油气管道泄漏检测技术.pdf

2 00 8正 第 5期 管 技 术 5 设 各 Pi p el i n e Te c h ni qu e a nd Equ i p me nt 2 0 0 8 NO ． 5 油气管道泄漏检测技术 郝 明武 ， 史徐武 1 ． 中国石油天然气第一建设公司， 河南洛阳1 3 8 0 0 0 ； 2 ． 北京市煤气工程有限公司， 北京1 0 0 0 2 5 摘要 油气管道运输在国民经济中占有重要的地位， 而管道泄漏危害严重。因此， 选择合适的安全监测和泄漏诊 断方 法， 在线实时动态跟踪管道运行状况， 准确报告管道泄漏位置将是保障油气管道安全运行的重要步骤。文中总结了目前 国内外常用的油气管道泄漏检测技术， 并对其发展方向进行了说明。 关键词 油气管道； 泄漏； 检测 中图分类号 T E 9 7 3 ． 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 0 8 0 5 0 0 2 1 0 2 Oi l a n d Ga s P i p e l i n e Le a k De t e c t i o n Te c h n o l o g i e s HAO Mi n g ． W U ， S HI X u ． W U 1 ．C h i n a P e t r o l F i r s t C o n s t r u c t i o n Co r p o r a ti o n， L u o y a n g 1 3 8 0 0 0 ， C hin a ； 2 ． B e i j i n g Ga s E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． ， B e l i i n g 1 0 0 0 2 5 ， C h i n a ． Ab s t r a c t O i l ＆ g a s p i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o n p l a y s a s t r a t e g i c r o l e i n t h e n a t i o n a l e c o n o my ． Ho w e v e r ，p i p e l i n e l e a k s s e ri o u s l y e n d a n g e r t h e n a t u r a l e n v i r o n me n t a s we l l a s h u ma n l i f e a n d p r o p e r t y ．I t i s an i mp o rta n t s t e p t o ma k e t h e o i l＆ g as p i p e l i n e s a f e ． S O t h e c h o i c e o f a n a p p r o p ri a t e s e c u rit y mo n i t o rin g＆ l e a k d i a g n o s i s me t h o d． a d y n a mi c t r a c k i n g f o r t h e p i p e l i n e r u n n i n g o n l i n e＆ i n t i me a n d a n a c c u r a t e r e p o rt o n t h e l e a k l o c a t i o n s e e m n e c e s s a r y a t p r e s e n t ．I t s u mma ri z e s t h e c u r r e n t c o mmo n l y - u s e d d o me s t i c a n d i n t e r n a t i o n al t e c h n o l o g i e s o f 0 i l＆ g a s p i p e l i n e l e a k d e t e c t i o n．and p o i n t s o u t i t s d e v e l o p me n t d i r e c t i o n ． Ke y wo r d s o i l＆ g a s p i p e l i n e； l e a k； d e t e c t i o n 0 引言 根据测量手段、 测量媒介、 检测装置所处的位置和检测对 象的不同， 油气管道泄漏检测方法大体上可分为直接检测法与 间接检测法⋯ 、 基于硬件与软件的检测法 J 、 内部检测法与外 部检测法 J 、 监测管壁状况和监测内部流体状态的方法 。文 中结合工程实际， 列举了部分 国内外常用的检测方法 ， 并对其 发展方向展开了说明。在实际工程应用中， 单一的检测方法无 法满足 实际工况 ， 需要将多种方 法综合利用 ， 以满足现场需求 。 1 泄漏检测方法 1 ． 1 负压 波法 当管道某处突然发生泄漏时， 泄漏处将因流体物质损失而 引起局部液体密度减小 ， 出现瞬态压力突降， 形成一个负压波。 该负压波以一定的速度向管道两端传播 ， 而管壁则像一个波导 管， 压力波传播时衰减很小， 可以传播很远。经过若干时间后， 分别传到上下游， 上下游压力传感器捕捉到特定的瞬态压力波 形就可以进行泄漏判断。如果能够准确确定上下游端压力传 感器接收到此压力信号的时间差， 根据负压波的传播速度就可 以确定 泄漏点。 负压波传播的速度近似于流体中的声速， 在原油管道中约 为1 2 0 0 m ／ s ， 在气体管道中约为 3 2 0 m ／ s ， 可以事先测量出来。 但实际上， 负压波的传播速度是一个变化的物理量 ， 受液体的 弹性、 密度 ， 管材弹性以及温度等因素的影响而时刻变化， 因此 准确计算负压波速将是定位准确的关键。 收稿 日期 2 0 0 8 0 21 9 收修改稿 日期 2 0 0 80 41 1 该方法灵敏准确， 无需建立管线的数学模型， 原理简单， 适 用性强 ， 目前在国内得到广泛研究。 1 ． 2音波法 音波检测法的原理是 利用音波传感器检测沿管道介质传 播的音波信号， 然后进行泄漏信号的检测和泄漏点的定位。如 图 1 所示， 在输气管道发生泄漏的瞬间， 管道压力平衡遭到破 坏， 造成系统流体弹性力量的释放， 引起瞬间音波振荡。在泄 漏点音波有很宽的频率范围 可高达 1 G H z ， 属于连续声发射 信号， 实际成分 由次声波、 声波和超声波组成， 但绝大多数是相 对高频部分 1 7 5 7 5 0 k H z 。泄漏音波信号在传播过程中， 信 号的高频部分在纵向方向上衰减很快 ， 低频部分能够进行远距 离传播。音波法和负压波法具有相同形式的定位公式， 因此其 中的关键在于音波波速的确定 以及泄漏信号传播到上下游传 感器准确时间差的确定， 目前国内外有很多文献对其有研究， 但由于天然气管道经过的地形环境复杂 ， 不易准确计算 出音波 速度。因此 ， 这也是运用音波法泄漏定位研究的难点所在。同 时， 由于音波信号信噪 比很低 ， 如何通过选用合适的传感器以 及有效滤波方法进行降噪处理 ， 提取微弱特征信号， 找到信号 突变拐点， 计算准确时间差也是一项难点。 1 ． 3 瞬变流模 型法 管道材料的压限直接影响着管内天然气运行压力， 尤其是 瞬变流情况。为了获得最大经济效益 ， 管道常常运行在最大允 许压力状态， 此时摩擦压力损失等将达最小值。瞬变流模型法 就是对天然气各种状态量进行实时数值模拟 ， 以此来进行泄漏 定位判断。建立起来的数学模型参数包括 瞬时流量 、 瞬时压 2 2 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 S e p ． 2 0 0 8 图 1青 波 法 定位 原理 图 力、 瞬时温度等。该法是 目前输油管道泄漏检测准确性 、 可靠 性较高的一种方法。 由于气温变化 如寒流等 、 下游 如城市燃气消费等 需 求变化而导致天然气管道调节频繁， 因此利用瞬变流模型进行 数值模拟， 可以提供一套完整的操作流程 ， 如根据气体压力变 化提示人员进行何种操作 如储气调峰等 。同时， 实时观察流 量， 根据流量差可以判断是否发生泄漏。该法适 合于大泄漏判 断， 对于小泄漏检测不够灵敏。 瞬变流模型法已广泛使用， 最常见的就是 S C A D A系统。 通过分析 S C A D A系统上的数据来判断是否发生泄漏。S C A D A 系统只能检测到超过 0 ． 5 ％流量的泄漏， 不适合缓慢泄漏的检 测 。 1 ． 4 化学溢 出物检测法 化学溢出物检测法是一种常用的管道泄漏检测技术。它 的基本原理是利用基于吸收光谱学 、 激光效应 、 浮质检 测 、 表 面 油料探测的化学传感器， 加上雷达跟踪 、 卫星定位来进行管道 泄漏的检测。这些传感器可以安装在管道的表面、 飞行器 中、 遥控水下机器人中或者地面测量中， 用来识别化学溢出物 主 要是天然气 的成分。因此， 检测设备必须靠近泄漏位置才行。 目前， 常用光纤来进行泄漏溢出物检测。其原理是 应用光纤 的应力或传导涂层的特性 ， 当管道壁上的传导涂层被破坏后， 阴极保护检测可以探测到这一变化。光纤张力检测利用的是 置于管道周围的光纤应力的改变导致光信号的变化。土壤的 压缩或者波动将改变光纤的传输特性。光纤检漏法包括分布 式光纤检漏法 、 多光纤探 头遥 测法 、 塑料包覆石英 P C S 光纤传 感器检漏、 光纤温度传感器检漏。其中分布式光纤检漏法 比较 成熟。光纤检漏的优点是能检测出微小的泄漏， 缺点是材料成 本高、 连续使用性差， 对于已建好的管道系统要重新铺设电缆 或光纤。 1 ． 5探地 雷达法 探地雷达 G P R 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。当管道气体发生泄漏时， 管道周围介质的电性质 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。应用探地雷达时， 物体必须有一定的体积， 因此这种方法 不适于较细的管道。而且用探地雷达探测泄漏时， 与管道周围 的地质特性有关， 地质特性的突变对图像有很大的影响， 这也 是应用中的一个难点。 1 ． 6 超声导波检测法 当超声波在管道等介质中传播时， 将会在界面来回反射， 产生复杂的波形转换以及相互干涉。这种经介质边界制导传 播的超声波称为超声导波。在管道的超声导波检测中， 传感器 是检测系统的重要组成部分。选择的传感器不同， 可以激励单 一 或不同模态的导波。该法的优点可以对各种管道进行长距 离一次性检测， 节约检测时间， 减少劳动强度， 同时能对管道整 个截面的缺陷进行检测。在现有的管道导波检测中， 所使用的 传感器主要包括压电式、 磁致伸缩式、 脉冲激光式等。 1 ． 7 统计分析 法 管道一旦发生泄漏， 压力和流量都会发生变化 压力会下 降， 进出口处的流量会产生偏差 ， 原管道压力和流量满足的关 系就不再成立， 这就是基于统计分析法的基本原理。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一序贯概率比检验法 S P T R ， 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 实际统计时， 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 r - i 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-d , 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 ， 采用最小二乘算法进行定位。该方法的优点是不 需要建立管道模型， 计算量比较小， 误报警率低， 对工况条件变 化 的适应 能力非常好 。其缺点是对仪 器的精度要求 比较高 ， 对 气体管道泄漏的响应时间比较慢， 而且需要流量信号。 1 ． 8 模式识别法 基于模式识别的方法原理是通过对泄漏产生的瞬态负压 波进行特征提取和结构模式识别 ， 以此进行泄漏检测。泄漏引 发的负压波与调泵、 调阀等引发的负压波波形特征有相当大的 区别， 采用模式识别的方法对管道负压波进行描述， 从而建立 管道负压波形结构模式的分类系统， 用于区别管道正常调节状 态和泄漏状态， 可以有效地降低管道泄漏的漏报率和误报率， 提高泄漏检测系统的准确性。另外， 基于模式识别的方法是基 于分段积分算法的瞬态负压波结构模式识别 ， 经此算 法处理后 的负压波序列， 去除了干扰， 突出了特征信息， 具有高效、 快速 的特点。 1 ． 9系统 辨识法 该法用 A R MA模型结构以及非线性项来构造管道模型， 并 与管道实际值进行比较来进行判漏。通过建立管道的故障灵 敏模型和无故障模型进行检测和定位 ， 以满足泄漏和定位对模 型的不同要求。基于故障灵敏模型， 用相关分析法实现泄漏检 测 ； 基于无故障模型， 用适当的算法进行定位 ， 并对泄漏量进行 估计。该法需在管道上施加 M序列激励信号， 下转第2 7页 第 5期 赵烨等 在用压力管道检测中红外热成像技术的应用 2 7 缺陷的尺寸对红外热成像仪检测灵敏度有很大影响， 从表 3中可看出， 对槽 3的检测灵敏度均大于槽 2和槽 1 ， 主要原因 是槽 3的缺陷宽度要大于槽 2和槽 1 ； 在对相对应部位缺陷槽 的检测灵敏度上 ， 2 和 4 管段 要高于 1 和 3 管段 ， 主要原 因是 2 和4 管段中槽的深度要大于 1 和 3 管段 中槽的深度 ； 在 3 0 ℃以上时， 1 撑 、 2 和4 管段中对槽的检测灵敏度要大于3 管段 ， 主要原因是 1 、 2 和 4 管段的槽深度与管段壁厚之比要大于 3 管段。所以， 缺陷的宽度越大、 缺陷自身高度越大、 缺陷深度 与管道壁厚之比越大都会使对缺陷的检测灵敏度升高。 另外， 试验中分别采用了流体为低流速和高流速两种检测 环境， 在低流速状态下对缺陷的检测灵敏度要稍高于高流速状 态下。因为， 在低流速状态下管子表面的热辐射能量的补充没 有高流速状态下慢 ， 造成低流速状态下检测出的温差稍大。 6 结束语 红外热成像技术在一定条件下对压力管道中的局部减薄 进行检 测是可行 的， 其检测灵敏度 主要表 现为 当环 境温度低 于 流体温度时， 温差越大， 检测效果越好； 缺陷的宽度越大、 缺陷 自身高度越大、 缺陷深度与壁厚之比越大都会使缺陷的检测灵 敏度升高； 流体流速越慢， 检测效果越好。 参考文 献 [ 1 ] 张敬贤， 李玉丹， 金伟其．微光与红外成像技术． 北京 北京理工 大学出版社 ， 1 9 9 5 ． 作者简介 赵烨 1 9 7 6 一 ， 工程师 ， 主要 从事 承压设 备 的检验和 无损检 测工作 。 上接第 2 2页 并假设 两站 的压力 不受 泄漏 量 的影 响 ， 适 合于 大泄漏情形 。 1 ． 1 0 模块化神经网络 J 与前馈神经网络 B P 相比， 利用模块化神经网络来识别天 然气泄漏声音信号具有抗干扰能力强、 识别结果准确等优点。 文献[ 8 ] 中指出， 多层前馈神经网络是一种稳态网络， 在识别泄 漏声音信号时， 它将声音信号的背景噪声看作是稳态， 即背景 噪声处于一个稳定值， 但实际上背景噪声随管道 或机械 状态 的变化而变化， 输入数据与训练数据不同， 即为动态而非稳态 ， 从而造成判断上的不准确。而模块化神经网络正是基于此问 题建立 的 自适应动态背景 噪声 环境 。其模型如图 2所示 。 输入模式 功率谱 图2模块化神经网络 其中， 初始模块用于已知环境， 补充模块用于未知环境。 网络的输入信息为声音的功率谱， 输出为诊断结果。当输出结 果为正常或异常时， 网络诊断结果与模块输出一致。如果不能 判断是否正常时， 则功率谱信号将在补充模块进行分析 ， 依次 类推。如果最后一个模块输出依然是未知状态， 则网络诊断结 果就显示为未知， 而不进行强制分类判断。该方法优点是能适 应变化的噪声环境 ， 识别准确； 缺点是 目前还处于离线识别状 态， 在线训练有待开发。 1 ． 1 1 谐 波分 析法 谐波分析法应用于瞬变流泄漏检测中， 在频域中通过脉冲 响应求解压力瞬变流 的控制方程 ， 并 推导 出管 道任意位 置处 的 瞬态压力响应函数表达式， 以及管道末端的瞬态压力频域解析 表达式。通过瞬态压力值 传递函数 的谐波分析， 也就是对比 分析管道有无泄漏及不同位置泄漏的传递函数曲线 ， 来实现长 距离管道有无泄漏的检测， 是检测管道泄漏的一种有效方法。 2发展趋 势 管道泄漏检测及诊断技术从硬件为主的检测技术进入了 软硬件结合， 以软件为主的阶段。近年来， 国内外在输油管道 的泄漏检测和定位的研究上已经有了较大的进展， 并开发出了 一 些在实际 中能够应用的产品。随着计算机技术、 传感器技 术、 模式识别技术、 通讯技术、 信号处理技术和模糊逻辑、 神经 网络、 专家系统、 粗糙理论等人工智能技术的发展 ， 使泄漏检测 向远程化、 智能化、 精确化、 综合化、 数字化、 网络化、 产品化方 向发展 。 3结束语 随着管道 工业 的不 断发 展 ， 公众 对环 境 的要 求越 来越 高 ， 对泄漏检测和定位要求也越来越高 ， 而单一的方法很难满足管 道泄漏检测的要求。因此， 需要将不 同的分析方法综合利用 ， 实现油气管道泄漏检测的快速准确定位。 参考文献 [ 1 ] 常景龙． 输气管道泄漏检测技术的选择和优化． 油气储运， 2 0 0 0 ， 1 9 5 91 3 ； 1 7 ． [ 2] E L L U L I R ．A d v a n c e s i n p i p e l i n e l e a k d e t e c ti o n t e c h n i q u e s ．P i p e s＆ P i p e l i n e s I n t e r n a ti o n a l ，1 9 8 9， 3 4 3 71 2 ． [ 3 ] Z h a n g J u n ．D e s i g n i n g a C o s t e ff e c t i v e a n d R e l i a b l e P i p e l i n e L e a k d e t e c t i o n S y s t e m． P i p e l i n e s I n t e r n a t i o n al ，1 9 9 7． [ 4 ] 李文 军， 王学英 ． 油气管道 泄漏检测与定位技术的 现状与展望． 炼 油技术与工程 ， 2 0 0 5 ， 3 5 9 4 95 2 ． [ 5 ] L O T H J ， M O R R I S G J ， P A L M E R G M ． T e c h n o l o g y a s s e s s m e n t o f o n l i n e a c o u s tic mo n i t o r i n g f o r l e a k s ／ i n f r i n g e r me n t s i n u n d e r g r o u n d n a t u r al g a s t r an s mi s s i o n l i n e s ． US AWe s t Vi r g i n i a Un i v e r s i t y，2 0 0 3 ． [ 6] S I QU E I R A M H S， G A T I S C E N， d a S I L V A R R。 e t a 1 ． T h e U S e o f u 1 ． t r a s o n i c g u i d e d wa v e s an d wa v e l e t s a n a l y s i s i n p i pe i n s p e c t i o n．Ul t r a - s o n i c s ， 2 0 0 4， 41 78 5 7 9 7． [ 7 ] 崔谦 ， 靳世久 ， 王立坤， 等． 基于序贯检验的管道泄漏检测方法． 石 油学 报 ， 2 0 0 5 ， 2 6 4 1 2 31 2 6 ． [ 8 ] KO T A N I K ． D e t e c t i o n o f g a s l e a k a g e s o u n d u s i n g m o d u l a r n e u r a l n e t wo r k s f o r u nk n o wn e n v i r o n me n t s ．Ne u r o c o mp u fin g ， 2 0 0 4， 6 2 4 0 0 42 7 ． 作 者简 介 郝 明武 1 9 7 3 一 ， 工程 师 ， 长期从 事油 气管道 安装及 项 目管 理 工作 。