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管道泄漏检测技术进展 陈华敏, 师学明, 张云姝, 李振宇, 鲁永康, 李大心 中国地质大学地球物理系, 武汉 430074 摘 要 介绍国内、 国际上有关管道泄漏检测的新技术、 新设备及其应用情况, 对管道泄漏检测技术的系统组成、 技术要求及性能指标等方面分别作了阐述, 比较了各种方法的优缺点, 并指出管道泄漏无损检测的进展方向, 以期 在全面了解现有技术的基础上, 设计出更加符合实际要求的装置, 保证人们的生命财产安全和营造更加安全的生 存环境。 关键词 安全; 管道泄漏; 泄漏检测; 无损检测; 电磁超声 中图分类号 X859; X924. 2 文献标识码 A 文章编号 1671-1556200303-0058- 04 0 引 言 管道输送是一种非常重要的运输方式, 在运送 液体、 气体、 浆液等方面具有特殊的优势。然而即使 管道在铺设时达到设计质量标准, 由于管道的老化、 管道断裂、 水腐蚀、 烟气腐蚀、 磨损、 疲劳质量、 缺陷 等原因, 泄漏仍旧不可避免 [ 1]。 管道一旦发生泄漏事 故, 除了影响正常的生产外, 还会因为流体流失造成 经济损失、 可燃液体或气体泄漏引起火灾以及对环 境产生污染等后果。这不但给国家造成巨大经济损 失, 对环境的重创更是无法弥补, 还给人们的生命财 产安全和生存环境造成巨大的威胁。 1 管道泄漏检测技术的现状 自上世纪 70 年代以来, 管道泄漏检测技术从简 单的人工分段沿管线巡视发展到较为复杂的软硬件 相结合的方法, 提高了管线泄漏检测的灵敏度和准 确定位。国外输油管道管理先进的国家, 如美国、 英 国、 法国等, 自上世纪 70 年代以来, 已经在许多油气 管 道 系 统 中 安 装 了 泄 漏 检 测 系 统, 效 果 显 著 [ 5, 6, 7, 8, 9, 10]。1984 年, 南非音之创公司研制生产出 了基于声谱分析技术的 INSPECT AFFT 锅炉管道 监测系统[ 3]。该公司至今已在世界范围内成功地安 装了 74 套系统, 取得了较好的效果, 也使得基于声 谱分析技术的锅炉管道泄漏监测技术日趋成熟。 我国的管道工业发展较晚, 目前还没有一个长 期运行的、 集泄漏检测与定位为一体的输油管道监 控系统。国内火电厂大多采用运行人员监测诊断技 术和超声监测诊断技术[ 12], 水质量平衡监测诊断技 术及锅炉水化学监测诊断技术使用的较少, 同时安 装采用多种泄漏诊断技术的电厂则更为少见。 2 管道泄漏检测技术的分类 管道泄漏检测技术的分类方法很多。从检测的 方式上可分为直接检漏法、 间接检漏法两种。 直接检 漏法主要采用人工巡视或通过沿管道周围埋设湿度 或气敏传感器 例如光纤湿度传感器 [ 13] , 利用这些 传感器直接感应泄漏流体, 泄漏检测系统马上进行 报警。该种检测方式的特点是能精确地对泄漏地点 进行定位。然而需要预先在管道周围埋设大量传感 器和传输装置, 费用较高, 且只能对已经泄漏的地点 进行报警而不能提前预报泄漏地点。间接测漏方法 繁多[ 14], 发展比较迅速。其基本原理是根据一些物 理参数如磁通、 超声、 涡流、 压力波的变化或者物质 平衡等方法对管道进行无损检测。它既可以对已经 泄漏的管道进行漏点定位, 也可以根据管道壁厚、 腐 蚀程度等参数分析管道的运行状态, 对潜在的泄漏 第 10 卷 第 3期 2003年 9 月 安 全 与 环 境 工 程 Safety and Environmental Engineering Vol. 10 No. 3 Sep. 2003 收稿日期 2003-04-28 基金项目 2003 年湖北省自然科学基金 编号 2001S2017 ,2003 年国家自然科学基金 编号 40204007 。 作者简介 陈华敏 1979- , 女, 中国地质大学 武汉 地球物理系测控专业 2002 级在读硕士研究生, 主要从事信号处理、 管道泄漏无损检 测、 声波模拟等方面的研究。 点进行提前检修, 从而避免管道泄漏。随着电子技 术、 计算机技术和人工智能技术的发展, 目前这一类 的检测方法已经从单一的物理参数发展到了采用多 参数, 从静态模型分析方法发展到动态模型分析方 法, 从非实时检测发展到在线实时检测技术 如 SCADA 等。 从检测的环境上管道泄漏检测方法可分为管内 检漏法和管外检漏法。 管内检漏主要包括基于磁通、 超声、 涡流、 录像等探测球法 简称 PIG 法 , 这类检 漏法较准确但易发生堵塞停运严重事故。管外检漏 法主要包括沿管巡视、 流量差法、 压力差法和负压波 法等, 其费用较低, 检测准确速度快。目前这类方法 在向实时在线检测和人工智能方面发展。 3 管内检漏法 3. 1 探测球法 探测球法[ 2]是上世纪 80 年代末期发展起来的 基于磁通、 超声、 涡流、 录像等技术的探测法。 探测球 沿管线内进行探测, 利用漏磁技术 磁通管道猪 或 超声技术 超声猪 采集大量数据, 并将探测所得数 据存在内置的专用数据存储器中进行事后分析, 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、 停运的 事故, 而且造价较高。 3. 2 流量平衡法 流量平衡法 [ 2] 是基于管道流体流动的质量守恒 关系, 根据管道进出口的流量测量值, 结合管道中的 流量分析, 确定管道中是否发生泄漏。该方法简单、 直观, 但对于任何一个扰动或管线本身的动力变化 都是敏感的, 容易造成误检。 3. 3 瞬变流动法 瞬变流动法[ 2]是目前输油管道泄漏检测准确 性、 可靠性较高的方法。它由两部分组成 监控微 机及计算机仿真软件; 测量管道中瞬时流量、 压 力、 温度的传感器及其将检测数据传输到监控微机 的通讯设备。 在首站和末站进出管道上设置流量、 压 力、 温度传感器; 在两站之间设置若干压力和温度传 感器; 用以提高泄漏检测的准确性、 灵敏度及精度。 将首站、 末站及管道中检测点的压力、 温度等参数传 输到装有在线仿真软件的中心计算机, 通过中心计 算机计算出的数据输出后, 供管理人员进行分析和 处理。 3. 4 含砂量检测技术 挪威CorrOcean 公司首创了高灵敏度含砂量监 视系统[ 14]。它能检测微小含量的砂, 据此可给出砂 生成开始的早期警报。由于砂监视器是连续在线监 视系统, 当流体中开始出现有值得引起注意的含砂 量形成时, 它能立即将信息反馈给操作人员。 由于它 的简单而坚固的设计, 探头应用于条件恶劣的石化 企业管道是很理想的。它可用于任何类型流体的测 量, 而与其扰动程序无关。 其探头不受多相流动带来 的可变噪音的影响。 3. 5 以估时器为基础的实时模拟法 以估时器为基础的实时模拟法 [ 14] 是上世纪 80 年代中期发展起来的一项技术, 由于管道内流动的 各物理参数都可能随时间变化, 属于一类时变的非 线性系统, 因而运用估时器能较好地处理上述问题。 由实测值与估计值得出偏差信号, 通过对偏差信号 做相关分析, 便可得到定位结果。 4 管外检漏法 4. 1 磁通管道猪 近 几 十 年 来 磁 通 管 道 猪 magnetic flux pigs [ 14] 在国际管道检测中应用最广。 其检测的原理 是 对管壁施加强的磁场, 用以检测钢管的金属损 耗。 磁通猪的端部用了很多交错的传感器, 从而能提 供检测的周向覆盖。 不论液体、 气体或气液两相流体 磁通猪均能检测。 但是这种方法多少有些定性, 就绝 对管壁厚度和金属损耗而言, 则不是很精确的。而 且, 传感器不能区分金属损耗是属于内部还是外部 的腐蚀。 4. 2 超声管道猪 超声管道猪 ultrasonic pigs [ 11, 14] 是利用超声 波投射技术使短脉冲之间的渡越时间被转换为管壁 的壁厚, 也就是通常的超声波脉冲回波测厚技术。 在 外腐蚀的情况下, 钢管壁内的渡越时间减少, 据此可 对金属损失进行直接定量测量; 为了定量内部腐蚀 的深度, 可用投射距离来获得。超声猪的主要优点 是, 伴随着高精度, 它显示出不特定的管壁厚度上 限。 它的精度几乎与壁厚无关。 然而, 目前超声猪仍 要求均匀液体 例如油、 水 耦合来实现操作。 4. 3 相控阵列换能器的超声检测和电磁超声技术 用于薄壁小径管焊缝探伤的相控阵列换能器的 超声检测技术研究 [ 14] 是将一组换能器绕在焊缝的 一周, 换能器不动, 通过相控在短时间内一次性取得 信息, 从而完成一个焊口的检测工作。 电磁波探伤与 常规方法相比无需机械和液体耦合, 进行管道检测 时对沾染或结渣轻微的表面无需进行处理。 目前, 电 59第 3 期陈华敏等 管道泄漏检测技术进展 w w w . b z f x w . c o m 磁超声换能器能在金属件中产生纵波、 横波、 斜声束 以及聚焦声束, 可同常规的超声波探伤一样来检查 工作中的缺陷[ 15, 16, 17, 18, 19]。这种换能器所具有的缺 陷检出能力和信噪比能够与以往的压电陶瓷换能器 相媲美。 4. 4 厚壁管道超声波自动化检测系统 厚壁管道超声波自动化检测系统[ 11]的应用比 较广泛。该系统一般由 3大部分组成 爬行器、 换能 器、 驱动器、 计算机控制系统和信号处理系统。国外 在此领域的研究比较活跃。日本九州电力公司已研 制出管道内孔自动检测系统。 该系统由超声、 光学检 测 装置 和 驱动 器三 部 分组 成, 最大 爬 行距 离 110mm, 爬高 20mm。 4. 5 声发射检测方法 声发射检测方法[ 20, 21]是将两传感器置于管道 的两端, 泄漏产生的声信号由这两传感器接收到后 经过放大传送给主机。 对这两信号进行相关, 并计算 其间的时间差。主机根据声音在被检管中的传播速 度和两传感器的间距, 即可算出泄漏的位置。目前, 两通道声波相关法测漏理论较成熟, 而基于多通道 的声波测漏法则还处于研究阶段[ 22]。已研制出的 DF- 500 和 DF- 5000 两种型号的仪器对各种材料 聚氯乙烯、 铸铁、 钢、 铜等 制成的管道都能自动计 算并在屏幕上显示或打印出精确的位置, 可用于油、 气等多种泄漏的检测, 操作简便, 具有高效性和一定 的准确性, 但同时存在一定的局限性, 需要其它辅助 手段才能完成整个管道系统的维护任务。基于声谱 分析技术的 ISPECTA FFT 电站锅炉管道泄漏监 测系统[ 3]就是声发射检测方法的应用。 4. 6 压力波检漏法 压力波检漏法 [ 23] 包括瞬变流动检漏法、 负压波 法、 波敏法等。 当管道上某处突然泄漏时在泄漏处将 引起瞬态压突降, 类似于分支管线上的阀门开启, 会 产生一个负压波, 从漏点开始, 该波以一定速度分别 向上、 下游传播。管壁象一个波导管, 压力波可以传 播相当远。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、 下游端压力及接收到信号的时间差, 那么根据负压 波的传播速度就可以检测出泄漏点的位置。根据这 一原理, 利用相关分析法和小波变换法进行泄漏的 检测和定位。该方法需要在沿线设置能连续测量压 力、 流量、 温度的检测点, 记录并远传到主控室, 而且 对传感器精度、 传输电路、 计算机及配套仿真软件要 求很高。压力波检漏法的特点是能迅速地检测出泄 漏量少的漏点。 4. 7 人工神经网络技术 管道泄漏检测用人工神经网络技术 [ 23, 24] 首先 分析管道泄漏检测的基本原理, 并应用 LABVIEW 分析单传感器在泄漏管道不同位置拾取的泄漏信号 的时域、 频域特征, 以提取时频域特征指标来构造人 工神经网络的输入矩阵, 建立了能对管道泄漏状况 进行分析检测定位的人工神经网络, 实现了管道泄 漏检测的单传感器定位。模拟泄漏实验和在 PC 机 上进行网络仿真表明该方法是有效的。 4. 8 以系统辨识为基础的实时模型法 以系统辨识为基础的实时模型法[ 2, 18]分别建立 “ 故障灵敏模型” 及“ 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 的条件下, 建立其无故障模型和故障灵敏模型。然 后, 基于故障灵敏模型, 用自相关分析算法实现泄漏 检测。基于无故障模型, 用适当的算法进行定位, 最 后进行漏量估计。 4. 9 场图像方法 场图像方法 Field- Signature 简称 FSM [ 7, 13] 管道监测系统是监测管道腐蚀、 起坑、 裂 缝和侵蚀的优异的技术。这种在役监测系统能在造 成任何危害以前, 揭示管道的微小损伤。 它的设计的 依据是, 一个人的签名和指纹是唯一的。同样, 管道 或其他钢结构, 当电流馈入时, 会显示一个唯一的电 场“ 指纹” 场图像, 所产生的电场指纹表征了结 构局部几何形状, 从而可用监测电场指纹的微小变 化, 检测出结构与原始的、 正常状态的任何偏离。 FSM 可安装在实际的、 任何形状的钢和其他金属结 构、 管道系统和压力容器上, 综合了侵蚀探头与无损 检测两种技术的优点, 具有高灵敏度和对实际管壁 腐蚀引起的变化实时响应的能力, 并能对实际监测 结构作较大范围覆盖。 5 展 望 综上所述, 管道泄漏无损检测技术的发展十分 迅速, 几乎和管道和流体有关的和种物理参数都可 以作为管道泄漏检测的依据, 其中基于电磁场和超 声波理论的检漏方法的应用与发展尤为迅速和成 熟。这些方法的一个突出优点是可以直接在管外进 行实进在线检测, 其检测精度也越来越高。 例如磁通 猪法和超声波法等。这些方法有的已经成为无损检 测管道的常规方法, 无凝在目前及将来都是主要的 检测手段。 无论何种方法, 面临的最大挑战与研究目标都 60安 全 与 环 境 工 程第 10 卷 w w w . b z f x w . c o m 是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, 促进更好的保护和改善环境, 保障人们的生命财 产安全。 参考文献 [ 1] 周俊虎, 曹欣玉, 刘建忠等. 管道泄漏知识及应用现状[ J] , 动力 工程, 2000, 12 20 938. 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