燃氣管道泄漏檢測定位技術

王嚴

【摘 要】燃氣管道泄漏定位技術是管道管理工作人員關注度最高的一個問題，管道泄漏定位系統也是管道泄漏檢測系統的重要組成部分。本文介紹了一些國內外用于燃氣管道泄漏檢測定位的方法以及一些新的其它方法，并分析了各種方法的利弊。指出只有快速準確地確定漏點位置，才能及時采取措施，減少損失。

【關鍵詞】燃氣管道；泄漏檢測；泄漏定位

管道輸送具有成本低，節省能源，安全性高及供給穩定等優點。我國的管道運輸業發展的很快，但由于不可避免的腐蝕、自然或第三方損壞等因素，管道泄漏事故頻繁發生。如果泄露后不采取及時的措施，不僅對能源造成極大的浪費、經濟損失，而且會導致環境污染。由于管道泄漏后可能帶來嚴重后果，管道泄漏的預防及泄漏發生后的及時報警、定位，對重大事故的預防具有極為重要的現實意義。因此，燃氣管道泄漏定位技術在實際工作中有著非常重要的作用，在已檢測出管道發生泄漏的基礎上，只有快速準確地確定漏點位置，才能及時采取措施，減少損失。

1管道泄漏檢測定位的主要方法

泄漏點定位是管道泄漏檢測中一項關鍵技術，如何快速準確地確定泄漏點的位置是管道泄漏檢測系統的重要組成部分。目前已有的檢漏方法中，流量平衡法、壓力突變法和溫度監測法等泄漏檢測方法不能用于確定泄漏點的位置。基于硬件的方法，如檢漏電纜法、光纖傳感器等價格昂貴，不適于長輸管道的泄漏檢測定位。下面介紹工程實際中常用的一些方法。

1.1管內檢測法

這類方法是通過漏磁技術、超聲波技術、渦流技術、錄像技術等投球技術將探測球從管道的一端放入，該探測球在管道內部借助流動介質的推動順流而下，利用各種技術采集管道內的各種信息，然后從管道的另一端將探測球取出，最后進行數據分析和處理，確定漏點位置。此檢測法能夠比較準確地進行泄漏點的定位，但是容易發生堵塞停運等嚴重事故，而且造價很高，對管道條件要求嚴格，不適合進行長時間監測。

1.2負壓波定位技術

負壓波法是目前國內外應用比較多的管道泄漏檢測和泄漏定位的方法。當管道發生泄漏后，在泄漏點的周圍會產生一個負壓，該負壓會沿著管道的上下游傳播，稱之為負壓波。該負壓的大小與泄漏孔和泄漏量的大小有關。同時由于負壓到達安裝在管道兩端的壓力傳感器的時間不同，可以通過測量該時間差并利用信號相關處理方法來確定泄漏點的位置。負壓傳播的速度與在管道內介質中傳播的聲速相同。這就是用壓力波進行泄漏診斷的原理。圖中，

L為管道長度，x為泄漏點，t1和t2為負壓波傳播到上下游的時間。

定位公式為：

（1）

式中：XL — 泄漏點距首端測壓點的距離，m；

L — 管道全長，m；

a—負壓波在管道流體介質中的傳播速度，m/s；

△t—上下游傳感器接收到壓力波的時間差△t=t1-t2，s。

如何檢測到并識別泄漏引發的負壓波是提高負壓波法檢測定位準確性和靈敏度的關鍵。所以，應區分由泄漏引起的負壓波和操作中因改變操作條件（如泵的啟、停，閥門的開、閉）引起的壓力波動。由于由泵、閥引起的負壓波與泄漏產生的負壓波方向不同，靳世久等人[1]提出利用模式識別技術，在管道的每一端僅需一個壓力傳感器，進行泄漏的檢測與定位。管道發生泄漏后，要及時發現泄漏位置就必須精確地獲得泄漏引發的壓力波傳播到上下游傳感器的時間差，這就必須準確地捕捉到泄漏壓力波信號序列的對應特征點。而由于燃氣管道敷設環境復雜，不可避免的電磁干擾、震動等因素，使得采集到的壓力波信號序列附加了大量噪聲，所以定位的關鍵就是如何從噪聲中準確地提取出信號的特征點。蔡正敏等人[2]提出了利用小波變換進行濾噪。小波分析能同時反映出信號在時域和頻域的局部的和整體的信息，并能隨信號頻率的變化自動地調整時間一頻率窗，實驗證明了小波變換作為一種新的信號處理技術，在管道泄漏的在線監測中除噪是十分有效的。

管內壓力波的傳播速度決定于液體的彈性、密度和管材的彈性。常溫輸送的原油一般壓力波取為一常數，但是國內的原油大多屬于高凝、高粘原油，隨著管道中流體溫度的變化，密度和液體的壓縮性也會有所變化，所以壓力波并不是一個常數。考慮溫度的瞬變壓力波傳播速度的計算公式如下：

（2）

式中： t—為溫度，℃；

K—為液體體積彈性系數，Pa；

ρ—為液體的密度，kg/m3；

E—為管材的彈性模量，Pa；

D—為管道的直徑，m；

e—為管壁厚度，m；

C1—為與管道約束條件有關的修正系數。

該方法具有很快的響應速度和較高的定位精度，可迅速檢測出大的泄漏，自動化程度高，但是對于比較小的泄漏或已經發生的泄漏效果不佳。不過隨著新型高精度傳感器和高速計算機的使用，隨著信號檢測和信號處理技術的發展，尤其是人工神經網絡和模式識別技術的開發研究，通過不斷改進算法和動力模型，負壓波管道泄漏檢測定位方法可進一步提高其性能。

1.3 基于軟件的定位方法

（1）統計決策法

在眾多的泄漏檢測方法中，由殼牌公司開發的統計決策法是一種比較新的檢測方法。它使用統計學方法，對管道的入、出口實測的壓力、流量值進行分析，連續計算發生泄漏的概率。在泄漏確定以后，可以通過實測的壓力、流量值計算泄漏量的大小，并使用最小二乘法進行泄漏定位。對于單管，可用最小二乘法按下式進行泄漏的定位計算：

（3）

式中：XL —為泄漏點距離管道首端的距離；

、 、 和 —分別為管道入口和出口處的壓力和流量的樣本

平均值；

L—為管長；

K—是由摩擦系數、流體密度和管徑決定的常數。

統計學方法不需計算復雜的管道模型，降低了計算上的復雜性。統計泄漏檢測系統還具有在線學習能力，可以適應管道參數的變化。而且該方法可以發現較小的泄漏點，可對管道進行長時間監測。統計檢漏系統比常規方法投入費用更低，而且更易維護，由于僅需很少的計算量，使得有可能實現在PC機上運行該系統。在實際管道泄漏檢測中取得了良好的效果。

（2）壓力梯度泄漏定位方法

壓力梯度法是一種技術上不太復雜，常被使用的一種泄漏定位方法。管道發生泄漏時會在漏失點產生額外的壓力損失，使其上游的壓力梯度較陡，而下游的壓力梯度較為平緩，根據上游站和下游站的流量等參數，計算出相應的水力坡降，然后分別對上游站出站壓力和下游站進站壓力作圖，其交點就是理想的泄漏點，原理圖如圖1所示。P1、P2分別為上游端的兩個壓力測點，用以測得上游段的壓力梯度，P3、P4分別為下游端的兩個壓力測點，用以測得下游段的壓力梯度。

可采用如下管道泄漏壓力梯度定位方法：

（4）

式中：XL—上游站到泄漏點的距離；

Pi（P0）—上游站（下游站）測量的釋放（吸入）壓力；

— 上游站與下游站之間流體的平均密度；

hi，h0 — 分別為上游站和下游站的壓頭；

C — 系數；

ρ1、ρ2—分別為上游和下游到泄漏點之間流體平均密度；

f 1和f2—分別為上游和下游的流體平均摩擦系數；

L—泵站間管道長度；

Qi和Q0—分別為管道上游和下游的體積流量；

D—管道直徑。

其它很多管道泄漏檢測方法中，很多檢漏法都是利用壓力梯度法進行泄漏定位。如實時模型法，利用該法檢測到管道泄漏后，使用穩態模型，根據管道內的壓力梯度變化即可確定泄漏點的位置。

1.4 其它方法

基于神經網絡的管道泄漏檢測定位方法已初露端倪，它是一種基于經驗的類似人類的認知過程的方法。能夠運用自適應能力學習管道的各種工況，對泄漏進行分類識別，而且具有一定的抗干擾能力。隨著高速計算機、通訊技術和數學的發展，基于神經網絡的的檢測定位方法有著廣闊的應用前景。

另外，在應用負壓波法進行泄漏定位時，為了精確測量時間差，可以采用基于GPS（Global Positioning System）時間標簽的管道泄漏定位方法。GPS輸出標準秒脈沖和含有時間信息的數據流強化各傳感器采集的信號同步，通過采集頻率與時間標簽的換算可以分別確定管道泄漏點上游和下游的泄漏負壓波的速度，然后再利用泄漏點上下游檢測到的泄漏特征信號的時間標簽差值就可以確定管道泄漏的位置。基于GPS時間標簽的管道泄漏檢測系統泄漏定位精度較高。

2結束語

隨著管道工業的不斷發展，對管道泄漏檢測定位的要求也越來越高，單一的檢測定位方法已不能滿足實際工作的需要。目前，計算機技術、控制理論、信號處理、模式識別、人工智能等學科的發展以及SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統的大量應用，基于軟件的管道泄漏檢測方法為各種現代測量技術的應用提供了平臺，將有著良好的發展前景。研究適合我國燃氣管道實際情況的泄漏檢測定位系統是一個非常有實際意義的課題。

參考文獻：

[1]靳世久、王立寧、李健.瞬態負壓波結構模式識別法原油管道泄漏檢測技科[J].電子測量與儀器學報，1998，12（1）：59-64.

[2]蔡正敏、吳浩江、黃上恒、胡時岳.小波變換在管道泄漏在線監測中去噪的應用[J].機械科學與技術.2001，20（2）：253-256.

（作者單位：新疆燃氣集團有限公司）