管道泄露检测及定位方法

郑士强

摘要：本管道运输技术在石油、天然气等输送中有着独特的优势。随着西部油田的开发和“西气东输”等工程的进行，管道运输将会在我国国民经济中占据越来越重要的地位。由于管道服役时间不断增长而逐渐老化，或受到各种介质的腐蚀以及其它破坏因素，会引起管道泄漏。

关键词：管道泄露;检测;定位方法

一、监测管壁状况的泄漏检测和定位方法

检测管壁是否出现损坏。最初人们采用沿管分段巡视的方法监测管壁的状况来进行泄漏检测，这种方法浪费大量的人力、物力，而且不能及时发现泄漏。为了提高检测效率，人们研制了各种可携带的检测仪表和设备。

1.爬壁机器人

采用爬壁机器人监测管道的状况。采用一种全自动的机器人进行泄漏检测和定位。这种机器人携带传感器沿管壁爬行，可以爬过凸缘，但这种爬壁机器人只适合应用于敷设于地面的管道，应用场所受限。

2.管内探测球法

管内探测球检漏方法是基于磁通、超声、涡流、录像等技术的探测法。该方法应用探测球沿管线内流动进行探测，利用超声技术或漏磁技术采集大量数据，并将探测所得数据存在内置的专用数据存储器中用来进行事后分析，借以判断管道是否被腐蚀、穿孔等情况，即：是否有泄漏点。

3.油、气敏感线缆

通过沿管道外壁敷设对油、气敏感的特殊线缆来进行泄漏检测和定位。这种检测方法非常灵敏，对于其它方法无能为力的小泄漏和缓慢泄漏有很好的效果。

4.嗅觉传感器

嗅觉传感器技术是新颖的技术。随着传感器技术的发展，人们已经制造出对某种化学物质特别敏感的传感器，再借助于计算机和现代信号处理技术可以大大地提高检测的灵敏度和精确度。可以将嗅觉传感器沿管道按一定的距离布置，组成传感器网络对管道进行实时监控。当发生泄漏时，对泄漏物质非常敏感的嗅觉传感器就会发出报警。

5.光纤传感器

光纤传感器是近年来发展的一个热点，它在实现物理量测量的同时可以实现信号的传输，在解决信号衰减和抗干扰方面有着独特的优越性。用光纤传感器检测管道泄漏的方法是根据管道中输送的热物质泄漏会引起周围环境温度的变化，利用分布式光纤温度传感器连续测量沿管道的温度分布，当沿管道的温度变化超过一定的范围，就可以判断发生了泄漏。

二、地面间接检测方法

1.热红外成像

当管道发生泄漏时，周围的土壤便浸泡在泄漏的原油中，这时土壤的温度会上升。这种温度的变化可以通过红外辐射的不同来感知。检测时，将管道周围土壤正常温度分布图记录在计算机中，用直升机在空中实时采集管道周围土壤温度场情况，通过对两者的比较来检测泄漏。

2.探地雷达

探地雷达（GPR）将脉冲发射到地下介质中，通过接收反射信号探测地下目标。由于电磁波在介质中的传播与通过介质的电性质及几何形态有关，故通过时域波形的处理和分析可探知地下物体。当管道内的原油发生泄漏时，管道周围介质的电性质会发生变化，从而反射信号的时域波形也会发生变化，根据波形的变化就可以检测到管道是否发生了泄漏。

三、监测管内流体状态的泄漏检测和定位方法

1.流量平衡法

该方法基于管道流体流动的质量守恒关系，根据管道进出口的流量测量值，结合管道中原油的流量分析，确定管道中是否发生泄漏。该方法简单、直观，但对于任何一个扰动或管线本身的动力变化都是敏感的，容易造成误检。为了提高检测精度和灵敏度，人们改进了流量平衡法，改进后的动态流量平衡法在检测精度和灵敏度上比一般的流量平衡法有所提高，但它需要建立管线的动态模型，而且这种方法对少量泄漏的敏感性差，不能及时发现泄漏。

检测和定位的准确性，建立管道的实时模型。用模型在线估计管线的压力和流量，并与压力或流量的实测值相比较来进行泄漏故障诊断，这就是模型法的基本思想。主要方法有：系统辨识和Kalman滤波器等。

2.基于信号处理的泄漏检测和定位方法

信号处理的方法主要有负压波法、压力梯度法、声波检测方法和应力波检测方法。

（1）负压波法

当管道某处突然发生泄漏时，在泄漏处将产生瞬态压力突降，形成一个负压波。该波以一定的速度自泄漏点向两端传播，经过若干时间后，分别传播到上下游，上下游压力传感器捕捉到特定的瞬态压力降的波形就可以进行泄漏判断，根据上下游压力传感器接收到此压力信号的时间差和负压波的传播速度就可以定出泄漏点。一种解决方法是在管道的两端各安放两个传感器，通过硬件电路延时的方法，将来自操作站方向的负压波信号滤除，由于这种方法容易受到干扰信号的影响，近年来人们研究了基于数学分析的“软”方法，其中主要有：相关分析法、时间序列分析法和小波变换法。

（2）压力坡降检漏法（恒定流动检测法、压力梯度法）

压力坡降检漏法的原理是：正常输送时站间管道的压力坡降呈斜直线，当发生泄漏时，漏点前的流量变大，坡降变陡，漏点后，则流量变小，坡降变平，沿线的压力坡降呈折线状，折点即为泄漏点，据此可算出实际泄漏位置。压力坡降检漏法以上下游压力梯度信号构成时间序列模型，该时间序列模型的统计特性对泄漏量敏感，用Kullback信息测度准则对时间序列进行分析，便可进行泄漏检测，但线性压力梯度法，不适合“三高”原油。

（3）声波检测法

当管道发生泄漏时，在泄漏点处会产生噪音。通过设置好的传感器可以接受到这种声波，从而探测泄漏，并进行定位。传统的声波检测是利用离散型传感器，即沿管道按一定间隔布置大量传感器，这种方法成本很高。近年来随着光纤传感技术的发展，已開发出连续型光纤传感器进行泄漏噪声检测。据有关报道，单根光纤的检测距离就可以达到60km，这样一根光纤就可以替代大量的传统传感器，降低了成本，而且连续型传感器与传统传感器相比也提高了检测能力。

3.基于知识的方法

基于知识的泄漏检测主要有人工神经元网络、统计学和模式识别的方法。人工神经元网络由于可以具有模拟任何连续非线性函数的能力和从样本学习的能力，在故障诊断中受到广泛的重视。它也被用于输油管线泄漏的检测。

四、结语

本文综述了近年来研究的输油管道泄漏检测方法，评述了各种方法的优缺点，得出结论：在实际的输油管道泄漏检测系统中，通常采用几种方法联合进行泄漏检测和定位，特别近几年来，随着计算机技术的发展，基于信号处理，尤其是采用小波分析的负压波法在泄漏定位方面有着较好的应用前景。

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