第19卷第5期2008年10月中原工学院学报J OU RNAL OF ZHON GYUAN UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY Vol.19　No.5Oct.,2008　收稿日期:2008-09-23　基金项目:河南省自然科学基金资助项目(0511052700)　作者简介:赵则祥(1956-),男,河南通许人,教授,博士. 文章编号:1671-6906(2008)05-0010-05长输油气管道泄漏检测方法赵则祥1,王延年2,朱　强2(1.中原工学院,郑州　450007;2.郑州大学,郑州　450001)摘　要:　介绍了长输油气管道泄漏检测方法的国内外研究现状,详细分析和比较了各检测方法的优缺点及其应用,指出了检测方法研究的方向.关　键　词:　长输油气管道;泄漏;检测方法中图分类号:　TE973.6 文献标识码:　A 管道输送是一种经济方便的运输方式,在石油和天然气输送中具有独特优势,突出表现为安全、高效、低耗等.随着我国经济发展和能源结构转变,石油和天然气等清洁能源的需求不断增加,管道分布越来越广.长输油气管道已经成为我国能源大动脉的重要组成部分,在国民经济中的战略地位十分重要.长输油气管道的特点是点多线长,且多数为地埋管道.由于使用环境恶劣,随着服役时间不断增长,腐蚀、地形沉降、重压、机械施工及人为破坏等因素都能使管道出现损伤,甚至泄漏.据统计,美国从1994年至2001年报告的224起第三方责任事故中,7起管线停运,35起损伤,平均每起事故损失2500万美元[1].在我国,一些不法分子疯狂地在管道上打孔盗油盗气,例如,从1993年到2005年,全长285公里的中原油田-洛阳输油管道累计被打孔盗油900多次,平均每公里超过3个“盗孔”,2000年以来,打孔盗油事件每年平均在130起以上,累计被盗原油4万余吨,被迫停输近3000h ,最长一次达12h ,直接经济损失8000多万元.一旦盗油引起泄漏,会造成大片良田被毁或引发火灾、爆炸等恶性事故.由于管道输油采用高温高压技术,如果停输时间过长,管道内温度下降造成原油冷凝,后果将不堪设想[2].泄漏不仅造成巨大财产损失和严重环境污染,甚至引发火灾、爆炸,严重威胁人民生命和财产的安全.建立和完善油气管道泄漏和外力损伤监测系统,对管道泄漏和可能引起管道外力损伤的重压、地形沉降、机械施工及人为破坏等第三方责任事件进行迅速判断和准确定位、及时发现泄漏和预报泄漏隐患就显得十分重要.1　管道泄漏检测方法管道泄漏的检测方法很多[3-5],主要分为2类:直接检漏和间接检漏.直接检漏法是利用探测器直接检测管道外的泄漏物判断泄漏;间接检漏法是通过监测管道的运行参数(如压力、流量、温度等)估计泄漏.1.1　直接检漏法(1)检漏电缆法.一种方法是沿管线埋设附有易被碳氢化合物溶解的绝缘材料的两芯电缆.漏油浸泡电缆使缆芯之间的阻抗发生变化,在一端通过对阻抗分布参数的测量来判断管道泄漏及位置.另一种方法是沿管线铺设用非透水性但具有透油性的材料制成的同轴电缆.从电缆一端发射脉冲,被油浸透的电缆能够反射脉冲,通过检测反射脉冲信号判断管道泄漏并进行定位.检漏电缆法的优点是不需要在管线上配备任何地面检测设备,就能快速而准确地检测出管道微小渗漏及其位置.(2)导电高聚合物检漏法.探测电缆由2根常规绝　第5期赵则祥等:长输油气管道泄漏检测方法缘导线和2根探测导线组成,外包特种导电高聚物.探测电缆中的探测导线通过检测电缆中的水蒸气判断管道绝缘层的浸水点和泄漏点.这种方法适用于绝缘管道的检漏.(3)传感光缆法.分布式光纤传感器是一种传感型光纤传感器,具有同时获取传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力.光波在光纤中传播时,其特征参量(如振幅、相位、偏振态、波长等)在外界因素(如压力、振动、位移、温度等)的作用下发生变化.沿油气管线铺设一条传感光缆,拾取管道周围的压力、声音和振动信号,通过信号分析和处理,发现和定位管道泄漏、重压、地形沉降、机械施工和人为破坏等事件[6-7];或者利用对石油或成品油等碳氢化合物敏感的传感光缆来检测和定位泄漏[8-10].(4)红外线法.为了降低原油粘性,在管道输运之前需要对原油进行加热.管道发生泄漏,周围地表被泄漏原油覆盖和浸泡,温度上升,导致地表红外辐射发生变化;输气管道泄漏,泄漏物在空中形成的气团与周围空气的光谱不同.红外线法利用机载或星载精密红外摄像装置,记录输油管道周围地热辐射效应或输气管道上方空气光谱,利用光谱分析可以检测出较小泄漏及其位置[11].(5)探地雷达.探地雷达[5]是一种用于浅层地质构造探测和确定地下介质分布的广谱电磁波技术.它用一个天线向地下介质发射无载波电磁脉冲,另一个天线接收地下不同介质界面反射的回波.由于电磁波在介质中的传播与介质电性质及几何形态有关,通过对反射信号时域波形分析和处理探知地下物体.输油管道泄漏,周围地表的电性质发生变化,反射信号时域波形也随之发生变化,通过对波形变化特征的分析判断管道是否发生了泄漏.探地雷达有便携式和车载式.另外为了进行远程泄漏检测,机载侧视雷达(SL AR,side -looking airborne radar)和星载合成孔径雷达(SA R,synt hetic apert ure radar)是2种常用的手段[12].雷达图象信号与管道周围地质特性有关,利用探地雷达检测管道泄漏时,地质特性突变对雷达信号影响很大,是实际应用中的一个难点.1.2　间接检漏法(1)质量平衡法.无泄漏情形下,管道中流动介质遵从质量/体积守恒关系,管道流出质量等于流入质量.因此,在稳定流动情况下,一段时间内流出管道的介质质量应等于流入的质量.考虑到管道本身的弹性、流体性质以及流速、温度和压力变化等因素造成的管道充填体积的改变,在一定时间内流出和流入管道的介质质量之间的差值应该保持在一定的范围内.当流出和流入管道的质量之间的差值超出这一范围时,可以判断管道发生了泄漏.质量平衡法可靠性很高,可以检测小流量泄漏.但是受多种因素影响,管道首末端的流量变化有一个过渡过程,因此该方法及时性差,尤其管道状态经常发生变化时,质量平衡法不能有效工作.此外,质量平衡法不能定位泄漏是其缺点[13-14].(2)压力梯度法.流体沿管道流动过程中温度基本保持不变或其粘度、密度、热容等随温度变化较小时,管道入口和出口处的压力梯度相等,管道内的压力梯度呈斜直线(即线性)下降.发生泄漏时,管道内压力分布发生变化,漏点前的流量增大,梯度变陡;漏点后的流量减小,梯度变平;管道内压力梯度呈折线状下降,折点就是泄漏点.因此当管道两端的压力梯度不一致时,可判断发生了泄漏,分别按照管道入口和出口处的压力梯度画线,交汇点就是泄漏位置.但是,由于我国原油属于高凝点、高含蜡、高粘度的“三高”原油,需要加热输送,原油物质特性随温度变化较大,较小温度变化能引起原油粘度很大的变化,使得压力梯度沿管线分布呈非线性.因此,线性压力梯度法的定位精度较差,且仪表测量误差对定位精度影响很大,一般作为辅助手段和其他方法一起使用[15-17].(3)负压波检漏法.由于管道内外的压力差,当某一点突然发生泄漏时,泄漏处因物质流失引起局部流体密度减小和瞬时压力突然降低,产生在管道流体中分别向上、下游传播的瞬态负压波[18].其中0.05～10 Hz范围内的低频负压波在管道中传播的损耗较小,能够远距离传播[19],在5～32℃时负压波的传播速度约为1100～1300m/s[20].分别在管道两端安装压力传感器,根据压力传感器捕捉的负压波判断泄漏,根据负压波到达管道两端的时间差定位泄漏.由于到达管道两端的负压波来源于同一泄漏,可以利用相关分析法检测和定位漏点;负压波信号前峰陡降段的斜率最大,也可以利用微分算法捕捉管道两端负压波前锋的方法进行定位.负压波法是一种基于信号分析和处理的方法,准确捕捉负压波和判断负压波到达管道两端的时间差是正确检测泄漏和准确定位的关键,因此需要对采集的压力信号进行降噪去藕处理,区分管道泄漏和泵站正常作业(如调泵、调阀等)产生的负压波,提高泄漏检测的可靠性和准确性.常用的信号分析和处理方法有自适应滤波算法、KULLBAC K信息测度法,小波变换相关分析法、时序分析法等.负压波法因其简单易行,是目前应用较广的一种泄漏检测方法.(4)管内智能爬行机法.爬行机[21]已经广泛使用・11・中原工学院学报2008年　第19卷在管道工业中.配置各种传感器的智能爬行机检测系统可以用来周期性地检测管道因腐蚀或其他原因造成的损伤,评估管道的完整性,发现泄漏和预报泄漏隐患.将爬行机放入管道内并在管道中流体推动下向下游移动,收集管道内流体流速、流量、压力、温度和管壁完好程度信息.通过对爬行机记录数据的分析和处理,获得管道运行状态的信息.智能爬行机是一种检测管道管壁完好程度,发现泄漏和泄露隐患的有效手段.爬行机一般采用视觉、X-射线、涡流、声学或超声等技术手段探测管壁受腐蚀情况.其中磁通量泄露检测[22]和超声探测[23]是最普遍采用的技术.(5)统计检漏法.泄漏导致管道内压力和流速之间的关系发生变化,如泄漏引起管道内压力降低和管道两端的流速不一致.根据管道入口和出口的流速和压力,连续计算发生泄漏的统计概率.对于最佳检测时间,使用序列概率比实验(SPR T,sequential p robabili2 ty ratio test)方法.检测到泄漏之后,根据管道两端流速和压力及统计平均值估计泄漏速度,使用最小二乘法(least-squares algorit hm)对无分支管道泄漏进行定位.统计检漏法最大优点在于无需复杂的管道模型就可以达到较高的检测性能,计算量小,安装费用低和便于维护[24].(6)应力波法.管道上打孔盗油盗气在我国一些地区十分猖獗,严重威胁在役管道的安全运行,是导致泄漏的重要原因.长输油气管道的管壁都是金属弹性体,在管壁上打孔会产生振动,振动以应力波形式沿管道在管壁内传播,传播速度高达5000m/s,传播距离超过1.8km[25].当管道发生泄漏,泄漏形成的多相湍射流与管壁相互作用,诱发管壁产生高频应力波并在管壁内高速传播.应力波引起的管壁振动包括纵振动、横振动和圆环振动.由于管壁阻尼作用,应力波强度随传输距离指数衰减,只有某些频率的应力波能远距离传播,尤其是应力波与管道发生共振时,传播更远.3种振动传播的速度、方向和衰减各不相同,传播距离不同,信号特征不同,信号能反映传播距离的信息.在管道外壁上安装高灵敏度的应力波传感器并通过分析管道应力波信号功率谱来检测泄漏并进行定位,也可以在管道两端分别安装传感器并根据应力波信号到达的时间差进行定位[26-27].(7)声学方法.管道因腐蚀老化出现腐蚀孔或因外力损伤出现裂纹时,管道内外的压力差使管道内的流体通过腐蚀孔或裂纹向外喷射.泄漏多相湍射流与管壁相互作用产生声波.声波频率一般在5～300k Hz.通过传感器采集泄漏产生的声音信号并进行处理,可以对泄漏以及其位置进行判断.传统声波检测是沿管道按一定间隔离散地安装大量传感器,借助对泄漏孔两侧传感器采集的声音信号进行相关处理来检测与定位泄漏.随着光纤传感技术的发展,出现了连续型分布式光纤传感器进行泄漏声音检测和定位[6].该方法可应用于天然气、原油及其他流体管道的泄漏检测[28-29].(8)实时模型法.实时模型法的基本原理是根据瞬变流的水力模型和热力模型,综合考虑管道内流体的速度、压力、温度、密度及粘度等物理参数的变化,建立管道实时模型,在一定边界条件下求解管道内流场,然后将计算值与管道两端的实测值进行比较.当实测值与计算值的偏差超过一定范围时,判定发生了泄漏,然后使用实时模型,根据管道内压力梯度变化确定泄漏点位置.实时模型法主要有以估计器为基础的实时模型法、以系统辨识为基础的实时模型法和基于Kalman 滤波器的实时模型法.2　检测方法的特点综上所述,管道泄漏检测可以分为直接检漏法和间接检漏法.直接检漏法主要利用图像分析或用泄漏物敏感材料制成传感器检测管道外是否有泄漏物.探地雷达是一种主动探测方法,将脉冲信号发射到地下介质中,通过接收反射信号探测管道是否发生了泄漏.红外线法是一种被动探测方法,不需要发射探测信号,只需接收来自被测对象的信号,例如,利用机载或星载精密红外摄像装置记录泄漏物在空中形成的气团或管道周围的地热辐射效应,通过光谱分析发现泄漏.由于长输管线点多线长,周围地质结构差异很大,探地雷达和红外线法不适合管道泄漏实时检测.线缆法是用泄漏物敏感材料制成传感线缆并沿管线铺设,线缆遇到泄漏物后导致其传输的光电信号发生改变,根据光电信号的特征判断管道泄漏并定位.线缆法适合管道泄漏的实时检测且定位精度高.间接检漏法是根据管道内压力、流速、温度等运行参数估计泄漏及其位置.例如,管壁因腐蚀老化出现腐蚀孔或因外力损伤出现裂纹时,管道内外的压力差使管道内流体通过腐蚀孔或裂纹向外喷射.泄漏处的多相湍射流与管壁相互作用产生声波、应力波和负压波.声波在空气中传播速度约为340m/s,频率一般在5～300k Hz之间,传统声波法需要沿管线按一定间隔安装大量的声传感器.声波法除了传感器电源供电及其・21・　第5期赵则祥等:长输油气管道泄漏检测方法引发的安全问题外,背景噪声也是一个难以解决的问题.长输油气管道的管壁都是金属弹性体,泄漏产生的射流与管壁相互作用诱发管壁产生高频应力波并在管壁内传播,在管道上打孔也会产生振动并以应力波形式在管壁中传播.应力波在钢管中的传播速度约为5000m/s ,借助管道管壁上离散安装的传感器采集应力波信号,通过对信号进行相关分析估计管道泄漏和定位.泄漏导致瞬时压力突然降低,在管道流体中产生分别向上、下游传播的瞬态负压波,通过对管道两端负压波信号的检测和分析判断管道泄漏,根据负压波到达管道两端的时间差定位泄漏,也可以按照管道入口和出口的压力梯度作线,交汇点就是泄漏的位置.由于流量计造价高,我国油品管道大多数中间站没有安装流量计,输送的多为“三高原油”.基于磁通、涡流、摄像等投球技术的管内检测法(管道爬行机)的优点是定位准确,缺点是对管道条件要求较高,在原油管道中容易发生堵塞、停运等事故,无法在线监测.负压波法、应力波法和压力梯度法因为简单实用,比较适合于我国油气管道泄漏检测.但是一些不法分子通过利用新的技术使上述检测方法完全失效.例如,在中洛输油管道上,一些不法分子模仿国家专利密闭开孔机的原理,专为盗油制作了一种手持式微型打孔器,在管道上打孔和安装阀门一次完成,而且通过2个阀门一边盗油一边加压注水,打孔时既不产生应力波,盗油时也不产生负压波,甚至管道两端的流量也一致.3　结　语已有的检测方法都是针对特定问题提出的专门解决方案,一个共同缺点就是只能检测已经发生的泄漏,一般不能对即将发生的可能危及管道运行安全的第三方责任事件发生预警.在我国,随着经济发展和能源结构转变,对石油和天然气等清洁能源的需求不断增加,管道分布越来越广.经济越发达地区,能源需求越大,往往需要利用管道输送油气,同时这些地区一般人口密集,公路等交通网密布,人类的生产活动频繁,管道往往会受到重压、挖掘、机械施工等事件影响,一些管道途径区域的地质结构复杂,容易出现滑坡、泥石流等地质灾害,甚至一些不法分子在管道上打孔盗油盗气,严重威胁管道的安全运行,因此,对穿越这些地区的管道监测就成为研究的重点,需要利用新理论新技术新材料新方法来研制新的油气管道泄漏和外力损伤的检测和定位技术.参考文献:[1]　J ames E Huebler.Detection of Unauthorized Construction Equipment in Pipeline Right of Ways.Presentation given at U.S.Department of Energy[EB/OL ].(2002-09-16).http 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2(1.Zhongyuan U niversity of Technology ,Zhengzhou 450007;2.Zhengzhou U niversity ,Zhengzhou 450001,China ) Abstract :　The research act ualities of detecting met hods of leakage of long 2distance oil and gas pipeline are int roduced in t his paper ,and t he advantages ,disadvantages and applications of t he detecting met hods above are analyzed and compared in detail.The research directions of t he detecting met hods are given.K ey w ords :　long 2distance oil and gas pipeline ;leakage ;detecting met hods・41・。