宋 源

（中國石油 青海油田公司冷湖油田管理處，青海 海西 816300）

用管道傳輸能量被認(rèn)為是安全、經(jīng)濟的運輸方法，但是石油和天然氣具有易燃、易爆等特點，當(dāng)管道發(fā)生泄漏事故時，容易造成爆炸、火災(zāi)、中毒、污染環(huán)境等一系列災(zāi)害，如果發(fā)生在居民聚集區(qū)，將會造成更為嚴(yán)重的后果。輸油和輸氣管道發(fā)生泄漏的原因包括外力損傷、材料設(shè)備、腐蝕、施工質(zhì)量、違規(guī)操作、自然災(zāi)害等主要原因[1]。

20 世紀(jì)80 年代后期，人們的安全與環(huán)保意識逐漸增加。同時，許多管道系統(tǒng)的運行已經(jīng)接近設(shè)計使用年限[2,3]。為了滿足安全和環(huán)保的要求，工作人員越來越多地開始利用各種先進檢測手段對管道狀態(tài)和整體性進行全面細(xì)致的分析。本文按照基于硬件和軟件的方法概述了國內(nèi)外油氣管道泄漏檢測技術(shù)，并對管道泄漏檢測檢測方法進行對比。

1 管道檢測的必要性

對管道實施檢測，可以準(zhǔn)確掌握管道的運行狀況，并對一些管道存在的問題進行及時的維修，就可以避免一些事故的發(fā)生，同時也能大大延長管道的使用壽命，經(jīng)濟效益十分可觀[4]。具體包括如下方面：

(1)減少輸送介質(zhì)損失；

(2)減少管道停輸造成的損失；

(3)減少管道事故造成的環(huán)境污染及人身安全傷害損失。

因此，管道檢測是保障輸油輸氣管道正常生產(chǎn)的重要保證，正在日益成為輸油輸氣管道建設(shè)中必不可少的一部分。

2 基于硬件的泄漏檢測方法

基于硬件的管道泄漏檢測方法主要有觀察巡視法、放射性示蹤法、分布式光纖溫度傳感器監(jiān)測法、激光檢測法、氣體成像法、超聲波檢漏法、電纜檢測法等。

2.1 觀察巡視法

此種方法是由專業(yè)的管道管理操作人員或經(jīng)過嚴(yán)格訓(xùn)練過的動物建立專職的巡線隊伍，對管線進行不定期或定期的巡查，通過看、聞、聽等方式查看輸油管線是否發(fā)生泄漏。目前該方法也運用了現(xiàn)代的高科技手段，例如美國的OILTON 等公司運用機載紅外線技術(shù)，它通過高精度的紅外攝像機分析管道周圍微小的溫度變化來判斷管道是否發(fā)生泄漏。該方法原理簡單，可操作性強，費用較高，但實時性差。檢測結(jié)果主要依賴于個人經(jīng)驗和查看前后泄漏的發(fā)展，無法對管道泄漏進行連續(xù)檢測，靈敏性差[5]。此方法適用于所有埋地管道。

目前國內(nèi)的大多數(shù)油氣管道都配備了專業(yè)的管道巡線員。國內(nèi)個別管道公司采用直升飛機進行巡線。

2.2 放射性示蹤法

在輸送的油品中加入一定比例的具有放射性的指示劑，當(dāng)輸油管道發(fā)生泄漏時，放射性指示劑滲入土壤，當(dāng)輸油管道加隔離球輸送純凈油品時，將殘余的放射性指示劑洗刷干凈，然后放入探測器，在漏點能探測出放射性信號，通過計算機就能定位漏點的位置[6]。

2.3 分布式光纖溫度傳感器監(jiān)測法

在加熱輸油管道發(fā)生泄漏時，分布式光纖溫度傳感器能夠非常準(zhǔn)確的測量和感知管道周圍溫度的變化，從而精確定位管道泄漏的位置。分布式光纖溫度技術(shù)是根據(jù)拉曼光反射、布里淵光反射和光纖光柵原理研制出來的。這種檢測方法的精確度能達到0.5～2.0 m?，F(xiàn)在國外已應(yīng)用基于光纖光柵原理的準(zhǔn)分布式溫度傳感系統(tǒng)，目前國內(nèi)也正在應(yīng)用該項技術(shù)進行泄漏檢測[7,8]。

2.4 激光檢測法

該方法是利用激光吸收光譜及諧波探測的基本原理，基于現(xiàn)代光學(xué)、微電子學(xué)和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)，其測量系統(tǒng)主要包括激光掃描探頭、運動控制和定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)三個部分[9]。

2.5 氣體成像法

近年來，氣體成像法技術(shù)采用光在空氣中發(fā)生折射而成像的理論進行管道泄漏的檢測，主要用于輸氣管道泄漏時的檢測，該設(shè)備簡單輕巧，易使用。如英國的 GMI 公司基于紅外光譜吸收技術(shù)研制的OMD 系統(tǒng)就是基于氣體成像的原理，它是一種新型車載檢漏設(shè)備，主要用于城市燃?xì)夤艿佬孤z測，其檢測精度可達1 μg/g[10]。

2.6 電纜檢測法

這種檢漏方法是通過沿輸油管道鋪設(shè)包有特殊絕緣層的電纜，這種絕緣層遇到油品會溶解，因此當(dāng)管道泄漏時將會出現(xiàn)短路而發(fā)出警報，并為定位泄漏位置提供保障[11]。

3 基于軟件的泄漏檢測方法

基于硬件的管道泄漏檢測方法主要有流量平衡法、負(fù)壓波法、壓力點分析法、分段試壓法和實時模型法等。

3.1 流量平衡法

該方法是基于管道流體流動的質(zhì)量守恒原理，即一條不泄漏的管道內(nèi)，“流入與流出必相等”。實時測出管道出口與入口流量，有差值則表明管道內(nèi)可能發(fā)生泄漏[12]。實際上，由于所測流量取決于流體的各種性質(zhì)（如溫度、壓力、密度、黏度）以及流體的狀態(tài)，而使情況變得復(fù)雜，在實際應(yīng)用中可用一些公式進行修正。

3.2 負(fù)壓波法

當(dāng)輸油管道發(fā)生泄漏時，管內(nèi)流體在泄漏點流失，因此引起該點的密度減小，壓力瞬間下降，且在此處產(chǎn)生以一定速度向上、下游傳播的負(fù)壓波，設(shè)置在泄漏點兩端的檢波器能檢測到傳到各自的時間，從而推算出傳到上下游的時間差，由負(fù)壓波的傳播速度與時間差確定泄漏點的位置[13,14]。

3.3 壓力點分析法

壓力點分析法(PPA)是一種非常有效地檢測液體、氣體及某些多相流管道泄漏方法。當(dāng)管道運行正常時，其密度與壓力的變化呈現(xiàn)為連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)管道發(fā)生泄漏，穩(wěn)定的運行狀態(tài)將被破壞，隨之建立新的穩(wěn)定狀態(tài)。在這一過程中，管道內(nèi)將產(chǎn)生一擴張波，并沿管道傳輸，管道內(nèi)各點壓力并隨之變化。安裝在管道上的檢測裝置將會檢測到傳來的泄漏特征信號[15]。通過分析檢測到的信號，提取數(shù)據(jù)變化曲線，并與穩(wěn)定狀態(tài)下的相比較，從而確定管道是否出現(xiàn)泄漏。

3.4 分段試壓法

此方法是按順序分段關(guān)閉管道上的閥門，通過觀測關(guān)閉管段壓力的變化，從而確定管道泄漏位置和程度[16]。國家相關(guān)部門制定了管道安全規(guī)則，這個安全規(guī)則要求新投產(chǎn)的管道或者改線的管道、更換管道后再投產(chǎn)的都應(yīng)進行分段試壓法。這種方法不足之處在于工作量較大，檢測比較費時，且無法用于運行的管道。

3.5 實時模型法

這種方法通過動量平衡、質(zhì)量平衡、流體動力及流量平衡方程建立數(shù)學(xué)模型模擬液體在管道內(nèi)的流動，以定時測取運行管道的實際值作為初值條件，對管道內(nèi)的流體的流量和壓力等參數(shù)做出預(yù)測[17,18]。將預(yù)測值與實際測量值進行對比來判斷是否泄漏，并確定泄漏位置，這種方法定位精確，但誤報率較高。

4 管道泄漏檢測的技術(shù)指標(biāo)及對比

管道泄漏檢測的各種方法都有各自的優(yōu)缺點，為了對這些方法進行比較，應(yīng)建立一套評價指標(biāo)。通常來說，對一種泄漏檢測方法優(yōu)劣或一個檢漏系統(tǒng)性能的評價應(yīng)從以下幾個方面加以考慮：

(1)靈敏度。能檢測到的最小瞬時泄漏量與當(dāng)時管道瞬時輸量之比的百分?jǐn)?shù)。

(2)定位精度。系統(tǒng)檢測出的泄漏點位置跟實際位置間的誤差與管道長度之比的百分比。

(3)評估能力。管道泄漏檢測方法是否能夠檢測出泄漏位置及泄漏量大小的能力。

(4)反應(yīng)時間。泄漏發(fā)生后系統(tǒng)能檢測出來的最短時間。

(5)有效性。泄漏檢測系統(tǒng)是否能連續(xù)監(jiān)測整條管道。

(6)誤報率。系統(tǒng)誤報次數(shù)占總報警次數(shù)的百分比。

(7)適應(yīng)能力。管道泄漏檢測方法是否能在管道所處的任何條件下對管道泄漏進行檢測的能力。

(8)可維護性。管道泄漏檢測系統(tǒng)是否能過對簡單問題進行自我修復(fù)或操作工作者進行簡單維修。

(9)費用。泄漏檢測系統(tǒng)所產(chǎn)生的一切費用。主要管道泄漏檢測方法性能對比見表1。

表1 管道泄漏檢測方法性能對比Table 1 Performance comparison of leakage-detection techniques for oil-gas pipelines

5 管道泄漏檢測技術(shù)展望

基于計算機技術(shù)的檢測系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種類型的管道系統(tǒng)，并且仍將不斷發(fā)展和進步。計算機硬件處理能力的提高、新軟件的開發(fā)、降低運行和維修成本的壓力以及先進統(tǒng)計和追蹤系統(tǒng)的研發(fā)，都將推動管道檢測技術(shù)向前發(fā)展。

利用這種控制系統(tǒng)進行控制和數(shù)據(jù)采集時切實可行的。該控制系統(tǒng)已經(jīng)不僅被用于大型復(fù)雜的管道系統(tǒng)，即使小規(guī)模管道系統(tǒng)，也可采用自動監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和分析計算，以減小人力物力消耗。盡管操作條件變化可能不大，但是一年中累積的節(jié)約量是相當(dāng)可觀的。

結(jié)合系統(tǒng)控制，對旋轉(zhuǎn)設(shè)備和其他系統(tǒng)組件進行實時監(jiān)控可以降低燃料消耗。評估顯示，對泵、壓縮機和其他機械驅(qū)動裝置進行實時監(jiān)控，可減少維修費并延長設(shè)備的使用壽命。

計算機軟件也會變得更加簡便和實用。管道操作和設(shè)計人員可通過計算機完成日常工作。此外，隨著軟件功能的日益強大，新技術(shù)從研究到投入生產(chǎn)所經(jīng)歷的周期也會大大縮短。許多現(xiàn)代化的管道系統(tǒng)都包括進油點和分油點，同時也可以輸送多種油品。只有利用計算機進行控制、計量和設(shè)備檢測，才能使整個系統(tǒng)高效運行。

管道泄漏檢測技術(shù)的發(fā)展也將進一步得益于管道系統(tǒng)的計算機模擬。泄漏檢測過程中，需要實時掌握各個參數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)值，而獲得這些實時數(shù)據(jù)唯一的方式就是將檢測設(shè)備實時掃描獲得的數(shù)據(jù)不斷傳入計算機。計算機能過計算進入和流出管段流體的體積流量，最后通過比較來判斷是否發(fā)生泄漏。今后，管道系統(tǒng)的計算機模擬將越來越多地用于處理和解決復(fù)雜的設(shè)計問題，如兩相流問題。

計算機監(jiān)控和模擬的普遍應(yīng)用，必將導(dǎo)致監(jiān)控和檢測效率的提高、操作成本的降低和安全性的提高。

［1］ 王為民.國內(nèi)外石油管道輸送技術(shù)發(fā)展綜述[J].管道技術(shù)與設(shè)備，1997，27(4): 4-8.

［2］ 付道明，孫軍，賀志剛，等.國內(nèi)外管道泄漏檢測技術(shù)研究進展[J].石油機械，2004，32(3): 48-51.

［3］ Butter N C. Pipeline leak detection techniques[J]. Pipes & Pipelines International，1982，4： 70-92.

［4］ 鄭志偉，劉麗川，劉鎏，等.油氣管道泄漏檢測技術(shù)概述[J].化工設(shè)備與管道，2009,46（5）：41-46.

［5］ 李煒，朱蕓.長輸管線泄漏檢測與定位方法分析[[J].天然氣工業(yè)，2005，25(6)：105-110.

［6］ Rover C, Meyer R, Christensen N. Bayesian inference on compact binary inspiral gravitational radiation signals [J]. Classical and Quantum Gravity，2006，23(2): 4895-4906.

［7］ Nagat M. Sensitive liquid sensor for long distance leak detection[J].SPIE，2000：1367-1374.

［8］ Saini D P, Coulter S L. Fiber sensors sniff out environmental pollutants[J]. Photonics Spectra，1996，38(5)：91-94.

［9］ Sandberg C. The application of a continuous leak detection system to pipeline and associated equipments[J]. IEEE Transcation on industry application，1989，25(5)：906-909.

［10］Dr Whaley R S, Nicholas R E, Reet J D. Tutorial on software based leak detection techniques[J]. Scientific software intercoms，1992，17(10)：120-132.

［11］李文軍，王學(xué)英.油氣管道泄漏檢測與定位技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].煉油技術(shù)與工程，2005， 35(9): 49- 52.

［12］劉恩斌，彭善碧，李長俊.現(xiàn)代管道泄漏檢測技術(shù)探討[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2004 (5)：17-19.

［13］元強，劉吉東.應(yīng)用負(fù)壓波法檢測管道泄漏的技術(shù)研究[J].油氣田地面工程，2002，18(1)：100-103.

［14］李建新，鄧雄.基于負(fù)壓波和流量平衡的管道檢測系統(tǒng)研究[J].石油和化工設(shè)備，2009，24(1)：30-34.

［15］王立寧，李健，靳世久.熱輸油管道瞬態(tài)壓力波法泄漏點定位研究[J].石油學(xué)報，2000，21(4): 93-96.

［16］陽子軒. 復(fù)雜管道泄漏檢測技術(shù)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

［17］Ferrante M, Brunone B. Pipe system diagnosis and leak detection by unsteady-state tests 2 wavelet analysis [J].Advance in Water Resources，2003，26(3)：107-116.

［18］Beck S B M, Curren M D, Sims N D. Pipeline system identification through cross correlation analysis [J]. Process Mechanical Engineering，2002，21(6)：715-723.