管道泄露檢測及定位方法

鄭士強

摘要：本管道運輸技術在石油、天然氣等輸送中有著獨特的優勢。隨著西部油田的開發和“西氣東輸”等工程的進行，管道運輸將會在我國國民經濟中占據越來越重要的地位。由于管道服役時間不斷增長而逐漸老化，或受到各種介質的腐蝕以及其它破壞因素，會引起管道泄漏。

關鍵詞：管道泄露;檢測;定位方法

一、監測管壁狀況的泄漏檢測和定位方法

檢測管壁是否出現損壞。最初人們采用沿管分段巡視的方法監測管壁的狀況來進行泄漏檢測，這種方法浪費大量的人力、物力，而且不能及時發現泄漏。為了提高檢測效率，人們研制了各種可攜帶的檢測儀表和設備。

1.爬壁機器人

采用爬壁機器人監測管道的狀況。采用一種全自動的機器人進行泄漏檢測和定位。這種機器人攜帶傳感器沿管壁爬行，可以爬過凸緣，但這種爬壁機器人只適合應用于敷設于地面的管道，應用場所受限。

2.管內探測球法

管內探測球檢漏方法是基于磁通、超聲、渦流、錄像等技術的探測法。該方法應用探測球沿管線內流動進行探測，利用超聲技術或漏磁技術采集大量數據，并將探測所得數據存在內置的專用數據存儲器中用來進行事后分析，借以判斷管道是否被腐蝕、穿孔等情況，即：是否有泄漏點。

3.油、氣敏感線纜

通過沿管道外壁敷設對油、氣敏感的特殊線纜來進行泄漏檢測和定位。這種檢測方法非常靈敏，對于其它方法無能為力的小泄漏和緩慢泄漏有很好的效果。

4.嗅覺傳感器

嗅覺傳感器技術是新穎的技術。隨著傳感器技術的發展，人們已經制造出對某種化學物質特別敏感的傳感器，再借助于計算機和現代信號處理技術可以大大地提高檢測的靈敏度和精確度。可以將嗅覺傳感器沿管道按一定的距離布置，組成傳感器網絡對管道進行實時監控。當發生泄漏時，對泄漏物質非常敏感的嗅覺傳感器就會發出報警。

5.光纖傳感器

光纖傳感器是近年來發展的一個熱點，它在實現物理量測量的同時可以實現信號的傳輸，在解決信號衰減和抗干擾方面有著獨特的優越性。用光纖傳感器檢測管道泄漏的方法是根據管道中輸送的熱物質泄漏會引起周圍環境溫度的變化，利用分布式光纖溫度傳感器連續測量沿管道的溫度分布，當沿管道的溫度變化超過一定的范圍，就可以判斷發生了泄漏。

二、地面間接檢測方法

1.熱紅外成像

當管道發生泄漏時，周圍的土壤便浸泡在泄漏的原油中，這時土壤的溫度會上升。這種溫度的變化可以通過紅外輻射的不同來感知。檢測時，將管道周圍土壤正常溫度分布圖記錄在計算機中，用直升機在空中實時采集管道周圍土壤溫度場情況，通過對兩者的比較來檢測泄漏。

2.探地雷達

探地雷達（GPR）將脈沖發射到地下介質中，通過接收反射信號探測地下目標。由于電磁波在介質中的傳播與通過介質的電性質及幾何形態有關，故通過時域波形的處理和分析可探知地下物體。當管道內的原油發生泄漏時，管道周圍介質的電性質會發生變化，從而反射信號的時域波形也會發生變化，根據波形的變化就可以檢測到管道是否發生了泄漏。

三、監測管內流體狀態的泄漏檢測和定位方法

1.流量平衡法

該方法基于管道流體流動的質量守恒關系，根據管道進出口的流量測量值，結合管道中原油的流量分析，確定管道中是否發生泄漏。該方法簡單、直觀，但對于任何一個擾動或管線本身的動力變化都是敏感的，容易造成誤檢。為了提高檢測精度和靈敏度，人們改進了流量平衡法，改進后的動態流量平衡法在檢測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態模型，而且這種方法對少量泄漏的敏感性差，不能及時發現泄漏。

檢測和定位的準確性，建立管道的實時模型。用模型在線估計管線的壓力和流量，并與壓力或流量的實測值相比較來進行泄漏故障診斷，這就是模型法的基本思想。主要方法有：系統辨識和Kalman濾波器等。

2.基于信號處理的泄漏檢測和定位方法

信號處理的方法主要有負壓波法、壓力梯度法、聲波檢測方法和應力波檢測方法。

（1）負壓波法

當管道某處突然發生泄漏時，在泄漏處將產生瞬態壓力突降，形成一個負壓波。該波以一定的速度自泄漏點向兩端傳播，經過若干時間后，分別傳播到上下游，上下游壓力傳感器捕捉到特定的瞬態壓力降的波形就可以進行泄漏判斷，根據上下游壓力傳感器接收到此壓力信號的時間差和負壓波的傳播速度就可以定出泄漏點。一種解決方法是在管道的兩端各安放兩個傳感器，通過硬件電路延時的方法，將來自操作站方向的負壓波信號濾除，由于這種方法容易受到干擾信號的影響，近年來人們研究了基于數學分析的“軟”方法，其中主要有：相關分析法、時間序列分析法和小波變換法。

（2）壓力坡降檢漏法（恒定流動檢測法、壓力梯度法）

壓力坡降檢漏法的原理是：正常輸送時站間管道的壓力坡降呈斜直線，當發生泄漏時，漏點前的流量變大，坡降變陡，漏點后，則流量變小，坡降變平，沿線的壓力坡降呈折線狀，折點即為泄漏點，據此可算出實際泄漏位置。壓力坡降檢漏法以上下游壓力梯度信號構成時間序列模型，該時間序列模型的統計特性對泄漏量敏感，用Kullback信息測度準則對時間序列進行分析，便可進行泄漏檢測，但線性壓力梯度法，不適合“三高”原油。

（3）聲波檢測法

當管道發生泄漏時，在泄漏點處會產生噪音。通過設置好的傳感器可以接受到這種聲波，從而探測泄漏，并進行定位。傳統的聲波檢測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。近年來隨著光纖傳感技術的發展，已開發出連續型光纖傳感器進行泄漏噪聲檢測。據有關報道，單根光纖的檢測距離就可以達到60km，這樣一根光纖就可以替代大量的傳統傳感器，降低了成本，而且連續型傳感器與傳統傳感器相比也提高了檢測能力。

3.基于知識的方法

基于知識的泄漏檢測主要有人工神經元網絡、統計學和模式識別的方法。人工神經元網絡由于可以具有模擬任何連續非線性函數的能力和從樣本學習的能力，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。

四、結語

本文綜述了近年來研究的輸油管道泄漏檢測方法，評述了各種方法的優缺點，得出結論：在實際的輸油管道泄漏檢測系統中，通常采用幾種方法聯合進行泄漏檢測和定位，特別近幾年來，隨著計算機技術的發展，基于信號處理，尤其是采用小波分析的負壓波法在泄漏定位方面有著較好的應用前景。

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