管道泄漏检测技术研究进展.pdf

收稿日期2005 - 10 - 11 收修改稿日期2005 - 11 - 19 管道泄漏检测技术研究进展 李 平1,张园园2 1. 中石化胜利油田集输公司,山东 东营 257100 ;2.中国石油大学华东 , 山东 东营 257061 摘要按照检测位置的不同,管道泄漏检测技术可分为管内检漏法和管外检漏法。后者根据检测对象 的不同,又大致可分为直接检漏法和间接检漏法。文中总结了各种检漏技术的原理及优缺点,重点介 绍了近年来迅速发展的基于软件的检漏方法,并预测这方面的研究将在很长一段时间内成为管道泄漏 检测技术的热点。 关键词管道;泄漏检测;技术 中图分类号U178 ;TE973. 6 文献标识码A 文章编号1004 - 9614200602 - 0021 - 04 Summary of Pipeline Leakage Detection Technology LI Ping1,ZHANGYuan2yuan2 1. Gathering and Transfer Company of Shengli Oilfield Oil 2. China University of Petroleum,Dongying 257061 ,China Abstract In view of the difference in the detection position ,technologies of pipeline leakage detection were categorized into inner detec2 tion s and outer detection s. The latter can also be divided mainly into direct detection s and indirect detection s. The paper summarized the principles ,advantages and disadvantages of each technology , introduced emphatically the leakage detection based on software , which had developed quickly , and predicted that the research in this field would be a hot topic of pipeline leakage detection technology. Key words pipeline;leakage detection;technology 0 引言 管道的老化、 锈蚀、 突发性自然灾害及人为破坏 等,都会造成管道破裂乃至泄漏,如不及时发现并加 以制止,不仅造成经济损失,污染环境,而且会危及人 身安全,甚至造成灾难事故。因此,对管道泄漏检测 技术的研究是有实际意义的。 管道泄漏检测技术的分类方式有多种,根据检测 位置的不同,可分为管内检漏法和管外检漏法。管内 检测适用于检测管道腐蚀状况和微小泄漏,而管外检 测多用于突发性泄漏。 1 管内检漏法[1 - 2] 管内检漏法是基于超声、 磁通、 涡流、 摄像等技术 发展起来的,相应的设备如爬机和管内探测球PIG. 爬机在管道工业中使用广泛,如果配置各种传感 器,就能组成智能爬机检测系统。目前利用爬机可以 检测管内的压力、 流量、 温度以及管壁的完好程度,爬 机可以分为2类超声波检测器和漏磁通检测器。应 用较多的是漏磁通检测器,即将爬机放入管内,它就 会在流体的推动下运动到下游,同时收集有关管内流 动和管壁完好程度的信息。对记录在爬机内的数据 进行处理后,可以得到很多信息,同时也可以判断管 道是否泄漏。在国外,此项技术已经比较成熟,并用 于各种管道当中。它的作用不仅在于泄漏检测,而且 是综合型的管道检测系统。但是爬机只适用于那些 没有太多的弯头和联接处的管道,它的操作需要有丰 富的经验。此外,爬机系统价格非常昂贵,也不适于 国内的高黏原油。 基于录像、 磁通、 超声、 涡流等投球技术的管内探测 球法,即是用探测球沿管道内进行探测,利用超声技术、 视觉技术、 漏磁技术等采集大量数据进行事后分析以判 断漏点。该法具有定位精度高和误报率较低的特点,但 由于探测球在管内随介质漂流,容易发生堵塞、 停运等 事故,并且探测球比较昂贵,运行成本较高。 管内检漏法较为准确,但是投资巨大,实时性差, 只适用于较大口径管道,而且极易发生管道堵塞、 停 运等严重事故。 2 管外检漏法 根据检测对象的不同,管外检漏法又大致可分为 直接检漏法和间接检漏法。 2. 1 直接检漏法 2. 1. 1 人工巡检法 由有经验的技术人员携带检测仪器设备或经过 训练的动物分段对管道进行泄漏检测和定位,或者在 管道沿线设立标志桩,公布管道所辖单位的电话号 码,管道发生泄漏时由附近居民打电话报警。这类方 法定位精度高,误报率低,但依赖于人的敏感性、 经验 2006年 第2期 管 道 技 术 与 设 备 Pipeline Technique and Equipment 2006 No12 和责任心,只能发现一些较大的泄漏,而且检测只能 间断地进行。 2. 1. 2 检测元件法[3] 在管道外侧按适当间隔设置相应的检测元件,以 检测管道泄漏的油料。其中作为检测元件的油膜检 测器、 导电性粉体元件渗油后电极之间阻抗增大的 小圆板需要导油沟道和积油槽与之配合使用。电缆 阻抗检测法、 特性阻抗变化法和冲气压力带法等均属 于这类方法,第三种方法比较原始,现已不再使用,前 两种方法的检测定位精度虽高,但均不适用于已建成 管道。 2. 1. 3 气体检测法 利用检测有无可燃气体的方法来确定可燃性气 体及液体的泄漏,一般多采用基于直接接触燃烧热原 理的可燃性气体检测器,多用于气体管道。检测输气 管道泄漏时主要采用火焰电离子检测器,它受温度、 污染或机械运行的影响较小,但对密闭空间内的管道 泄漏检测时易引起燃烧或爆炸事故。 2. 1. 4 机载红外线法[4] 该方法是用直升机吊一航天用的精密红外摄像 机沿管道飞行,记录埋地输油管道周围某些不规则的 地热辐射效应,利用光谱分析可检测出较小泄漏位 置,分析结果记录在摄像机内。 这种方法可用于长管 道微小泄漏的检测。 2. 2 间接检漏法 此类方法主要是基于压力、 流量、 温度等外部运 行参数的检测法。近年来,随着计算机技术的迅速发 展以及SCADA系统在管道上的应用,充分依靠计算机 并采用某种或某些运算策略,利用泄漏所引起的传输 质在管道内或管壁上所产生的信息进行泄漏检测和 定位的方法,即基于软件的检漏方法正逐步发展完 善。 2. 2. 1 基于信号处理的方法[6] 基于信号处理的方法不需要建立管道的数学模 型,该方法包括压力梯度法、 负压波法、 压力点分析 法、 流量平衡法和声学方法等。 2121111 压力梯度法 在稳定流动的条件下,泄漏将导致沿线的压力梯 度分布呈折线变化见图 1 。若用p1和p2得到上游 管段的压力梯度, p3和p4得到下游管段的压力梯度, 就不难算出实际泄漏位置。一般情况下可采用以下2 种方法。 1线性压力梯度法。在理想情况下,管道压力 沿管道呈线性变化,当发生泄漏并且再次稳定后,用 p1和p2计算出上游管段的压力梯度,用p3和p4计算 出下游管段的压力梯度,两者在泄漏点出处有相同的 边界条件,由此计算出泄漏点位置。该方法的定位精 度较低。 图1 泄漏对压力分布的影响 2非线性压力梯度法。非线性压力梯度法采用 了不等温长输管道泄漏定位原理。对于加热输送的 管道,首末端温度相差很大,而流体的黏度、 摩阻以及 密度参数等随温度的变化也很大,导致沿线压力分布 呈非线性,线性压力梯度法将存在很大误差。因此, 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 进行泄漏定位。该算法对于流体在黏度、 密度及热容 等特性随着沿程温度下降有较大变化的管道具有很 大的优越性,不考虑这些变化的管道,常温泄漏定位 法只是此方法的一个特例。由于加热输送管道沿程 水力变化的非线性,忽略热力变化的简化方法将产生 很大误差,以至无效。该方法的不足之处在于需要流 量信号及建立数学模型,而且模型较复杂,增加了计 算的复杂性。 2121112 负压波法 当管道某处突然发生泄漏时,泄漏处将出现瞬态 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 播的速度等于流体中的声速,在原油管道中为1 200 m/ s ,在气体管道中为320 m/ s ,可以事先测量出来。 根据这一原理,可采用相关分析法和小波变换法进行 泄漏检测及定位。 相关分析法对上下游的压力信号去除均值并求取 差分信号后,实时计算其相关函数。当没有泄漏时,相 关函数的值在零附近。泄漏发生后,由于上下游压力信 号会先后下降,所以相关函数的值将显著变化,以此进 行泄漏检测。相关函数的极值点对应的时间就是负压 波到达两端的时间差,以此可进行泄漏点定位。为了增 22 Pipeline Technique and EquipmentApr12006 w w w . b z f x w . c o m 强系统抗干扰能力,还可以在上下游各增加一个压力测 点。相关分析法检漏和定位,只需要检测4个压力信 号,不必建立数学模型,计算量小,还可依靠自身的信号 处理算法消除上下游泵站操作引起的工况扰动,是一种 有效而可行的方法,尤其适合国内管道,但要求泄漏发 生是快速、 突发的。如果泄漏速度很慢,没有明显的负 压波出现,则此方会就失效。 小波变换是一种时间尺度分析方法,在时频域中 具有表征信号局部特征的能力。将连续小波变换应 用于动态系统故障诊断,并利用小波变换的极值可检 测信号的边沿,还可抑制噪音,若采用小波变换可检 测到管道的压力降,并且能准确定位负压波到达上下 游压力测点的时间差,就可以利用与相关分析法相同 的原理来定位泄漏点。小波变换法也是一种精确度 很高的检漏和定位方法,不需要流量信号,不用建立 管道的数学模型,处理信号的方法简单,但与相关分 析法一样,适合于快速的、 突发的泄漏事故。如果泄 漏速度很慢,没有明显的负压波出现,则此方法失效。 它的另一个缺陷是抗干扰能力差,对于工况扰动易误 报警。 2121113 压力点分析法Pressure Point Analysis ,PPA 管道在正常运行时,其压力值呈现连续变化的稳 定状态。当泄漏发生时,泄漏点处出现压力突降,破 坏了原有的稳态,使管道向新的稳态过渡。泄漏点处 产生的负压波以声速沿管道向两个方向传播,同时将 失稳的瞬态传递到管道的沿线各点,这样,管道的沿 线各点都会发生向新的稳态的过渡过程。通过在管 道沿线设点进行压力检测,用统计的方法分析检测 值,提取压力变化曲线,并与管道处于正常运行状态 时的曲线作比较,根据两者之间的差别来判断泄漏是 否发生。PPA法只需要一个或几个检测点的压力信 号,不需要建模,存储数据量和计算量都比较小,对气 体管道泄漏的响应时间比较快,但其最大的缺点是无 法定位,同时对泄漏量的评估能力比较差。 2121114 流量平衡法[7 - 8] 该法根据质量平衡原理,基于管道出入口的流量 是否相等来判断泄漏。由于实际所测流量与流体的 温度、 压力、 密度、 黏度等性质及流体的状态有关,使 得流量法对任意扰动或管道本身动力学变化都非常 敏感,易造成误检,从而使得情况变得复杂。文献[8] 通过对流量幅值的估计,基于流量不确定性的不同估 计,建立许多泄漏检测曲线,并与现场泄漏实验的曲 线进行对照。这样,对流量不确定性的适当估计,泄 漏流速在很大范围内的泄漏都能可靠地被检测到。 2121115 声学方法 该方法通过声音传感器检测沿管壁传播的泄漏 点噪声或流质在泄漏后产生的压力波信号 , 利用相 关信号处理技术如相关分析法,小波变换等进行泄 漏检测和定位。由于受检测对象和应用环境的限制, 对长距离管道检漏,必须沿管道安装许多声音传感 器。该方法泄漏检测准确率高,定位精度高,但沿程 安装大量传感器在许多场合是不适宜的,限制了其应 用。文献[9]研究了注满液体的埋地管道的声发射泄 漏检测和定位技术,针对两相流情况,利用不同的泄 漏源和实验数据对泄漏的机理进行了分析,在测试条 件适宜的情况下,可检测011 m/ s的泄漏,并采用一种 称作可调整的线性定位技术实现定位。 2. 2. 2 基于模型的方法 为了提高泄漏检测和定位的准确性,用模型在线 观测管道的压力和流量,并与压力和流量的实测值比 较来进行泄漏故障诊断,这是模型法的基本思想。该 方法主要有状态观测器法、 系统辨识法、Kalman滤波 器法、 实时模型法及瞬变流检测法等。 2121211 状态观测器法 状态观测器法即建立管道内流体压力和流量的 状态方程,以被检测的两站压力为输入,对两站流量 的实测值和观测值的偏差信号采用适当的算法进行 检漏和定位。该方法假定两站的压力不受泄漏量的 影响,所以仅适于小泄漏量情形。文献[10]给出了一 种非线性自适应观测器,可以较好地解决管道各物理 参数随时间变化问题,并通过对摩阻的在线辨识,可 控制泄漏报警信号的消失与否。文献[11]针对多泄漏 的情况,利用管道首末端的压力和流量信号间的冗余 关系实现多泄漏检测。泄漏检测是基于已知的管线 分布模型,在状态空间将其离散化,根据沿管道假定 的一组泄漏分布实现泄漏检测;泄漏定位是通过评价 一组未知输入观测器的残差来实现。 2121212 系统辨识法 该法辨识出管道模型,并与管道实际值进行比较 来进行判漏。文献[12]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。在管道完好的情况下,建立管道无 故障模型和故障灵敏模型。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。该法需在管道上施加M序列激励信 号,并假设两站的压力不受泄漏量的影响,也仅适于 小泄漏量情形。 2121213 Kalman滤波器法[13] 该法建立包含泄漏量在内的压力、 流量状态空间 离散模型,以管道首末端的压力和流量作为输入,将 整个管道空间定量划分为若干段,在每一个分段点上 设定压力、 流量、 泄漏量等3个状态,并以各分段点处 第2期李平等管道泄漏检测技术研究进展23 w w w . b z f x w . c o m 的泄漏量作为输出,运用适当判别准则如Kullback信 息测度等就可进行泄漏检测和定位。该法需要知道 过程噪声的均值、 方差等先验知识,且检测与定位精 度和等分段数有关。 2121214 实时模型法[14] 即利用流体的质量、 动量、 能量守恒方程等建立 管内流体动态模型,此模型与实际管道同步执行,定 时采集管道上的一组实际值,如管道首末端的压力和 流量,运用这些测量值,由模型观测管道中流体的压 力和流量值,然后将这些观测值与实测量值作比较来 检漏,若二者不一致,则说明管道发生泄漏。该法的 检测精度依赖于模型和硬件的精度,且泄漏点的定位 机理大都是基于线性压力梯度法。 2121215 瞬变流检测法[15] 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。其检测系统由瞬变流数学模型,流 量、 压力和温度检测装置,计算机和数据采集板组成。 中心计算机中装有在线仿真软件,该软件主要由实时 模块、 泄漏检测定位模块和报警模块等组成。实时模 块是在线仿真软件的核心模块,描述管道运行的数学 模型就在此模块中。将管道中的瞬时流量、 压力和温 度检测数据传输到监控微机的通讯设备中,再通过无 线发射器与中心计算机通讯。为提高检测的准确性、 灵敏度及精度,可在监测管道中间增加若干压力和温 度传感器。 2. 2. 3 基于知识的方法 基于知识的方法主要有模式识别法、 统计学法、 神经网络法和诊断专家系统法等。 2121311 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[16]。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[17]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。 2121312 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”Sequential Probability Ratio Test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。在实际统计时,输入和输出 的质量流通过流量变化Inventory Variation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。 2121313 神经网络法[18] 基于人工神经网络检测管道泄漏的方法,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。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。基于神经网络研制的管道泄漏检 测仪器简捷实用,能适应复杂工业现场。神经网络检 测方法可推广应用到管道堵塞、 积砂、 积蜡、 变形等多 种故障的检测中,对于管网故障诊断有广泛的应用前 景。 2121314 诊断专家系统法[19] 利用泄漏机理数学模型研制的泄漏诊断专家系 统是一类非常复杂的非线性分布参数控制系统,其整 个推理过程是经验知识、 泄漏模式、 泄漏机理模型、 物 理定律综合使用的过程。系统将深浅知识结合起来, 采用广度优先和深度优先相结合,时间推理和实时推 理相结合的控制策略,首先完成管道最严重异常现象 的广度搜索,然后进行深度优先搜索,完成基于经验 知识的快速、 有效的定性诊断,确定有无泄漏及可能 的漏量和漏位;在确定有泄漏可能的情况下,再根据 参数变化模式,搜索泄漏模式库,若有相同模式,则直 接给出诊断结果,若没有,则根据泄漏机理模型,进一 步对漏量和漏位进行估计。 3 结束语 管道泄漏检测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SCADA阶段,这一领 域研究的热点一直是运用现代控制理论和信号处理 技术的各种方法。早期的研究方法着眼于对管道的 各种基于模型的方法,研究的重点是改善模型的精 度,使其动态性能与运行中的管道尽下转第35页 24 Pipeline Technique and EquipmentApr12006 w w w . b z f x w . c o m 为安全裕度, S失效压力比率/最大允许操作压力比 率,失效压力比率计算失效压力/屈服压力,最大允 许操作压力比率最大允许操作压力/屈服压力;t为 正常壁厚,mm;G为增长率,mm/ a. 需注意的是计算剩余寿命时,所依据的腐蚀缺陷 不是优先级中计划维修的异常,而是所有开挖中最严 重的,或是次最严重的。标准还要求至少直接开挖1 处或初次应用时直接开挖2处来验证该程序是否成 功,来评价ECDA程序的整体有效性。此外,标准推荐 了几种跟踪方法来建立准则评价ECDA程序的长期有 效性,用户可根据实际情况选用适用于自己的方法。 2 评价方法优点与局限性 ECDA应用的优点第一,它可用于许多由于管道 结构或运行要求,内检测和压力试验无法应用的管 线;第二,它比内检测和压力试验在费用上要更经济; 第三,它不仅可以被动地确定哪里已经发生了腐蚀, 而且可以确定正在发生和将要发生腐蚀的位置。 ECDA应用中也存在局限与不足,首先,它需求的 数据较多,在国内的早期管道的资料流失较为严重状 况下,收集充分的真实数据具有较大难度;其次,在有 些情况下它难以应用,如有电流屏蔽产生的管段、 岩 石回填的区域、 钢筋混凝土路面及冻土地面,附近有 地下金属构筑物的位置,在正常的时间段无法进行地 面检测的管段等;最后,它用到的检测方法较多,检测 数据多样,分析过程相对也较复杂,操作人员的主观 因素太多,结果可能因人而异。 3 结束语 ECDA本身是一个不断完善与发展的过程,它的 执行也要求操作上的连续性,通过参考历史数据与执 行过程中的不断反馈,反复的调整,达到确定管道腐 蚀状况的目的。当前NACE正在进一步完善ECDA ,对 其在有些地区难以应用的情况在进一步研究,对地面 检测工具的适用状况也在进一步研究细化[4]。管道 安全工作者通过学习借鉴国际标准,结合国内实际情 况与自己的研究成果,灵活研究运用,以实现埋地管 道的完整性管理,这是当前国情下切实可行的方式。 参考文献 [1] RICHARD B K. 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