管道泄漏檢測(cè)與定位技術(shù)研究概述

引言

隨著石油天然氣行業(yè)的發(fā)展,管道運(yùn)輸因其高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于油氣產(chǎn)品的運(yùn)輸。但是,輸送管道多埋于地底,經(jīng)常受到自然腐蝕、地質(zhì)災(zāi)害等影響而發(fā)生泄漏,不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,還存在安全和污染隱患等問(wèn)題。因此,加強(qiáng)對(duì)運(yùn)輸管道的監(jiān)測(cè),縮短管道泄漏的檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間,提高泄漏點(diǎn)定位精度,對(duì)減小經(jīng)濟(jì)損失,保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。目前管道泄漏檢測(cè)定位方法有很多,常見(jiàn)的測(cè)量方法大致可分為基于硬件的檢測(cè)定位法和基于軟件的檢測(cè)定位法。

1基于硬件的管道泄漏檢測(cè)方法

以硬件為基礎(chǔ)的管道泄漏檢測(cè)方法一般指對(duì)泄漏原料直接進(jìn)行檢測(cè)的方法,主要有聲發(fā)射法、光纖檢測(cè)法、探地雷達(dá)法、紅外線法等。

1.1聲發(fā)射法

當(dāng)壓力管道的管壁發(fā)生泄漏時(shí),發(fā)射聲波會(huì)由于能量的釋放從泄漏點(diǎn)往左右兩個(gè)方向傳播,通過(guò)計(jì)算到達(dá)安裝在泄漏點(diǎn)前后兩側(cè)的兩個(gè)處理器的時(shí)間可以確定泄漏點(diǎn)的位置。天津大學(xué)在此基礎(chǔ)上加入了模式匹配濾波技術(shù),通過(guò)采集信號(hào)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比來(lái)提高泄漏定位的準(zhǔn)確性。聲發(fā)射技術(shù)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè),配合一定的算法可以精確定位泄漏位置,對(duì)突發(fā)型和連續(xù)型泄漏響應(yīng)較快,且處理器易于安裝,便于攜帶,性價(jià)比較高:但其對(duì)隨機(jī)噪聲敏感,容易受環(huán)境影響而出現(xiàn)誤報(bào),不適用于小泄漏。

1.2光纖檢測(cè)法

1.2.1基于sagnac干涉儀的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)

被耦合器分成兩束的光線,分別沿干涉儀光纖環(huán)的順、逆兩個(gè)方向循環(huán)一周后匯合。如管道出現(xiàn)泄漏,這兩束光會(huì)受到因壓力改變而產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)的作用,被調(diào)制從而產(chǎn)生干涉。計(jì)算使兩束干涉光輸出的基頻分量為最大值時(shí)的零點(diǎn)調(diào)制頻率,即可測(cè)得泄漏點(diǎn)的位置。傳統(tǒng)環(huán)形對(duì)稱結(jié)構(gòu)中,兩束光波會(huì)相互抵消,影響干涉信號(hào)的質(zhì)量。為消除環(huán)形結(jié)構(gòu)的影響,重慶大學(xué)等機(jī)構(gòu)通過(guò)在傳感光纖尾端安裝法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和雙sagnac干涉光路兩種形式,將測(cè)試系統(tǒng)變?yōu)橹本€型分布式光纖傳感結(jié)構(gòu),提高了泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和定位準(zhǔn)確度。這種泄漏檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,模式識(shí)別能力強(qiáng),但定位精度較低,也無(wú)法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)振動(dòng)的準(zhǔn)確定位。

1.2.2基于馬赫-曾德干涉儀的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)

沿傳輸管道并排敷設(shè)三條光纖組成分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)來(lái)測(cè)量泄漏噪聲。當(dāng)管道泄漏產(chǎn)生的信號(hào)作用在兩條測(cè)試光纖時(shí),光纖內(nèi)部的兩束干涉光就會(huì)產(chǎn)生相位變化,從而實(shí)現(xiàn)管道泄漏的實(shí)時(shí)檢測(cè)。隨著技術(shù)的發(fā)展,后又逐漸出現(xiàn)雙馬赫-曾德干涉儀泄漏檢測(cè)系統(tǒng)以及結(jié)合了馬赫-曾德和薩格納克干涉儀兩種結(jié)構(gòu)的組合優(yōu)化系統(tǒng),以減輕環(huán)境對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的影響。基于馬赫-曾德干涉儀的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)速度較快,定位精度也較高,且能實(shí)現(xiàn)對(duì)小孔徑、小壓力泄漏的測(cè)量:但這種結(jié)構(gòu)易出錯(cuò),只有在兩束干涉光正交時(shí),才能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)準(zhǔn)確定位。

1.2.3基于D-0TDR的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)

聲光調(diào)制器將超窄線寬激光器發(fā)出的強(qiáng)相干連續(xù)光調(diào)制成脈沖光,其在光纖內(nèi)傳播時(shí),會(huì)不斷產(chǎn)生受外界振動(dòng)信號(hào)調(diào)制的相干后向瑞利散射光。由于光的時(shí)分復(fù)用特點(diǎn)和振動(dòng)調(diào)制,這些信號(hào)的相位信息攜帶了外部振動(dòng)和位置信息,再利用光干涉將脈沖光的相位變化轉(zhuǎn)換為相干光的強(qiáng)度變化,最后用光電探測(cè)器獲得光功率,完成分布式振動(dòng)傳感信號(hào)的檢測(cè)。該系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)泄漏產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)在頻域上的能量分布情況,分析其特征頻段的分量,用特征頻率分量沿光纖的分布情況作為判斷依據(jù),可實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)位置的精準(zhǔn)定位,原理簡(jiǎn)單,可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位,但成本較高。

1.3探地雷達(dá)法

采用探地雷達(dá)法進(jìn)行測(cè)量時(shí),發(fā)射天線將脈沖源產(chǎn)生的納秒級(jí)周期電磁信號(hào)耦合到埋管介質(zhì)中,電磁信號(hào)在傳播過(guò)程中遇到介質(zhì)變化產(chǎn)生的波阻抗界面時(shí),會(huì)產(chǎn)生比正常情況下更強(qiáng)的反射信號(hào),該信號(hào)由接收天線接收并傳輸?shù)缴衔粰C(jī),記錄發(fā)射波和反射波的時(shí)間差,即可確定反射面離地表的位置。探地雷達(dá)法可以及時(shí)檢測(cè)地下管道的泄漏情況,可靠而全面,可用于地形比較復(fù)雜的環(huán)境:但在黏土環(huán)境中容易失真,成本較高,對(duì)操作員的技術(shù)熟練度要求也較高。

1.4紅外線法

基于紅外熱成像的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的原理是利用紅外成像技術(shù)檢測(cè)管道中溫度的變化來(lái)檢測(cè)其是否發(fā)生泄漏。物體輻射出的紅外線強(qiáng)度會(huì)隨溫度的變化而改變,當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí),會(huì)改變泄漏點(diǎn)的熱輻射,并且有別于周圍環(huán)境,通過(guò)紅外熱成像儀就可以探測(cè)到泄漏點(diǎn)的熱場(chǎng)分布云圖發(fā)生的變化,從而迅速檢測(cè)出泄漏并定位泄漏點(diǎn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是將檢測(cè)到的參數(shù)轉(zhuǎn)換為可視圖像,操作方便,響應(yīng)速度快:缺點(diǎn)是對(duì)管道埋入深度有要求,對(duì)小于1.0mm的泄漏孔難以進(jìn)行量化。

2基于軟件的管道泄漏檢測(cè)方法

基于軟件的管道泄漏檢測(cè)方法是將采集到的管道內(nèi)壓力、流量、速度等參數(shù)用現(xiàn)代控制理論、信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行處理,以實(shí)現(xiàn)管道泄漏的檢測(cè)和定位。主要包括以下幾種:

2.1質(zhì)量體積平衡法

質(zhì)量體積平衡法的測(cè)漏原理是在管道的上下游分別安裝流量計(jì),在理想狀態(tài)下,管道內(nèi)流體的輸入、輸出總量應(yīng)該是相等的或保持一個(gè)固定的差值,一旦發(fā)生泄漏,則上下游之間的流量差會(huì)明顯增大,當(dāng)該差值達(dá)到報(bào)警閾值時(shí),就可以判斷出發(fā)生了泄漏,再根據(jù)泄漏點(diǎn)定位公式,即可判斷出泄漏點(diǎn)的位置。這種方法不需要復(fù)雜的模型,設(shè)備簡(jiǎn)單,安裝方便,成本較低:但是測(cè)量精度受儀表限制,且檢測(cè)周期較長(zhǎng),定位精度有待提高。

2.2負(fù)壓波測(cè)漏法

負(fù)壓波測(cè)漏原理是當(dāng)管道某處發(fā)生泄漏時(shí),該點(diǎn)局部流體流失,壓強(qiáng)突然減小,形成一個(gè)以泄漏點(diǎn)為中心的壓力波,即負(fù)壓波。負(fù)壓波以特定速度向管道首尾兩端傳輸,并最終由壓力傳感器采集,計(jì)算壓力傳感器采集到的負(fù)壓波速度及其傳播時(shí)間差就可以定位管道泄漏點(diǎn)的位置。負(fù)壓波測(cè)漏法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本相對(duì)較低,也有較高的定位精度和較快的響應(yīng)速度:但易受環(huán)境影響,不適用于管道滲漏情況。

2.3壓力梯度法

采用壓力梯度法需要通過(guò)壓力傳感器時(shí)刻監(jiān)測(cè)管道內(nèi)的壓力,理想環(huán)境下,管道內(nèi)的壓力沿管道軸向線性變化,若有泄漏發(fā)生,泄漏點(diǎn)的壓力梯度會(huì)隨著上下游流量的改變而相應(yīng)增大或減小,從而出現(xiàn)壓力變化轉(zhuǎn)折點(diǎn),對(duì)比泄漏前后管道壓力梯度的變化即可完成檢漏工作并定位泄漏點(diǎn)。但在實(shí)際工作中,管道內(nèi)壓力并非理想線性分布,因此采用壓力梯度測(cè)漏法有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的誤差,為了減小這種誤差,李俊花等將壓力梯度法與逆瞬態(tài)法相結(jié)合,采用遺傳算法對(duì)管道泄漏點(diǎn)前后的摩阻系數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算,對(duì)管道泄漏點(diǎn)進(jìn)行迭代更新計(jì)算,提高了定位精度。

2.4小波分析法

用小波分析法進(jìn)行管道泄漏點(diǎn)定位的原理是通過(guò)將含有瞬態(tài)負(fù)壓波的下降沿突變點(diǎn)的非平穩(wěn)信號(hào)與一個(gè)在頻域和時(shí)域都具有局部化特征的小波基函數(shù)進(jìn)行卷積,然后選擇合適的尺度因子和平移因子,凸顯出信號(hào)在某一個(gè)時(shí)刻的局部信息,從而檢測(cè)出信號(hào)的異常點(diǎn)。采用小波分析進(jìn)行管道泄漏檢測(cè)和泄漏點(diǎn)定位時(shí)不需要流量信息和建立精確的管線數(shù)學(xué)模型,靈敏度和準(zhǔn)確度較高,對(duì)迅速、突然出現(xiàn)的泄漏比較敏感,但它同樣對(duì)滲漏檢測(cè)效果有限,且抗干擾能力較差,容易誤報(bào)。

2.5基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道泄漏檢測(cè)方法

油氣輸送管道非線性特征明顯,難以用精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述,而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)輸入、輸出的非線性映射,具有模擬連續(xù)非線性函數(shù)的能力和自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力,非常適合建立非線性和不確定性系統(tǒng)模型。基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道泄漏檢測(cè)方法可以較為及時(shí)地檢測(cè)出管道泄漏事故的發(fā)生,并且抗干擾能力較強(qiáng)。但在工業(yè)環(huán)境中,情況復(fù)雜,難以得到覆蓋全面的數(shù)據(jù),無(wú)法滿足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模所需要的訓(xùn)練程度,所以基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道泄漏檢測(cè)方法在實(shí)際中的應(yīng)用還有很長(zhǎng)一段路要走。

2.6動(dòng)態(tài)模型法

動(dòng)態(tài)模型法是將管道內(nèi)流體的質(zhì)量、動(dòng)量平衡等動(dòng)力學(xué)方程構(gòu)建成仿真模型,并與實(shí)際管道同步運(yùn)行,同時(shí)利用儀表測(cè)量出管道的瞬時(shí)流量、壓力、溫度等參數(shù)值,將所測(cè)數(shù)值作為動(dòng)態(tài)模型的邊界條件,再用特征線法對(duì)管道模型沿時(shí)間層逐層求解,得到管道沿線的壓力分布曲線,將理想狀態(tài)下的管道壓力分布曲線和管道實(shí)際運(yùn)行曲線進(jìn)行對(duì)比,若發(fā)生泄漏,則兩條曲線會(huì)產(chǎn)生明顯偏差,再通過(guò)求解定位公式即可對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。這種方法誤報(bào)率相對(duì)較高,且模型描述的精確程度易受到管道內(nèi)外復(fù)雜環(huán)境的影響。

3管道泄漏檢測(cè)方案選擇參考

由上述分析可知,上述管道泄漏檢測(cè)定位方法有其各自的優(yōu)缺點(diǎn),適用的環(huán)境以及檢測(cè)對(duì)象也各不相同。光纖和紅外熱成像檢測(cè)法適用范圍較廣,可用于地表、地下或水下的管道檢測(cè),但紅外熱成像多用于油氣檢測(cè)。探地雷達(dá)法檢測(cè)對(duì)象多為水和氣體,一般只用于地下管道檢測(cè)?；谲浖墓艿佬孤z測(cè)方法多與硬件檢測(cè)法結(jié)合使用,用于連續(xù)監(jiān)測(cè)管道內(nèi)油氣產(chǎn)品的壓力、流速等狀態(tài),其中質(zhì)量平衡法適用于流量計(jì)方便安裝的管道,壓力梯度法不適合三高原油的檢測(cè),負(fù)壓波法則較適用于短距離管道檢測(cè)。但無(wú)論選擇哪種方案,都需要滿足美國(guó)石油學(xué)會(huì)制定的靈敏度、準(zhǔn)確度、可靠性和適應(yīng)性等標(biāo)準(zhǔn)。

4結(jié)論與展望

本文分析了常用的管道泄漏檢測(cè)方法,認(rèn)為較理想的測(cè)漏方法一般應(yīng)達(dá)到以下幾點(diǎn)要求:(1）能夠?qū)艿佬孤┳龅筋A(yù)警:（2）智能化,成本低,精度高:（3）響應(yīng)速度快,定位準(zhǔn)確:（4）能夠?qū)崿F(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。

管道泄漏的智能檢測(cè)和定位是管道運(yùn)輸未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)內(nèi)容,現(xiàn)有技術(shù)大多易受環(huán)境干擾而出現(xiàn)誤報(bào),且定位精度不高。隨著各學(xué)科的融合和科學(xué)技術(shù)的日新月異,以軟件為主、軟硬件融合的智能化綜合管道泄漏檢測(cè)和定位技術(shù)必將日趨完善。另外,融合了光纖傳感技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的管道泄漏檢測(cè)方法不易受電磁環(huán)境影響,具有檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍廣、靈敏度高和可實(shí)時(shí)在線檢測(cè)的特點(diǎn),因此,開(kāi)發(fā)基于分布式光纖傳感技術(shù)的管道檢測(cè)和定位系統(tǒng)并將其付諸應(yīng)用,將會(huì)成為今后一段時(shí)間內(nèi)管道測(cè)漏技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。