際海底管道有可能發(fā)生多點(diǎn)泄漏，多個(gè)泄漏點(diǎn)的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生疊加干擾，傳播規(guī)律也會(huì)受到影響，而且泄漏信號(hào)在傳遞過程中混雜著大量的背景噪音，很容易把泄漏相關(guān)的有效信息全部淹沒。因此，對(duì)泄漏信號(hào)進(jìn)行去噪處理，實(shí)現(xiàn)多個(gè)泄漏點(diǎn)泄漏特征的獲取將是海底管道泄漏檢測與定位方法研究過程中需要突破的重要內(nèi)容。

（3）混合智能技術(shù)將在海底管道的泄漏檢測和定位中得到進(jìn)一步應(yīng)用。采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、模糊控制、粒子群算法以及人工智能等技術(shù)的方法應(yīng)用在陸上長輸管道檢測中，均取得了預(yù)期的成效。然而，海底管道工況更加復(fù)雜，各種方法都有其使用限制。通過多種智能技術(shù)的混合使用，綜合利用各種方法的相似性和互補(bǔ)性，應(yīng)用到泄漏信號(hào)的獲取與處理中，可以有效減少管道泄漏的誤報(bào)與漏報(bào)，因而會(huì)得到更多的重視與應(yīng)用。

（4）微小泄漏監(jiān)測將成為重要研究發(fā)展方向。海底油氣管道的小泄漏事件往往不易被檢測到且伴隨著腐蝕迅速成長，最后發(fā)展為大量泄漏，從而錯(cuò)失了最好的修復(fù)時(shí)間，損失更加慘重。微小泄漏監(jiān)測是通過硬件設(shè)備靠近泄漏區(qū)域并偵聽泄漏信息，從而減少泄漏聲波信號(hào)因長距離傳輸而造成的衰減，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測，因此管道機(jī)器人等內(nèi)檢測方法也將得到進(jìn)一步重視與發(fā)展。

4 結(jié)論

目前，國內(nèi)多數(shù)海底管道泄漏檢測系統(tǒng)根據(jù)管道設(shè)計(jì)參數(shù)、流體介質(zhì)參數(shù)、經(jīng)濟(jì)性技術(shù)指標(biāo)等選定泄漏檢測方式，還缺乏一個(gè)適用整個(gè)管道的泄漏檢測方式。經(jīng)過對(duì)泄漏檢測主要方法的歸納分類，提出采用將各種方法有機(jī)結(jié)合的油氣管道泄漏監(jiān)測和定位技術(shù)，不但能充分發(fā)揮不同方法的優(yōu)勢，同時(shí)也可避開各自的缺點(diǎn)。而隨著數(shù)據(jù)收集和監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，儀表儀器檢測準(zhǔn)確度的提升，數(shù)字化管道模式的建立，以及人工智能方法的廣泛使用，大大增強(qiáng)了信號(hào)分析和信號(hào)處理的能力，必將推動(dòng)各種方法有機(jī)地結(jié)合并運(yùn)用到海底管道泄漏檢測領(lǐng)域中。