王彥升 陳 雷 葛烜鑄 賈彥強(qiáng) 蔣波沱 邢曉龍 張 旭

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 安全工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110136）

0 引言

油氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)是保障管道安全生產(chǎn)的重要手段。由于監(jiān)測(cè)要求的不斷提高，泄漏檢測(cè)方法經(jīng)歷了從以硬件為主的階段到以軟件為主軟硬結(jié)合的發(fā)展過(guò)程。近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展與現(xiàn)代控制理論的進(jìn)展，基于泄漏檢測(cè)方法以其較高的性價(jià)比、靈活的運(yùn)用方式獲得了廣泛的應(yīng)用已經(jīng)成為對(duì)管道泄漏進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)的主要手段。本文在此基礎(chǔ)上對(duì)泄漏檢測(cè)技術(shù)及發(fā)展研究現(xiàn)狀進(jìn)行探討。

1 泄漏檢測(cè)技術(shù)方法

根據(jù)檢測(cè)過(guò)程中所使用的測(cè)量手段不同，分為基于硬件和軟件的方法；根據(jù)測(cè)量分析的媒介不同，可分為直接檢測(cè)法與間接檢測(cè)法；根據(jù)檢測(cè)過(guò)程中檢測(cè)裝置所處位置不同，可分為內(nèi)部檢測(cè)法與外部檢測(cè)法；根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同，可分為檢測(cè)管壁狀況和檢測(cè)內(nèi)部流體狀態(tài)的方法。

1.1 聲發(fā)射技術(shù)法

當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，流體通過(guò)裂紋或者腐蝕孔向外噴射形成聲源，然后通過(guò)和管道相互作用，聲源向外輻射能量形成聲波，這就是管道泄漏聲發(fā)射現(xiàn)象。當(dāng)管道出現(xiàn)泄漏時(shí)，管道中的流體被擾動(dòng)，接收換能器上的電壓將發(fā)生明顯變化。通過(guò)采集若干個(gè)泄漏點(diǎn)電壓變化量，描繪出泄漏點(diǎn)與電壓變化量的關(guān)系曲線，并求出曲線對(duì)應(yīng)的方程。用這種方法，可以立即發(fā)現(xiàn)泄漏，進(jìn)而根據(jù)擬合曲線或方程確定泄漏點(diǎn)的位置。在實(shí)驗(yàn)室中，通過(guò)測(cè)量得到不同泄漏點(diǎn)位置所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，描繪出泄漏點(diǎn)位置與電壓信號(hào)變化量的曲線，進(jìn)而得到其擬合曲線以及函數(shù)表達(dá)式，即可實(shí)時(shí)觀測(cè)管道的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)并確定泄漏點(diǎn)的位置[1]。

1.2 GPS 時(shí)間標(biāo)簽法

采用GPS 同步時(shí)間脈沖信號(hào)是在負(fù)壓波的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化各傳感器數(shù)據(jù)采集的信號(hào)同步關(guān)系，通過(guò)采樣頻率與時(shí)間標(biāo)簽的換算，分別確定管道泄漏點(diǎn)上游和下游的泄漏負(fù)壓波的速度，然后利用泄漏點(diǎn)上下游檢測(cè)到的泄漏特征信號(hào)的時(shí)間標(biāo)簽差，就可以確定管道泄漏的位置。采用GPS 進(jìn)行同步采集數(shù)據(jù)，泄漏定位精度可達(dá)到總管線長(zhǎng)度的1%之內(nèi)，比傳統(tǒng)方法精度提高近3 倍[2]。

1.3 壓力點(diǎn)分析法

該方法是在站場(chǎng)或干線某位置上安裝一個(gè)壓力傳感器，泄漏時(shí)漏點(diǎn)產(chǎn)生的負(fù)壓波向檢測(cè)點(diǎn)傳播，引起該點(diǎn)壓力（或流量）變化，分析比較檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)與正常工況的數(shù)據(jù)，可檢測(cè)出泄漏。再由負(fù)壓波傳播速度和負(fù)壓波到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間可進(jìn)行漏點(diǎn)定位。此法具有優(yōu)良的檢漏性能，能在10 min 內(nèi)確定50 gal/min 的漏失。該方法適用于檢測(cè)氣體、液體和某些多相流管道，已廣泛應(yīng)用于各種距離和口徑的管道泄漏檢測(cè)。

1.4 壓力梯度法

當(dāng)管道正常輸送時(shí)，站間管道的壓力坡降呈斜直線，當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，漏點(diǎn)前后的壓力坡降呈折線狀，折點(diǎn)即為泄漏點(diǎn)，據(jù)此可算出實(shí)際泄漏位置。壓力梯度法只需要在管道兩端安裝壓力傳感器，簡(jiǎn)單、直觀，不僅可以檢測(cè)泄漏，而且可確定泄漏點(diǎn)的位置。但因?yàn)楣艿涝趯?shí)際運(yùn)行中，沿線壓力梯度呈非線性分布，因此壓力梯度法的定位精度較差，而且儀表測(cè)量對(duì)定位結(jié)果有很大影響。所以壓力梯度法定位可以作為一個(gè)輔助手段。此方法對(duì)原油（或其他流體）在黏度、密度、比熱容等特性方面隨著沿程溫度下降有較大變化的管道顯示出很大的優(yōu)越性，但該方法需要流量信號(hào)，而且需要建立較復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，增加了計(jì)算工作量[3-10]。

1.5 狀態(tài)估計(jì)法

該方法根據(jù)質(zhì)量平衡方程、動(dòng)量平衡方程、能量平衡方程及狀態(tài)方程等機(jī)理建模。得到一個(gè)非線性的分布式參數(shù)系統(tǒng)模型，通?？刹捎貌罘址ɑ蛱卣骶€法等方法將其線性化。設(shè)計(jì)狀態(tài)估計(jì)器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，將估計(jì)值作為泄漏檢測(cè)的依據(jù)，這就是基于狀態(tài)估計(jì)的方法的基本原理。其中估計(jì)器可以是觀測(cè)器，也可以是Kalman 濾波器。根據(jù)建立模型的方法，狀態(tài)估計(jì)法可分為不包含故障的模型法和包含故障的模型法。

1.5.1 不包含故障的模型法

建立管道模型并設(shè)計(jì)估計(jì)器，模型中不含有泄漏的信息。當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，模型估計(jì)值與實(shí)際測(cè)量值將產(chǎn)生殘差，可用殘差信號(hào)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)定位。

1.5.2 包含故障的模型法

建立管道模型時(shí)預(yù)先假設(shè)管道有幾處指定的位置發(fā)生了泄漏，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)得到這幾個(gè)預(yù)先假設(shè)的泄漏點(diǎn)的泄漏量估計(jì)值，運(yùn)用適當(dāng)?shù)呐袆e準(zhǔn)則便可進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位。該方法在長(zhǎng)90 km、內(nèi)徑785 mm 的氣體管道上，在80 min 內(nèi)可檢測(cè)出2%的泄漏量，并在100 min 內(nèi)可完成定位，定位精度比較高。但當(dāng)實(shí)際泄漏點(diǎn)不處于指定泄漏點(diǎn)之間時(shí)，定位公式將無(wú)法使用。對(duì)于氣體管道，檢測(cè)速度相對(duì)較慢，仍需設(shè)置流量計(jì)[5－6,8-12]。

1.6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)管道泄漏的方法，不同于已有的基于管道準(zhǔn)確流動(dòng)模型描述的泄漏檢測(cè)法，能夠運(yùn)用自適應(yīng)能力學(xué)習(xí)管道的各種工況，對(duì)管道運(yùn)行狀況進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，是一種基于經(jīng)驗(yàn)的類(lèi)似人類(lèi)的認(rèn)知過(guò)程的方法。這種方法十分靈敏有效，能夠迅速準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出管道運(yùn)行情況，檢測(cè)出管道運(yùn)行故障并且有較強(qiáng)的抗惡劣環(huán)境和抗噪聲干擾的能力。泄漏引發(fā)應(yīng)力波適當(dāng)?shù)奶卣魈崛≈笜?biāo)能顯著提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 的 運(yùn) 算 速 度[5－6,11-14]。

1.7 統(tǒng)計(jì)檢漏法

該方法采用一種“順序概率測(cè)試”假設(shè)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析方法，從實(shí)際測(cè)量到的流量和壓力信號(hào)中實(shí)時(shí)計(jì)算泄漏發(fā)生的置信概率。在實(shí)際統(tǒng)計(jì)上，輸入和輸出的質(zhì)量流通過(guò)流量變化來(lái)平衡。在輸入的流量和壓力均值與輸出的流量和壓力均值之間會(huì)有一定的偏差，但大多數(shù)偏差在可以接受的范圍之內(nèi)，只有一小部分偏差是真正的異常。通過(guò)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差和檢驗(yàn)零假設(shè)，對(duì)偏差的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，來(lái)判斷是否出現(xiàn)故障。泄漏發(fā)生后，采用一種最小二乘算法進(jìn)行定位[9]。

2 存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 存在的問(wèn)題

一個(gè)高效可靠的管道泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng)，必須在發(fā)生微小的泄漏時(shí)，能在最短的時(shí)間內(nèi)，正確地報(bào)警，準(zhǔn)確地指出泄漏位置，并較好地估計(jì)出泄漏量，而且對(duì)工況的變化適應(yīng)性要強(qiáng)，即泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng)誤報(bào)率、漏報(bào)率低，還應(yīng)便于維護(hù)。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，首先要正確分析工況條件及最終性能要求，明確各性能要求的主次關(guān)系，然后從眾多的泄漏檢測(cè)方法中進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)適當(dāng)權(quán)衡和取舍，最后選定最優(yōu)解決方案[15-17]。長(zhǎng)輸管道的泄漏檢測(cè)與定位在工程實(shí)踐中已取得了很大進(jìn)步，同時(shí)也暴露了許多問(wèn)題。例如，長(zhǎng)輸管道的小泄漏檢測(cè)和定位仍是重點(diǎn)問(wèn)題、長(zhǎng)輸管道的非線性分布參數(shù)的時(shí)間滯后問(wèn)題等。

2.2 發(fā)展趨勢(shì)

目前的泄漏檢測(cè)和定位手段是多學(xué)科多技術(shù)的集成，特別是傳感器技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、通信技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專(zhuān)家系統(tǒng)、粗糙集理論等人工智能技術(shù)等的發(fā)展，促進(jìn)了泄漏檢測(cè)定位方法的實(shí)現(xiàn)。可對(duì)流量、壓力、溫度、密度、黏度等信息進(jìn)行采集和處理，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型、信號(hào)處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式分類(lèi)，或通過(guò)模糊理論對(duì)檢測(cè)區(qū)域或信號(hào)進(jìn)行模糊劃分，利用粗糙集理論簡(jiǎn)約模糊規(guī)則，從而提取故障特征等基于知識(shí)的方法進(jìn)行檢測(cè)和定位。

2.2.1 實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)

實(shí)際的輸送管道是非線性時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，因此自適應(yīng)算法的應(yīng)用是液體輸送管道泄漏檢測(cè)技術(shù)研究的一個(gè)重要內(nèi)容。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有并行分布、容錯(cuò)性、自組織、自聯(lián)想、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)等許多特點(diǎn)，因此在設(shè)備故障預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)和診斷領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，它也被用于輸送管道泄漏的檢測(cè)。但基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢漏法仍處于試驗(yàn)階段，還有許多有待解決的問(wèn)題。

2.2.2 濾波方法

實(shí)際輸送管道的泄漏檢測(cè)信號(hào)（如壓力）中混雜著大量的噪聲，這些工程背景噪聲的幅度有時(shí)甚至可以將泄漏產(chǎn)生的有用信號(hào)淹沒(méi)。因此，有效的濾波方法是液體輸送管道泄漏檢測(cè)技術(shù)研究的一個(gè)重要內(nèi)容。

2.2.3 虛擬儀器技術(shù)

由于液體輸送管道泄漏檢測(cè)的多樣性和復(fù)雜性，單一的泄漏檢測(cè)方法很難同時(shí)滿足檢測(cè)泄漏靈敏度、定位準(zhǔn)確度、誤報(bào)警率和及時(shí)報(bào)警等多項(xiàng)要求。為了提高輸送管道泄漏檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性，應(yīng)將各種泄漏檢測(cè)方法有機(jī)結(jié)合，可使用虛擬儀器技術(shù)。因此，虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用是液體輸送管道檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要內(nèi)容。利用虛擬技術(shù)，綜合各種泄漏檢測(cè)方法，通過(guò)開(kāi)發(fā)不同的測(cè)試和分析軟件模塊，可以靈活、方便地構(gòu)成以計(jì)算機(jī)為核心的全數(shù)字化的輸送管道自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)將成為集測(cè)試、信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)通信等為一體的綜合性監(jiān)控系統(tǒng)。這種系統(tǒng)模式將具有成本低、研制周期短以及系統(tǒng)的功能可增加和升級(jí)等顯著特點(diǎn)。

2.2.4 其他

將建立管道的數(shù)學(xué)模型和某種信號(hào)處理方法相結(jié)合；將管外檢測(cè)技術(shù)和管內(nèi)檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合；將智能方法引入檢測(cè)和定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)、機(jī)器人檢測(cè)和定位等。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，泄漏檢測(cè)方法很多，一條管道要選用哪種泄漏監(jiān)測(cè)或檢測(cè)方法則要根據(jù)管道的設(shè)計(jì)參數(shù)、傳輸介質(zhì)的參數(shù)、設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和數(shù)據(jù)通訊能力來(lái)綜合選擇，沒(méi)有一種單一的泄漏監(jiān)測(cè)或檢測(cè)方法可適用任何管道。無(wú)論采用何種方法，都要提高對(duì)微小的緩慢泄漏量檢測(cè)的靈敏度以及對(duì)泄漏點(diǎn)定位的精度。在現(xiàn)有條件下，要按照科學(xué)的最佳管道泄漏檢測(cè)與定位方法技術(shù)組合的方案，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用中考慮各種檢漏方法的特點(diǎn)，繼續(xù)開(kāi)發(fā)運(yùn)用新型高效管道泄漏檢測(cè)和定位的自動(dòng)化技術(shù)方法，迅速、準(zhǔn)確、及時(shí)地采用恰當(dāng)措施發(fā)現(xiàn)、控制和解決險(xiǎn)情，更好地保護(hù)和改善環(huán)境，保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

［1］崔中興,李松梅,劉文,等.油氣管道聲波法測(cè)漏技術(shù)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2002,21(7):35-37.

［2］夏海波.基于GPS 時(shí)間標(biāo)簽的管道泄漏定位方法[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2003,11(3):161-176.

［3］靳世久,姜弘彥.強(qiáng)環(huán)境下噪聲地下管道泄漏檢測(cè)[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),1994,27(6):782-787.

［4］吳海霞,蔣耘晨,趙顯利.運(yùn)用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)輸油管道泄漏監(jiān)測(cè)和定位[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24(2):174-177.

［5］朱蕓.天然氣長(zhǎng)輸管道泄漏檢測(cè)與定位方法研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2005.

［6］李煒,朱蕓. 長(zhǎng)輸管線泄漏檢測(cè)與定位方法分析[J].天然氣工業(yè),2005,25(6):105-109.

［7］張曉鐘.油品儲(chǔ)運(yùn)檢測(cè)診斷技術(shù)綜述[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),1995,14(6):44-47.

［8］李?lèi)?ài)英,王凱全,邵輝.管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)及其研究進(jìn)展[J].江蘇石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，14(4):14-17.

［9］蘇欣,袁宗明.油氣長(zhǎng)輸管道檢漏技術(shù)綜述[J].石油化安全技術(shù),2005,21(4):14-17:26.

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

［11］董東,王桂增.Kalman 濾波器在長(zhǎng)輸管道泄漏診斷中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),1990,16(4):303-309.

［12］陶洛文.以辨識(shí)為基礎(chǔ)的長(zhǎng)輸管線故障定位[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào),1986，26(2):69-75.

［13］唐秀家,彥大春.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道泄漏檢測(cè)儀器及方法[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào),1997,33(3):319-326.

［14］倫淑嫻,張化光,馮健.自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在管道泄漏檢測(cè)中的應(yīng)用[J].石油學(xué)報(bào),2004,25(4):101-104.

［15］張連文.管道泄漏檢測(cè)技術(shù)及評(píng)價(jià)[J].油氣田地面工程,2003,22(4):1-3.

［16］常景龍,李鐵.輸氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)化和選擇[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2000,19(5):9-13,17.

［17］付道明,孫軍,賀志剛,等.國(guó)內(nèi)外管道泄漏檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J].石油機(jī)械,2004，32(3):48-51.