油气管道泄漏检测技术发展现状.pdf

2 0 0 8年 第 1 期 管 道 Pi pe l i ne 技 术 Te c hn i qu e 设 各 Eq ui pme n t 2 0 08 No ．1 油气管道泄漏检测技术发展现状 王效东 ， 黄坤 ， 朱小华 ， 陆姚华 ， 迟宏佳 1 ． 西南石油大学 ， 四川成都6 1 0 5 0 0 ； 2 ． 中石油 西南油气销售分公司 ， 四川成都6 1 0 5 0 0 摘要 简单说明了油气长输管道泄漏的原因和泄漏的危害， 详细介绍了声发射技术法、 G P S时间标签法、 负压波法、 压 力点分析法、 压力梯度法、 状态估计法、 神经网络法和统计检漏法等几种管道泄漏检测技术方法， 最后指出了存在的问题 和发展 的趋势 。 关键词 油气长输 管道 ； 泄漏 ； 检测方法 ； 性能指标 中图分类号 T E 9 7 3 文献 标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 0 8 O l 一0 0 2 4 0 3 Pr e s e nt S t a t e o f t he De v e l o p me nt o f Oi l g a s Pi pe l i n e s Le a k-- de t e c t i o n Te c h no l o g i e s WA N G X i a o - d u n g ， HU A N G K u n ， Z HU X i a o h u a ， L U Y a o - h u a ， C H I H o n g - j i a 1 ． S o u t h we s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0， C h i n a ； 2 ．S o u t h w e s t Oi l G a s S a l e s B r a n c h o f P e t r o C h i n a ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I t b rie fl y e x p l a i n t h e r e a s o n s f o r t h e l e a k a g e o f o i l a n d g a s p i p e l in e s a n d d a n g e r o f l e a k age ， and ma k e s a d e t a i l e d a c - c o u n t o f s e v e r a l p i p e l i n e l e a k d e t e c t i o n me t h o d s l i k e t h e a c o u s t i c e mi s s i o n t e c h n i q u e，GP S l a b e l i n g ， n e g a t i v e p r e s s u r e wa v e ， p r e s - s u r e w a v e ， s t a t e e s t i ma t i o n， n e u r a l n e t wo r k s a n d s t a t i s t i c al d e t e c t i o n me t h o d， e t c ， p o i n t i n g o u t t h e e x i s t i n g p r o b l e ms a n d the d e v e l o pme a tal t r e nd ， Ke y wo r dso i l a nd g a s l o n g d i s t a nc e pi pe l i ne； l e a k； i ns pe c t me t ho d； c a pa bi l i t y t a r g e t 1 泄漏检测技术方法 根据检测过程中所使用的测量手段不同， 分为基于硬件和 软件的方法； 根据测量分析的媒介不同， 可分为直接检测法与 间接检测法 ； 根据检测过程中检测装置所处位置不同， 可分为 内部检测法与外部检测法； 根据检测对象的不同， 可分为检测 管壁状况和检测内部流体状态的方法。 1 ． 1 声发射技术 法 当管道发生泄漏时， 流体通过裂纹或者腐蚀孔向外喷射形 成声源， 然后通过和管道相互作用， 声源向外辐射能量形成声 波， 这就是管道泄漏声发射现象。对这些因泄漏引起的声发射 信号进行采集和分析处理 ， 就可以对泄漏以及其位置进行判 断。 当管道出现泄漏时 ， 管道中的流体被扰动， 接收换能器上 的电压将发生明显变化。通过采集若干个泄漏点电压变化量， 描绘出泄漏点与电压变化量的关系曲线， 并求出曲线对应的方 程。用这种方法， 可以根据接收换能器上检测仪表电压的变化 立即发现泄漏， 进而根据拟合曲线或方程确定泄漏点的位置。 根据声速在介质中传播速度的公式可知， 随着液体密度的增 大， 其声速也将增大。例如， 声波在水中的传播速度大约是在 空气中的5倍。由于原油的密度比水大， 因而原油中的声速远 远大于在空气中的声速， 所以利用超声波实时监测输油管道的 基金项 目 四川省重点学科 建设项 目 S Z D 0 4 1 6 ； 西南石 油大学研究 生 院“ 创新基金” 资助项 目 c x j j 2 7 0 2 6 收稿 日期 2 0 0 6 0 60 5 收修改稿 日期 2 0 0 7 0 8 0 6 运行响应速度快、 灵敏度高。 利用压电陶瓷制作 的换 能器 成本 低 、 功耗 小 ， 通过换 能器 所产生的超声波在液体中形成驻波， 减少能量的损失， 谐振信 号强， 有利于观察与记录。在实验室中， 通过测量得到不同泄 漏点位置所对应的电压信号， 描绘出泄漏点位置与电压信号变 化量的曲线， 进而得到其拟合曲线以及 函数表达式 ， 即可实时 观测管道的运行， 发现并确定泄漏点的位置⋯。 1 ． 2 G P S时间标签法 采用 G P S同步时问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， 通过采样频率与时问标签的 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 G P S进行 同步采 集数据 ， 泄 漏定位精度可达到总管线长度的 1 ％之内， 比传统方法精度提 高近 3倍 。 1 ． 3 负压波法 当管道发生泄漏事故时， 在泄漏处立即有物质损失， 并引 起局部密度减小， 进而造成压力降低。泄漏时产生的减压波被 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， 无需建立管线的数学模型， 原理简 单， 适用性很强。但它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 能够快速 捕捉负压波前峰到达压力测量点的波形特征点的微分算法， 并 维普资讯 第 1 期 王效东等 油气管道泄漏检测技术发展现状 2 5 基于此种算法进行漏点定位； 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 稳态两方面进行处理， 提取特征值。这两种方法配合使用， 能 够提高泄漏点定位的准确度。 目前， 负压波法在国内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。文献[ 3 1 0 ] 指出， 负压波法完全适合于气体管道的泄漏检测，I C I 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 。 1 ． 4 压力点分析法 P P A 该方法是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可进 行漏点定位。P P A具有使用简便 、 安装迅速等特点。美国谢夫 隆管道公司 C P L 将 P P A法作为其管道数据采集与处理系统 S C A D A 的一部分。试验结果表明 P P A具有优 良的检漏性 能， 能在 1 0 mi n内确定 5 0 g a l ／ m i n 1 g a l 3 ． 7 8 5 L 的漏失。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。 该方法适用于检测气体 、 液体和某些多相流管道， 已广泛应用 于各种距离和口径的管道泄漏检测。 1 ． 5 压力梯度法 该方法原理是 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、 直观， 不仅可以检测泄漏， 而 且可确定泄漏点的位置。但因为管道在实际运行中， 沿线压力 梯度呈非线性分布， 因此压力梯度法的定位精度较差 ， 而且仪 表测量对定位结果有很大影响。所 以压力梯度法定位可以作 为一个辅助手段 。 针对线性压力梯度法定位精度差的问题 ， 国内学者提出了 不等温长输管道泄漏定位的方法。通过建立反映管道沿程热 力变化的水力和热力综合模型， 找到更能反映实际情况的非线 性压力梯度分布规律 ， 进行泄漏定位。此方法对原油 或其他 流体 在黏度、 密度、 比热容等特性方面随着沿程温度下降有较 大变化的管道显示出很大的优越性， 但该方法需要流量信号， 而且需要建立较复杂的数学模型， 增加了计算量 。 。⋯。 1 ． 6 状态估计法 该方法根据质量平衡方程、 动量平衡方程、 能量平衡方程 及状态方程等机理建模。得到一个非线性的分布式参数系统 模型， 通常可采用差分法或特征线法等方法将其线性化。设计 状态估计器对系统状态进行估计， 将估计值作为泄漏检测的依 据， 这就是基于状态估计的方法的基本原理。其中估计器可以 是观测器， 也可以是 K a l ma n滤波器。根据建立模型的方法， 状 态估计法可分为不包含故障的模型法和包含故障的模型法。 1 ． 6 ． 1 不 包含故障的模型法 基本思路是 建立管道模型并设计估计器， 模型中不含有 泄漏的信息。当泄漏发生时， 模型估计值与实际测量值将产生 残差， 可用残差信号来进行检测定位。 1 ． 6 ． 2包含故障的模型法 基本思路是 建立管道模型时预先假设管道有几处指定的 位置发生了泄漏， 通过对系统的状态估计得到这几个预先假设 的泄漏点的泄漏量估计值 ， 运用适当的判别准则便可进行泄漏 检测和定位。 该方法在长9 0 k m、 内径 7 8 5 m m的气体管道上， 在 8 0 mi n 内可检测出2 ％的泄漏量， 并在 1 0 0 mi n内可完成定位， 定位精 度比较高。但当实际泄漏点不处于指定泄漏点之间时， 定位公 式将无法使用。对于气体管道， 检测速度相对较慢， 仍需设置 流量计 ． f - t2 ] 。 1 ． 7 神经网络法 由于有关管道泄漏的未知因素很多， 采用常规数学模型进 行描述存在较大困难， 用于泄漏检测时， 常因误差很大或易漏 报误报而不能用于工业现场。基于人工神经网络检测管道泄 漏的方法， 不同于已有的基于管道准确流动模型描述的泄漏检 测法， 能够运用自适应能力学习管道的各种工况， 对管道运行 状况进行分类识别， 是一种基于经验的类似人类的认知过程的 方法。试验证明 这种方法是十分灵敏和有效的。理论分析和 实践表明 这种检漏方法能够迅速准确预报出管道运行情况， 检测出管道运行故障并且有较强的抗恶劣环境和抗噪声干扰 的能力。泄漏引发应力波适当的特征提取指标能显著提高神 经网络的运算速度 I 6 。 1 ． 8 统计检漏法 该方法采用一种“ 顺序概率测试”S e q u e n t i a l P r o b a b i l i t y R a t i o T e s t 假设检验的统计分析方法， 从实际测量到的流量和 压力信号中实时计算泄漏发生的置信概率。在实际统计上， 输 入和输出的质量流通过流量变化I n v e n t o r y V a ri a t i o n 来平衡。 在输入的流量和压力均值与输出的流量和压力均值之间会有 一 定的偏差， 但大多数偏差在可以接受的范围之内， 只有一小 部分偏差是真正的异常。通过计算标准偏差和检验零假设， 对 偏差的显著性进行检验， 来判断是否出现故障。泄漏发生后 ， 采用一种最小二乘算法进行定位 。 2 存在 的问题及发展趋势 2 ． 1 存在的问题 一 个高效可靠的管道泄漏检测与定位系统 ， 必须在发生微 小的泄漏时， 能在最短的时间内， 正确地报警 准确地指出泄漏 位置， 并较好地估计出泄漏量， 而且对工况的变化适应性要强， 即泄漏检测与定位系统误报率 、 漏报率低， 鲁棒性强， 还应便于 维护。在实际工程设计中， 首先要正确分析工况条件及最终性 能要求 ， 明确各性能要求的主次关系， 然后从众多的泄漏检测 方法中进行分析， 经过适当权衡和取舍， 最后选定最优解决方 案 ] 。 维普资讯 2 6 P i p e l i n e T e c h n i q u e a n d E q u i p me n t J a n ． 2 0 0 8 长输管道的泄漏检测与定位在工程实践中已取得 了很大 进步， 同时也暴露 了许多问题。例如， 长输管道的小泄漏检测 和定位仍是重点问题； 增强泄漏检测和定位系统的自适应能力 和自学习能力； 将多种方法有机的结合起来进行综合诊断， 发 挥各自的优势， 从而提高整个系统的综合诊断性能； 有效解决 长输管道的非线性分布参数的时间滞后问题等。 2 ． 2 发展趋势 目前的泄漏检测和定位手段是多学科多技术的集成， 特别 是传感器技术、 模式识别技术、 通信技术、 信号处理技术和模糊 逻辑、 神经网络、 专家系统 、 粗糙集理论等人工智能技术等的发 展， 促进了泄漏检测定位方法的实现。可对流量 、 压力、 温度、 密度、 黏度等信息进行采集和处理， 通过建立数学模型、 信号处 理、 神经网络的模式分类， 或通过模糊理论对检测区域或信号 进行模糊划分， 利用粗糙集理论简约模糊规则， 从而提取故障 特征等基于知识 的方法进行检测和定位 。 2 ． 2 ． 1 实现 自适应 实际的输送管道是非线性时变参数系统，因此 自适应算法 的应用是液体输送管道泄漏检测技术研究的一个重要内容。 由于人工神经网络具有并行分布、 容错性、 自组织、 自联想、 自 学习和 自适应等许多特点， 因此在设备故障预测、 监测和诊断 领域的应用广泛， 它也被用于输送管道泄漏的检测。但基于人 工神经网络的检漏法仍处于试验阶段， 还有许多有待解决的问 题 。 2 ． 2 ． 2滤 波 方 法 实际输送管道的泄漏检测信号 如压力中混杂着大量的 噪声， 这些工程背景噪声的幅度有时甚至可以将泄漏产生的有 用信号淹没。因此， 有效的滤波方法是液体输送管道泄漏检测 技术研究的一个重要内容。 2 ． 2 ． 3虚拟仪器技 术 由于液体输送管道泄漏检测的多样性和复杂性， 单一的泄 漏检测方法很难同时满足检测泄漏灵敏度、 定位准确度、 误报 警率和及时报警等多项要求。为 了提高输送管道泄漏检测的 准确性和可靠性 ， 应将各种泄漏检测方法有机结合， 可使用虚 拟仪器技术。因此， 虚拟仪器技术的应用是液体输送管道检测 技术的一个重要内容。利用虚拟技术，综合各种泄漏检测方 法， 通过开发不同的测试和分析软件模块，可以灵活、 方便地 构成以计算机为核心的全数字化的输送管道自动监控系统， 系 统将成为集测试、 信号转换 、 数据分析和网络通信等为一体的 综合性监控系统。这种系统模式将具有成本低、 研制周期短以 及系统的功能可增加和升级等显著特点。 2 ． 2 ． 4 其他 将建立管道的数学模型和某种信号处理方法相结合； 将管 外检测技术和管内检测技术相结合 ； 将智能方法引入检测和定 位技术实现智能检测、 机器人检测和定位等。 3结束语 综上所述， 泄漏检测方法很多， 一条管道要选用哪种泄漏 监测或检测方法则需要根据管道的设计参数 、 传输介质的参 数、 设备的经济性和数据通讯能力来综合选择， 没有一种单一 的泄漏监测或检测方法可适用任何管道。目前， 对于液体长输 管道的泄漏监测 ， 负压波方法应用最广； 而对于气体长输管道 的泄漏监测 ， 声波法应用最广。 无论采用何种方法， 都要提高对微小的缓慢泄漏量检测的 灵敏度以及对泄漏点定位的精度。在现有条件下， 要按照科学 的最佳管道泄漏检测与定位方法技术组合的方案， 在现场运用 中考虑各种检漏方法的特点， 继续开发运用新型高效管道泄漏 检测和定位的自动化技术方法， 迅速、 准确、 及时地采用恰当措 施发现 、 控制和解决险情 ， 更好地保护和改善环境， 保障人们的 生命财 产安 全。 参考文献 [ 1 ] 崔中兴 ， 李松梅 ， 刘文 ， 等． 油气管道声 波法测漏技术 ． 油气储运 ， 2 0 0 2 ， 2 1 7 3 5 3 7 ． [ 2 ] 夏海波．基于 G P S时间标签 的管道泄漏定位方法．计算机测量与 控制 ， 2 0 0 3 ， 1 1 3 1 6 11 7 6 ． [ 3 ] 靳世久 ， 姜 弘彦． 强 环境下 噪声 地 下管道 泄漏检测 ． 天 津大学 学 报， 1 9 9 4， 2 7 6 7 8 27 8 7 ． [ 4 ] 吴海 霞， 蒋耘晨 ， 赵显利． 运用虚拟仪器实现输油管道 泄漏监测 和 定位 ． 北京理工大学学报 ， 2 0 0 4， 2 4 2 1 7 41 7 7 ． [ 5 ] 朱芸 ． 天然气长输管道泄漏检测 与定位方法研究 【 学位论文] ． 兰 州 兰州理工大学 ， 2 0 0 5 ． [ 6 ] 李炜 ， 朱芸 ．长输 管线泄 漏检测 与定位方法 分析．天然 气工业 ， 2 0 0 5 ， 2 5 6 1 0 51 0 9 ． [ 7 ] 张晓钟． 油 品储 运检 测 诊断技 术综 述． 油气储 运 ， 1 9 9 5 ， 1 4 6 4 44 7 ． [ 8 ] 李爱英 ， 王凯全 ， 邵辉． 管 道泄漏监测技 术及其研究 进展． 江苏 石 油化工学院学报 ， 2 0 0 2 ， 1 4 4 1 41 7 ． [ 9 ] 苏欣 ， 袁 宗明． 油气 长输管 道检 漏技 术综 述． 石 油化 安 全技 术， 2 0 0 5 ． 2 1 4 1 41 7 2 6 ． [ 1 O] 恩斌 ， 彭善碧 ， 李长俊 ． 现代管道泄漏检测技术探讨． 管道技术 与设备 ， 2 0 0 4 5 1 7 1 9 ． [ 1 1 ] 董东 ， 王桂增． K r n a n滤波器在 长输 管道泄漏诊 断 中的应用．自 动化学报 ， 1 9 9 0， 1 6 4 3 0 3 3 0 9 ． [ 1 2] 陶洛文． 以辨识 为 基础 的长输 管线 故 障定位 ． 清 华大 学学 报 ， 1 9 8 6， 2 6 2 6 97 5 ． [ 1 3 ] 唐 秀家 ， 彦大春． 基于神 经网络 的管道泄漏检测 仪器及方 法． 北 京 大学学报 ， 1 9 9 7 ， 3 3 3 3 1 9 3 2 6 ． [ 1 4] 伦淑娴 ， 张化光 ， 冯健．自适应模糊 神经网络系 统在管道泄漏 检 测 中的应用． 石油学报， 2 0 0 4， 2 5 4 1 0 11 0 4 ． [ 1 5 ] 张连文 ． 管道泄 漏检测技 术及评 价． 油气 田地 面工 程 ， 2 0 0 3 ， 2 2 4 1 3 ． 【 1 6 ] 常景龙 ， 李铁． 输气管道泄漏检测技术的优化 和选择 ． 油 气储运 ， 2 0 0 0， 1 9 5 91 3 ； 1 7 ． [ 1 7 ] 付道明， 孙军， 贺志刚， 等． 国内外管道泄漏检测技术研究进展． 石油机械 ， 2 0 0 4 ， 3 2 3 4 8 5 1 ． 作者简介 王效东 1 9 8 1 一 ， 硕 士研究 生， 研究方 向为油气 管 网数值 模 拟及 自动控制系统研究 。 维普资讯