第26卷第7期 油　气　储　运长输管道泄漏检测技术发展现状3 唐　恂33 张　琳 苏　欣(西南油气田分公司输气管理处重庆运销部) (中国石油工程设计有限责任公司西南分公司) 张　鹏 李　辉(江苏石油勘探局油田建设处安装公司) (西气东输管道销售公司)唐　恂　张　琳等:长输管道泄漏检测技术发展现状,油气储运,2007,26(7)11～14,29。

摘　要　回顾了国内外油气长输管道泄漏检测技术发展的历史,介绍了热红外线成像、探地雷达、气体成像等18种管道泄漏检测技术方法,给出了泄漏检测方法的诊断性能指标和综合性能指标,预测了长输管道泄漏检测技术发展的趋势。

主题词　油气 长输管道 泄漏 原因 检测方法 性能指标 趋势一、检漏技术发展历史国外从20世纪70年代就开始对管道泄漏检测技术进行研究,内容包括互相关分析的泄漏法、基于压力梯度时间序列的管道泄漏检测法、采用非线性模型的非线性状态观测器的检漏法、卡尔曼滤波器法、基于Sagnac光纤干涉仪原理的管道流体泄漏检测定位系统、统计检漏法、“纹影”(Schlieren)技术、频域响应法以及小波分析的方法等。

我国对于管道泄漏技术的研究起步较晚,但发展很快,提出过的方法有,基于状态估计的观测器的方法、基于Kullback信息测度法、负压波法、模式识别法、小波分析法、神经网络法、压力点分析法、分布式光纤法、声波检漏法、Sagnac光纤干涉仪法、GPS 时间标签法、仿射变换法、扩展卡尔曼滤波法、分布式检测与决策融合方法、新型分布式光纤法等〔1～9〕。

二、泄漏检测技术方法对于检漏技术的分类,目前尚无统一的规定,根据检测过程中使用的测量手段的不同,分为基于硬件和软件的方法;根据测量分析的媒介不同分为直接检测法与间接检测法;根据检测过程中检测装置所处位置的不同分为内部检测法与外部检测法;根据检测对象的不同分为检测管壁状况和检测内部流体状态的方法〔10～25〕。

1、　热红外成像热红外成像法是利用泄漏液体对红外辐射的影响,通过与周围土壤的正常温度进行比较,从而达到检测的目的。

但这类方法不能对管道进行连续检测,实时性差且对管道的埋设深度有一定的限制,据有关资料介绍,当直升机的飞行高度为300m时,管道的埋设深度应在6m之内。

2、　探地雷达探地雷达(GPR)将脉冲发射到地下介质中,通过时域波形的处理和分析,探知地下管道是否泄漏。

这种方法不适用于较细的管道。

地质特性对检测的准确性有很大的影响,这也是应用中的一个难点。

3、　气体成像气体成像法的原理是利用光学技术对不同性质的气体成像的难易,对管道泄漏进行判断检测。

氧气和氮气很难在空气中成像,但烃类气体、挥发性流体的蒸气却容易看到;氦气、氢气、含氯氟烃等密度大于或小于空气的气体都可成像。

同样,纹影摄像机也能“看”到冷暖气流和超声冲击波。

纹影成像技术不仅能发现气体泄漏,而且能提供信息估算泄漏量。

这种技术虽然是地面成像系统,但检测来自地　3四川省重点学科建设资助项目(SZD0416)。

　33401120,重庆市渝北龙旺街167号;电话:(023)86013155。

・11・下的天然气泄漏也是可行的。

4、　传感器法(1)嗅觉传感器　将嗅觉传感器应用于管道检测还是一项不成熟的技术。

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。

(2)分布式光纤声学传感器　分布式光纤声学传感器法是利用Sagnac干涉仪测量泄漏所引起的声辐射的相位变化来确定泄漏点的范围,这种传感器可以用于气体或液体运输管道。

这种方法是将光纤传感器放在管道内,通过接收到的泄漏液体或气体的声辐射,来确定泄漏和定位。

理论上,10km管道定位精度能达到±5m,反应灵敏,但成本较高。

5、　探测球法基于磁通、超声、涡流、录像等技术的探测球法是20世纪80年代末期发展起来的一项技术,将探测球沿管道内进行探测,利用超声技术(“超声猪”)或漏磁技术(“磁通猪”)采集大量数据,并进行事后分析,以判断管道是否有泄漏点。

该方法检测准确,精度较高,缺点是探测只能间断进行,易发生堵塞和停运的事故,而且造价较高。

6、　半渗透检测管法半渗透检测管法是将检漏管埋设在管道上方,一旦气体管道发生泄漏,安装在检测管一端的抽气泵持续地从管内抽气,并进入烃类检测器,如果检测到油气,则说明有泄漏发生。

但这种方法安装和维修费用相对较高。

另外,土壤中自然产生的气体可能会造成假指示,引起误报警。

美国谢夫隆管道公司在天然气管道上安装了这种检测系统(L ASP)。

7、　检漏电缆法检漏电缆法多用于液态烃类燃料的泄漏检测。

电缆与管道平行敷设,当泄漏的烃类物质渗入电缆后,会引起电缆特性的变化。

目前己研制的有渗透性电缆、油溶性电缆和碳氢化合物分布式传感电缆。

这种方法能够快速而准确地检测管道的微小渗漏及其渗漏位置,但必须沿管道铺设,施工不方便,而且发生一次泄漏后,电缆受到污染,在以后的使用中极易造成信号混乱,影响检测精度,如果重新更换电缆,将是一个不小的工程。

8、　GPS时间标签法GPS(全球定位系统)的基本定位原理是,卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息,用户接收到这些信息后,经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。

采用GPS同步时间脉冲信号,是在负压波的基础上强化各传感器数据采集的信号同步关系,通过采样频率与时间标签的换算分别确定管道泄漏点上游和下游的泄漏负压波的速度,然后,利用泄漏点上下游检测到的泄漏特征信号的时间标签差就可以确定管道泄漏的位置。

采用GPS进行同步采集数据,泄漏定位精度小于管道总长度的1%,比传统方法精度提高近3倍。

9、　体积或质量平衡法在正常运行状态下,管道的输入和输出质量应该相等,泄漏必然产生量差。

体积或质量平衡法是最基本的泄漏探测方法,可靠性较高。

由于管道泄漏定位算法对流量测量误差十分敏感,管道泄漏定位误差为流量测量误差的6～7倍,因此流量测量误差的减小可显著提高管道泄漏检测的定位精度。

提高流量计精度是一种简便可行的方法,北京大学的唐秀家教授于1996年首次提出了采用三次样条插值拟合腰轮流量计误差流动曲线,动态修正以腰轮流量计滑流量为主的计量误差的方法。

该方法能显著提高管道泄漏检测的灵敏度和泄漏精度。

10、　负压波当管道发生泄漏事故时,泄漏处立即发生物质损失,并引起局部密度减小,进而造成压力降低。

由于管道中流体不能立即改变流速,会在泄漏处和其任一端流体之间产生压差。

该压差引起液流自上而下流至泄漏处附近的低压区,液流立即挤占因泄漏而引起密度及压力减小的区域,在邻近泄漏区域和其上、下游之间又产生新的压差。

泄漏时产生的减压波就称为负压波。

设置在泄漏点两端的传感器根据压力信号的变化和泄漏产生的负压波传播到上下游的时间差,就可以确定泄漏位置。

该方法灵敏、准确,无需建立管道的数学模型,原理简单,适用性很强。

但该方法要求泄漏的发生是快速突发性的,对微小缓慢泄漏不是很有效。

基于负压波的传播理论,提出了两种定位方法,一是设计了一种能够快速捕捉负压波前锋到达压力测量点的波形特征点的微分算法,并基于此种算法进行漏点定位;二是将极性相关引入漏点定位技术,通过确定相关函数峰值点的方法,进行漏点定位。

这两种定位方法是对泄漏时的压力时间序列分别从微分和积分,从瞬态和稳・21・油　气　储　运 2007年　态两方面进行处理,提取特征值。

将这两种方法配合使用,相互参照,能够提高泄漏点定位的准确度。

目前,负压波法在我国输油管道上进行了多次试验,取得了令人满意的效果,但在输气管道上的试验并不多。

有文献指出,负压波法完全适合于气体管道的泄漏检测,ICI公司曾经使用负压波法在乙烯管道上进行过成功的试验。

使用压力波法时,应当选用只对负压波敏感的压力传感器(因为泄漏不会产生正压波),传感器应当尽量靠近管道,而且要设定合适的阈值,这样可以更好地抑制噪音。

11、　压力点分析法(PPA)PPA法是利用压力波原理发展的一种新型检漏方法,具有许多优点。

该方法依靠分析由单一测点取得数据,极易实现。

增添测点可改善性能,但在技术上不是必需的。

在站场或干线某位置上安装一个压力传感器,泄漏时漏点产生的负压波向检测点传播,引起该点压力(或流量)变化,分析比较检测点数据与正常工况的数据,可检测出泄漏,再由负压波传播速度和负压波到达检测点的时间进行漏点定位。

PPA具有使用简便、安装迅速等特点。

美国谢夫隆管道公司(CPL)将PPA法作为其管道数据采集与处理系统(SCADA)的一部分。

试验结果表明, PPA具有优良的检漏性能,能在10min内确定0.189m3/min的漏失量。

但压力点分析法要求捕捉初漏的瞬间信息,所以不能检测微渗。

该方法使用于检测气体、液体和某些多相流管道,己广泛应用于各种距离和口径的管道泄漏检测。

12、　压力梯度法压力梯度法是20世纪80年代末发展起来的一种技术,原理是,当管道正常输送时,站间管道的压力坡降呈斜直线,当发生泄漏时,漏点前后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。

压力梯度法只需要在管道两端安装压力传感器,简单而直观,不仅可以检测泄漏,而且可确定泄漏点的位置。

在实际运行中,考虑到管道沿线压力梯度呈非线性分布,而且仪表测量对定位结果有很大影响。

如果将压力梯度法定位作为一个辅助手段与其它方法一起使用,效果可能会更好。

13、　小波变换法小波变换即小波分析,是20世纪80年代中期发展起来的新的数学理论和方法,被称为数学分析的“显微镜”,是一种良好的时频分析工具。

利用小波分析可以检测信号的突变、去噪、提取系统波形特征、提取故障特征进行故障分类和识别等。

因此,可以利用小波变换检测泄漏引发的压力突降点并对其进行消噪,以此检测泄漏并提高检测的精度。

小波变换法的优点是不需要管道的数学模型,对输入信号的要求较低,计算量也不大,可以进行在线实时泄漏检测,克服噪声能力强,是一种很有前途的泄漏检测方法。

但应注意,此方法对于工况变化及泄漏引起的压力突降难以识别,易产生误报警。

14、　互相关分析法相关技术实质是在时延域中考察两个信号之间的相似性,包含自相关和互相关两个内容。

油气输送管道管壁一般都是弹性体,流体发生泄漏时,流体受压力喷射而诱发弹性波并沿管壁内传播。

检测管道某两点处的弹性波信号,分析其互相关函数,利用相关时延技术便可判定是否发生泄漏及泄漏的位置。

相关检漏技术是综合振动、测试、信号处理等许多学科知识的高新技术。

用互相关分析法检漏,定位灵敏、准确,只需检测压力信号,不需要数学模型,计算量小。

但它对快速突发性的泄漏比较敏感,对泄漏速度慢、没有明显负压波出现的泄漏很难奏效。

15、　应力波法管道因腐蚀和人为打孔原因而破裂时,会产生一个高频的振动噪声,该噪声以应力波的形式沿管壁传播,强度随距离按指数规律衰减。