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長輸油氣管道泄漏檢測技術(shù)綜述

文檔作者：陳春剛王毅楊振坤文檔來源：西安交通大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月26日
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長輸油氣管道泄漏檢測技術(shù)綜述
陳春剛王毅楊振坤
（西安交通大學(xué)）
摘要隨著石油、天然氣工業(yè)的不斷發(fā)展，管道輸送在國民經(jīng)濟(jì)中地位越來越重要。長輸管道在
運(yùn)行中的泄漏既造成資源的損失，也污染了環(huán)境，是一個急需解決的問題。本文介紹了長輸管道泄漏檢
測技術(shù)的現(xiàn)狀，指出以軟件為基礎(chǔ)的實(shí)時瞬變模型法和統(tǒng)計(jì)決策方法以及光纖傳感器泄漏檢測方法有
著良好的發(fā)展前景。
主題詞長輸管道泄漏檢測
管道技術(shù)在石油、天然氣等輸送中有著獨(dú)特的優(yōu)
勢。隨著西部油田的開發(fā)和“西氣東輸”工程的進(jìn)行，
管道運(yùn)輸將會在我國國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)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(zhì)的腐蝕以及其它破壞因素，會引起管道泄漏。
例如泵站的開關(guān)所帶來的應(yīng)力、壓力控制閥的誤操作、
處于腐蝕環(huán)境下管道的老化、埋管土壤潮濕及溫度變
化、通過公路時受壓過大、人為的破壞等等都是常見的
原因［!］。
石油、天然氣管道的泄漏不僅導(dǎo)致了資源的損失，
同時極大地污染了環(huán)境，甚至發(fā)生火災(zāi)爆炸，嚴(yán)重威脅
人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。因此，對石油管道泄漏檢測技
術(shù)的研究，是一個有實(shí)際意義的工作。
根據(jù)工作原理的不同，長輸管道泄漏檢測主要方
法如圖! 所示。
! 聲波、負(fù)壓波、應(yīng)力波檢測
!"! 聲波檢測法
當(dāng)管道發(fā)生泄漏時，在泄漏點(diǎn)處會產(chǎn)生噪音。通
過設(shè)置好的傳感器可以接受到這種聲波，從而探測泄
漏，并進(jìn)行定位。傳統(tǒng)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(shù)的發(fā)展，已開發(fā)出
連續(xù)型光纖傳感器進(jìn)行泄漏噪聲檢測。據(jù)有關(guān)報(bào)道，
單根光纖的檢測距離就可以達(dá)到#$ %&amp;amp;，這樣一根光
纖就可以替代大量的傳統(tǒng)傳感器，降低了成本；而且連
續(xù)型傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比也提高了檢測能力。
!"’ 負(fù)壓波檢測法
在管道發(fā)生突然泄漏時，由于泄漏部位會產(chǎn)生一
個向上游或下游傳播的減壓波，稱之為負(fù)壓波。如果
在管道兩端設(shè)置壓力傳感器檢測到負(fù)壓波，就可以判
斷泄漏并對泄漏進(jìn)行定位。應(yīng)用負(fù)壓波檢測法的關(guān)鍵
是區(qū)分正常操作與泄漏帶來的負(fù)壓波。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(fù)壓波信號濾除。國
內(nèi)有人提出了用結(jié)構(gòu)模式識別的辦法，根據(jù)發(fā)生泄漏
與正常操作產(chǎn)生的負(fù)壓波形狀不同來確認(rèn)泄漏［’］。負(fù)
壓波檢測法可以迅速檢測出大的泄漏，但是對于比較
小的泄漏或已經(jīng)發(fā)生的泄漏效果不佳。
!"( 應(yīng)力波檢測法
管道中流體泄漏時會引起實(shí)測管道應(yīng)力波信號功
率譜的變化，可以通過分析這種變化來檢測泄漏。由
于影響管道應(yīng)力波傳播的因素很多，在實(shí)際中很難用
解析的方法準(zhǔn)確描述出管道振動。有人提出使用神經(jīng)
網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)管道正常信號與泄漏信號進(jìn)而對管道的泄漏
進(jìn)行判斷［(］。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還具有在線學(xué)習(xí)能力，能不斷
地改變自身網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，更好地監(jiān)控管道運(yùn)行情況。
’ 管內(nèi)智能爬機(jī)
)’ 石油與天然氣化工 ’$$’
爬機(jī)在管道工業(yè)中廣泛使用，如果配置各種傳感
器，就能組成智能爬機(jī)檢測系統(tǒng)。目前利用爬機(jī)可以
檢測管內(nèi)的壓力、流量、溫度以及管壁的完好程度。爬
機(jī)可以分為兩類：超聲波檢測器和漏磁通檢測器。應(yīng)
用較多的是漏磁通檢測器，即將爬機(jī)放入管內(nèi)，它就會
在流體的推動下運(yùn)動到下游，同時收集有關(guān)管內(nèi)流動
和管壁完好程度的信息。對記錄在爬機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行
處理后，可以得到很多信息，同時也可以判斷管道是否
泄漏。
國外此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并用于各種管道當(dāng)
中。它的作用不僅在于泄漏檢測，而且是綜合型的管
道檢測系統(tǒng)。但是爬機(jī)只適用于那些沒有太多的彎頭
和聯(lián)接處的管道，它的操作需要有豐富的經(jīng)驗(yàn)。此外，
爬機(jī)系統(tǒng)價格非常昂貴，也不適于我國的高粘原油。
! 地面間接檢測方法
!"# 熱紅外成像
為了降低原油的粘性，通常是在輸運(yùn)之前對原油
進(jìn)行加熱。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時，周圍的土壤便浸泡在
泄漏的原油中，這時土壤的溫度會上升。這種溫度的
變化可以通過紅外輻射的不同來感知。檢測時，將管
道周圍土壤正常溫度分布圖記錄在計(jì)算機(jī)中，用直升
機(jī)在空中實(shí)時采集管道周圍土壤溫度場情況，通過對
兩者的比較來檢測泄漏。熱紅外成像的缺點(diǎn)是對管道
的埋設(shè)深度有一定的限制，具有關(guān)資料［#］介紹，當(dāng)直升
機(jī)的飛行高度為!$$ % 時，管道的埋設(shè)深度應(yīng)當(dāng)在&amp;amp; %
之內(nèi)。
!"’ 探地雷達(dá)
探地雷達(dá)（()*）將脈沖發(fā)射到地下介質(zhì)中，通過
接收反射信號探測地下目標(biāo)。由于電磁波在介質(zhì)中的
傳播與通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)有關(guān)，故通過時
域波形的處理和分析可探知地下物體。當(dāng)管道內(nèi)的原
油發(fā)生泄漏時，管道周圍介質(zhì)的電性質(zhì)會發(fā)生變化，從
而反射信號的時域波形也會發(fā)生變化，根據(jù)波形的變
化就可以檢測到管道是否發(fā)生了泄漏。應(yīng)用探地雷達(dá)
探測時，物體必須有一定的體積，因此這種方法不適用
于較細(xì)的管道。而且用探地雷達(dá)探測泄漏時，與管道
周圍的地質(zhì)特性有關(guān)，地質(zhì)特性的突變對圖象有很大
的影響，這也是應(yīng)用中的一個難點(diǎn)。
!"! 氣體成像
在輸氣管道泄漏檢測中，氣體成像技術(shù)也是一個
比較有效的方法。以前氣體成像的原理主要是根據(jù)背
景吸收氣體成像和紅外輻射吸收技術(shù)。設(shè)備比較笨
重，需要大型的激光器。近年來，開發(fā)了一種稱之為
“紋影”的技術(shù)，即采用空氣中光學(xué)折射成像原理檢漏。
其設(shè)備輕巧、使用方便，還能提供有關(guān)泄漏量的指示。
+ 嗅覺傳感器
嗅覺傳感器技術(shù)是新穎的技術(shù)。隨著傳感器技術(shù)
的發(fā)展，人們已經(jīng)制造出對某種化學(xué)物質(zhì)特別敏感的
傳感器，再借助于計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代信號處理技術(shù)可以大
大地提高檢測的靈敏度和精確度。
將嗅覺傳感器應(yīng)用于管道檢測還是一項(xiàng)不大成熟
的技術(shù)?？梢詫⑿嵊X傳感器沿管道按一定的距離布
置，組成傳感器網(wǎng)絡(luò)對管道進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。當(dāng)發(fā)生泄
漏時，對泄漏物質(zhì)非常敏感的嗅覺傳感器就會發(fā)出報(bào)
警。
, 光纖傳感器
光纖傳感器是近年來發(fā)展的一個熱點(diǎn)，它在實(shí)現(xiàn)
物理量測量的同時可以實(shí)現(xiàn)信號的傳輸，在解決信號
衰減和抗干擾方面有著獨(dú)特的優(yōu)越性。
用光纖傳感器檢測管道泄漏的方法是根據(jù)管道中
輸送的熱物質(zhì)泄漏會引起周圍環(huán)境溫度的變化，利用
分布式光纖溫度傳感器連續(xù)測量沿管道的溫度分布，
當(dāng)沿管道的溫度變化超過一定的范圍，就可以判斷發(fā)
生了泄漏。
此外，隨著各種分布式光纖傳感器的發(fā)展，未來可
以實(shí)現(xiàn)利用一根或幾根光纖對油氣管線內(nèi)介質(zhì)的溫
度、壓力、流量、管壁應(yīng)力進(jìn)行分布式在線測量，這在管
道監(jiān)控系統(tǒng)中將極具應(yīng)用潛力［+］。
&amp;amp; 實(shí)時瞬變模型及統(tǒng)計(jì)決策方法
隨著管道-./0/（12345671859 :8;<58= >;? ?><> >:@27A
17<78;）系統(tǒng)的發(fā)展，一些以軟件為基礎(chǔ)的檢測方法，特
別是管道實(shí)時瞬變模型法或統(tǒng)計(jì)決策方法，表現(xiàn)出了
良好的發(fā)展前景。
&amp;amp;"# 瞬變模型法
瞬變模型法是建立管內(nèi)流體流動的數(shù)學(xué)模型，在
一定邊界條件下求解管內(nèi)流場，然后將計(jì)算值與管端
的實(shí)測值相比較。當(dāng)實(shí)測值與計(jì)算值的偏差大于一定
范圍時，即認(rèn)為發(fā)生了泄漏。在泄漏定位中使用穩(wěn)態(tài)
模型，根據(jù)管道內(nèi)的壓力梯度變化可以確定泄漏點(diǎn)的
位置。瞬變模型法的報(bào)警門限值與測量儀器誤差、流
動模型誤差、數(shù)值方法誤差以及要求的報(bào)警時間有
關(guān)［,］。如果采用較小門限值來檢測更小的泄漏，那么
由于以上原因?qū)е碌牟淮_定性就會產(chǎn)生更多的誤報(bào)
警；如果要求低的誤報(bào)警率，那么所能檢測到的最小的
泄漏必然變大。誤報(bào)警率高是瞬變模型法在實(shí)際應(yīng)用
第 !#卷 第 #期 長輸油氣管道泄漏檢測技術(shù)綜述 ,!
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中的一個難以解決的問題。
!"# 統(tǒng)計(jì)決策法
統(tǒng)計(jì)決策方法是殼牌公司開發(fā)出的一種新型的管
道檢漏方法［!］。它使用序貫概率比檢測（$%&amp;amp;’）的方
法對實(shí)測的壓力、流量值進(jìn)行分析，連續(xù)計(jì)算發(fā)生泄漏
的概率，并利用最小二乘法進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位。該方法
使用統(tǒng)計(jì)決策論的觀點(diǎn)較好地解決了瞬變模型中誤報(bào)
警的問題，而且不用計(jì)算復(fù)雜的管道模型，降低了計(jì)算
上的復(fù)雜性。統(tǒng)計(jì)泄漏檢測系統(tǒng)還具有在線學(xué)習(xí)能
力，可以適應(yīng)管道參數(shù)的變化。同時，該系統(tǒng)還能檢測
儀表故障，進(jìn)一步提高了可靠性。統(tǒng)計(jì)決策法在實(shí)際
使用中取得了良好的效果［! ( )］。
) 結(jié)論
綜上所述，各種管道泄漏檢測技術(shù)都有其優(yōu)勢與
缺陷，單純的應(yīng)用一種方法對泄漏進(jìn)行監(jiān)測很難達(dá)到
令人滿意的程度。成功的管道泄漏檢測系統(tǒng)應(yīng)綜合運(yùn)
用多種檢漏方法。
對于石油、天然氣這類經(jīng)濟(jì)價值較高，泄漏時危險
性也較大的物質(zhì)，基于$*+,+ 系統(tǒng)的連續(xù)的泄漏監(jiān)測
系統(tǒng)是必不可少的。通過表- 對瞬變模型法與統(tǒng)計(jì)決
策法的比較，可以看出統(tǒng)計(jì)方法有更好的使用效果。
表- 瞬變模型法與統(tǒng)計(jì)決策法的對比

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