張曉靈，公彥蒙，翁曉霞，白 勇，李清平，姚海元

(1.中海油能源發(fā)展管道工程公司，天津 300452； 2.浙江大學(xué)，杭州 310058；3.中海油研究總院，北京100027)

?

管道泄漏檢測(cè)研究現(xiàn)狀

張曉靈1，公彥蒙2，翁曉霞2，白 勇2，李清平3，姚海元3

(1.中海油能源發(fā)展管道工程公司，天津 300452； 2.浙江大學(xué)，杭州 310058；3.中海油研究總院，北京100027)

管道泄漏檢測(cè)可為管道運(yùn)行安全提供重要保證?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外陸地和海底管道的泄漏檢測(cè)方法。由于現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，采用單一方法進(jìn)行泄漏檢測(cè)并不能得到滿意的結(jié)果，尤其是海底管道，因此需要多種方法結(jié)合使用。對(duì)基于外部和內(nèi)部檢測(cè)的各種方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用情況(陸地/海底，單相/多相等)等做了介紹。對(duì)敏感性、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性以及泄漏反應(yīng)時(shí)間等做了對(duì)比。為管道泄漏檢測(cè)的研究提供參考。

管道泄漏檢測(cè)；敏感性；實(shí)時(shí)性；陸地；海底

0 引言

管道泄漏是管道運(yùn)行中的主要故障，會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失并污染環(huán)境。為了最大限度地降低管道泄漏帶來的損失，一般要求管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)具備以下幾個(gè)特點(diǎn)[1]：(1) 靈敏性。泄漏檢測(cè)系統(tǒng)能夠檢測(cè)到泄漏，并在此泄漏量下以最短的時(shí)間進(jìn)行泄漏報(bào)警。(2) 魯棒性。當(dāng)儀表出現(xiàn)故障或者管道的工作狀態(tài)發(fā)生瞬變時(shí)，泄漏檢測(cè)系統(tǒng)是否仍能夠進(jìn)行泄漏檢測(cè)。(3) 易維護(hù)。檢漏系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，容易進(jìn)行系統(tǒng)的恢復(fù)。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外一些先進(jìn)的管道泄漏檢測(cè)方法進(jìn)行了廣泛的調(diào)查和研究，為管道泄漏檢測(cè)的研究提供參考。

1 檢測(cè)方法

檢測(cè)分為管內(nèi)檢測(cè)和管外檢測(cè)[2]。根據(jù)不同原理，可分別基于硬件或軟件進(jìn)行檢測(cè)。

1.1 基于外部的泄漏檢測(cè)方法

(1) 光纖法

光纖法可通過聲波頻率來定位和測(cè)量機(jī)械干擾，這些干擾可能是由震動(dòng)、地震波、氣體或者液體泄漏等引起的。此時(shí)可以檢測(cè)到泄漏，且定位精度大約1 m，通過與數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比，從而確定引起干擾的原因。光纖法可通過將光纖測(cè)試管道的溫度分布傳輸給特定軟件，通過溫度分布判斷是否發(fā)生泄漏并確定泄漏的位置。要求光纖均勻的分布在管道周圍。

光纖法適用于氣體、液體和多相流管道。其定位和檢測(cè)精度高，對(duì)電磁干擾具有免疫性。但光纖價(jià)格較為昂貴，進(jìn)行泄漏檢測(cè)時(shí)需建立干擾因素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。

北京鵬達(dá)實(shí)創(chuàng)科技發(fā)展有限公司研制的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)通過單模光纖把管道的溫度分布傳送給分析軟件，通過軟件對(duì)比其他區(qū)域的溫度來判斷是否產(chǎn)生泄漏,其探測(cè)距離最長(zhǎng)為80 km，主要用于陸地管道。瑞士Omnisens公司開發(fā)了分布式光纖管道測(cè)漏傳感器，如圖1所示。

圖1 分布式光纖管道測(cè)漏傳感器

(2) 電容法

電容法[3]通過電容傳感器檢測(cè)周圍物質(zhì)介電常數(shù)的變化來測(cè)漏。電容器由同一平面上的兩個(gè)同心、絕緣的電容板組成，一個(gè)是圓盤，另一個(gè)是周圍環(huán)。傳感器電容與電容板間介質(zhì)的介電常數(shù)成正比。海水和碳?xì)浠衔锏慕殡姵?shù)差異很大。如果傳感器與碳?xì)浠衔镏苯咏佑|，則所測(cè)量的電容將改變。在進(jìn)行泄漏檢測(cè)時(shí)，電容傳感器依賴收集器的形狀和尺寸。由于聚結(jié)問題，相比天然氣，不太適合原油檢測(cè)。

電容傳感器技術(shù)成熟度很高，自1990年開始就已經(jīng)面向市場(chǎng)。電容傳感器會(huì)產(chǎn)生很多誤報(bào)警，原因是沿程安裝了許多傳感器。

(3) 生物傳感器法

生物傳感器法利用生物對(duì)周圍環(huán)境污染的反應(yīng)進(jìn)行測(cè)漏。合適的生物體被放置在結(jié)構(gòu)中進(jìn)行檢測(cè)。生物體用作傳感器的一個(gè)例子是貽貝，傳感器記錄心臟的節(jié)奏和力度以及跳動(dòng)頻率等。此方法適用于氣體和液體，并在淺水區(qū)進(jìn)行過檢測(cè)，在深水區(qū)還未進(jìn)行過檢測(cè)。生物傳感器方法雖然能夠進(jìn)行泄漏檢測(cè)，但是無法進(jìn)行泄漏定位。

(4) 光學(xué)相機(jī)法

光學(xué)相機(jī)法是利用一臺(tái)攝像機(jī)監(jiān)控水下的系統(tǒng)。此技術(shù)依賴于相機(jī)空間覆蓋范圍和相機(jī)到泄漏的方向。光學(xué)相機(jī)法的能力是3～30 min記錄和發(fā)送動(dòng)態(tài)圖，每小時(shí)記錄和發(fā)送1～10張靜態(tài)圖。光學(xué)相機(jī)檢漏法對(duì)水的濁度以及生物的生長(zhǎng)比較敏感，適用于氣體和液體管道。一般與水下機(jī)器人(Remote Operated Vehicles,ROV)一起安裝在海底管道上使用。

(5) 特性阻抗法

由傳感器構(gòu)成的泄漏系統(tǒng)可隨時(shí)檢測(cè)到管道微量原油的泄漏情況。特性阻抗檢漏法適用于氣體、液體和多相流管道。

(6) 聲波法

管道泄漏時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲信號(hào)，聲波法即基于這些噪聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。但是，信號(hào)受到環(huán)境與管道操作噪聲的影響，會(huì)使得聲波信號(hào)失真。聲波法適合流量小、壓力高的管線。

目前市場(chǎng)有許多聲波檢測(cè)裝置用于海底管道泄漏檢測(cè)。例如GE的新聲波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，Co.L.Mar公司開發(fā)的ALD，Neptune公司開發(fā)的ALD以及美國(guó)休斯頓聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)靖江市中諾儀器有限公司研制的地下管道泄漏檢測(cè)儀應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來分辨環(huán)境噪聲、操作噪音和泄漏噪聲，從而判斷是否產(chǎn)生泄漏，并進(jìn)行直觀定位，其適用范圍是油、氣、水等介質(zhì)輸送管線的緩慢泄漏，可進(jìn)行較為精確的檢測(cè)。檢測(cè)靈敏度：0.03加侖/分；定位誤差：±1 m；漏報(bào)警、誤報(bào)警率≤1%。

1.2 基于內(nèi)部的泄漏檢測(cè)方法

(1) 統(tǒng)計(jì)檢漏法

統(tǒng)計(jì)檢漏法監(jiān)測(cè)管道泄漏時(shí)，若無泄漏發(fā)生，則流量和壓力之間的關(guān)系不會(huì)發(fā)生變化。如發(fā)生泄漏，根據(jù)工況利用水力坡降法和負(fù)壓波對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。使用統(tǒng)計(jì)檢漏法無需復(fù)雜的管道模型，計(jì)算量比較小，誤報(bào)警率低，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，但其定位精度不高，對(duì)儀表精度有一定要求，在多泄漏情況下檢測(cè)結(jié)果變差。這種檢測(cè)方法對(duì)氣、液和多相流管道均可。

(2) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[4]與基于管道準(zhǔn)確流動(dòng)模型泄漏檢測(cè)方法不同。用該方法檢測(cè)泄漏時(shí)，常出現(xiàn)誤差大或漏報(bào)、誤報(bào)現(xiàn)象，工業(yè)應(yīng)用較少。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)單相流和多相流管道均適用，其缺點(diǎn)是受到訓(xùn)練樣本的嚴(yán)重制約，各項(xiàng)參數(shù)的選取缺乏足夠的理論支持以及存在自學(xué)習(xí)等問題。

北京東方中石科技有限公司基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研制了HKH長(zhǎng)輸管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。誤報(bào)警率≤2次/年；漏報(bào)警率：正常運(yùn)行無漏報(bào)；定位精度≤150 m；報(bào)警響應(yīng)時(shí)間0.3～3.0 min。

(3) 實(shí)時(shí)瞬變模型法(RTMM)

RTMM模擬管道內(nèi)部流體的流量，利用質(zhì)量和動(dòng)量守恒以及氣體狀態(tài)方程等對(duì)管道內(nèi)流體的流量建立模型。當(dāng)計(jì)算偏差大于設(shè)定閾值時(shí)，發(fā)出泄漏報(bào)警。

RTMM適用于氣體、液體和多相流管道，實(shí)時(shí)性好，精度依賴于模型和硬件的精度。缺點(diǎn)是誤報(bào)警率較高。

Troika 以及Gemini均使用過RTTM，但是目前此方法還沒有被廣泛應(yīng)用。PSI利用實(shí)時(shí)瞬變模型研發(fā)了PSI 管線泄漏檢測(cè)系統(tǒng)。

(4) 系統(tǒng)辨識(shí)法

在管道完好的情況下，建立管道有、無故障靈敏模型，然后根據(jù)此靈敏模型，利用自相關(guān)分析算法來判別泄漏。系統(tǒng)辨識(shí)檢漏法適合進(jìn)行小泄漏檢測(cè)。

(5) 負(fù)壓波法

泄漏時(shí)，把泄漏點(diǎn)兩端的管道看成上、下游兩條管。把泄漏前的管道壓力作為參照基準(zhǔn)，管道泄漏時(shí)產(chǎn)生的壓力波就稱為負(fù)壓波。負(fù)壓波以特定速度向管道的端部傳播，經(jīng)過一段時(shí)間后分別被位于上、下游的壓力傳感器接收。

負(fù)壓波法不需建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算量小，簡(jiǎn)單實(shí)用，較為靈敏，定位精度也高。但對(duì)于滲漏、緩慢泄漏或者已經(jīng)存在的泄漏，該方法檢測(cè)效果不理想，而且易受工況變化的干擾。

天津大學(xué)基于這種方法開發(fā)了用于輸油管線泄漏的檢測(cè)與定位系統(tǒng)，檢測(cè)到的最小泄漏量?jī)H為總數(shù)量的1%，報(bào)警時(shí)定位誤差小于被測(cè)管道總長(zhǎng)度的2%。

(6) 壓力梯度法

壓力梯度法是在管道上、下游兩端各設(shè)置2個(gè)壓力傳感器，通過傳感器測(cè)得的壓力信號(hào)分別計(jì)算出上、下游管道的壓力梯度。當(dāng)管道沒有泄漏時(shí)，壓力梯度曲線呈斜直線；發(fā)生泄漏后，壓力梯度曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為泄漏點(diǎn)。壓力梯度法適用于等溫長(zhǎng)輸管道或介質(zhì)隨溫度變化不大的管道。不等溫長(zhǎng)輸管道需要建立復(fù)雜的水力和熱力學(xué)模型。該方法簡(jiǎn)單、直觀，儀表測(cè)量的精度和安裝位置都對(duì)定位結(jié)果有較大的影響。

(7) 小波法

選取適宜的小波基函數(shù)和尺度對(duì)泄漏信號(hào)進(jìn)行小波分解，再進(jìn)行閾值量化，重構(gòu)小波信號(hào)后就得到消噪后的泄漏信號(hào)。運(yùn)用該方法可以更為精確的獲得壓力突降點(diǎn)，提高泄漏點(diǎn)定位的精度。一般與負(fù)壓波方法相結(jié)合。

(8) 質(zhì)量/體積平衡法

根據(jù)動(dòng)態(tài)質(zhì)量守恒原理，即流體的流入量與流出量的差等于管道內(nèi)滯留的流體量。管道穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，管道流入量等于流出量。當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，檢測(cè)管道中流入量與流出量存在差值，若差值大于一定的范圍，則表明所測(cè)管道可能已經(jīng)發(fā)生泄漏。該方法適用于有流量、運(yùn)行狀況相對(duì)穩(wěn)定、泄漏量較大的管道。它能夠檢測(cè)已有的泄漏，檢測(cè)的靈敏度和精度不高，但是可靠性高，與壓力波結(jié)合使用可以大大減少誤報(bào)警，但對(duì)氣體檢測(cè)比較困難。

德國(guó)阿爾卑斯管道公司(TAL)原油管道上安裝使用了基于流量設(shè)計(jì)的檢漏系統(tǒng)，配合超聲波流量計(jì)使用。濰坊凱特工業(yè)控制系統(tǒng)工程有限公司利用質(zhì)量守恒原理以及負(fù)壓波定位和動(dòng)態(tài)方程定位研制了管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)。東北大學(xué)與勝利油田合作研制的管道泄漏智能診斷與定位系統(tǒng)利用輸差和壓力波耦合的方法來檢測(cè)和定位泄漏，在勝利油田輸油管道上進(jìn)行了應(yīng)用，可測(cè)量管道最大長(zhǎng)度達(dá)50 km，定位誤差為管長(zhǎng)的2%，可檢測(cè)最小泄漏量為輸量的2%，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間小于55 s。

(9) 壓力點(diǎn)分析法

管道發(fā)生泄漏的前后一段時(shí)間內(nèi)，其壓力的統(tǒng)計(jì)特性是不同的。這樣，沿管道布置一系列壓力測(cè)試點(diǎn)來監(jiān)測(cè)各處壓力，然后采用統(tǒng)計(jì)方法分析監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，并與管道正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的曲線進(jìn)行比較，根據(jù)兩者的差別來判斷管道是否發(fā)生泄漏。壓力點(diǎn)分析法可以檢測(cè)較小量泄漏，但是無法定位，對(duì)泄漏的評(píng)估能力較差。

兩杯酒進(jìn)了肚之后，我的頭腦卻格外清明起來。我是一個(gè)農(nóng)家的孩子，靠著父母省吃儉用把自己供了出來，有了工作，當(dāng)了官，可自己卻從來沒有一天感到自己是幸福的，即使是和穎春的新婚之夜，因?yàn)樾睦镉辛藢?duì)秀紅的愧疚也沒有半絲的甜蜜。到了后來，穎春生下女兒又下了崗，日子便變得更加艱難起來，為了讓穎春能夠重新混上一個(gè)工作，苦扒苦撐當(dāng)上了個(gè)副局長(zhǎng)，可一個(gè)小小芝水縣的小小官場(chǎng)卻讓我覺得那么的齷齪與骯臟，也許，我只有放棄了這一切，回到老王的紅提園或者秀紅的果園場(chǎng)，我的幸福才會(huì)來臨。

國(guó)內(nèi)東營(yíng)五色石測(cè)漏專家公司應(yīng)用壓力點(diǎn)分析和輸差分析對(duì)輸油管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)，可檢測(cè)到小于總瞬時(shí)輸量1%的泄漏量，定位誤差在±200 m，泄漏檢測(cè)定位和報(bào)警均在泄漏發(fā)生后3 min內(nèi)完成。

(10) 支持向量機(jī)法

提取檢測(cè)到的特征信號(hào)，采用基于小波包分解的“能量-模式”法對(duì)管道沿線的異常情況進(jìn)行識(shí)別，按照“一對(duì)一”的方法解決多分類問題。該方法的缺點(diǎn)是過分依賴特征數(shù)據(jù)的提取，前期的數(shù)據(jù)預(yù)處理決定了泄漏故障識(shí)別率的高低。

(11) OLGA Online

OLGA Online[5-6]是真正的在線動(dòng)態(tài)生產(chǎn)支持系統(tǒng)。OLGA Online是基于OLGA內(nèi)核的，對(duì)各種生產(chǎn)情形都能夠處理，如停輸和啟動(dòng)、清管、管線充裝、減量和增輸?shù)取LGA Online具有3種運(yùn)行模式：

實(shí)時(shí)：與油田實(shí)際生產(chǎn)同步進(jìn)行，可提供比控制系統(tǒng)更多的信息。應(yīng)用實(shí)例包括漏失探測(cè)、段塞計(jì)算和水合物形成分析等。

計(jì)劃：可以對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，執(zhí)行新的操作規(guī)程計(jì)劃。

因OLGA Online是基于OLGA 內(nèi)核的，所以在意外工況下是值得信賴的，但是價(jià)格較為昂貴。該方法界面友好，能夠?qū)崿F(xiàn)無縫集成，具有許多功能模塊，能夠很容易地與第三方軟件相結(jié)合。

2007年，OLGA Online在某油田上利用生產(chǎn)井與井口平臺(tái)、MEG注入、平臺(tái)間管線與外輸管線、段塞捕集器與入口分離器等模型，實(shí)現(xiàn)了泄漏檢測(cè)、沖蝕、腐蝕、水合物等的作業(yè)。2007年，OLGA Online在Ormen Lange PMS 項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)了泄漏檢測(cè)與定位(單相與多相)、清管等作業(yè)。

1.3 周期性泄漏檢測(cè)方法

(1) 管內(nèi)通球法

在管道內(nèi)部通入檢測(cè)球，采用漏磁、超聲波、渦流、錄像等技術(shù)手段采集管內(nèi)信息，然后對(duì)采集的信息進(jìn)行分析處理，來檢測(cè)泄漏并確定泄漏位置。該方法適用于氣體、液體、多相流管道，要求管道沒有太多接頭和連接。定位較為準(zhǔn)確，但檢測(cè)成本大，實(shí)時(shí)性差，不適用于較小口徑管道，且容易發(fā)生卡球事故。

(2) 熒光劑法

通過檢測(cè)泄漏管道產(chǎn)生的碳?xì)浠衔餆晒庑盘?hào)來判斷海底管道的泄漏。熒光劑檢漏法的靈敏度高，能夠檢測(cè)微小泄漏，但是不能實(shí)時(shí)檢測(cè)。

英國(guó)CTG開發(fā)的PLK水下管線泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用熒光劑法進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)，具有超過25年的成功記錄。該系統(tǒng)用在了墨西哥海灣的馬孔多油井。由CONTROS公司開發(fā)的CONTROSTM永久泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有3種傳感器，保證了監(jiān)測(cè)的可靠性和低誤報(bào)警率。此系統(tǒng)可用在水深3 000 m的地方。由BOWTECH公司生產(chǎn)的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)包含了1個(gè)LED燈，調(diào)諧到能發(fā)射綠色光的熒光示蹤染料和高分辨率、低光敏感的照相機(jī)，該照相機(jī)裝有1個(gè)過濾器，能夠檢測(cè)到熒光染料。Neptune公司研制的熒光泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，能夠在混濁的條件下檢測(cè)到低濃度的泄漏物。

2 結(jié)語

本文主要總結(jié)了陸地和海底管道泄漏檢測(cè)的方法，由于所處環(huán)境不同，兩者的檢測(cè)方法區(qū)別較大。海底管道泄漏檢測(cè)仍是難點(diǎn)，但國(guó)內(nèi)外已有一些研究成果，其中殼牌研制的ATMOS管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)可用于海底管道泄漏檢測(cè)，OLGA Online也可以用于進(jìn)行海底管道泄漏檢測(cè)，但ATMOS系統(tǒng)具有針對(duì)性。聲波檢測(cè)也是目前利用比較多的海底泄漏檢測(cè)方法。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要多種方法結(jié)合，才能達(dá)到理想的泄漏檢測(cè)效果。

[1] 潘霞.管道泄漏檢測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2006.

[2] SCOTT S L,BARRUFET M A.Worldwide Assessment of Industry Leak Detection Capabilities for Single & Multiphase Pipelines[M].Offshore Technology Research Center,2003.

[3] DNV.Selection and Use of Subsea Leak Detection Systems:DNV-RP-F302[S].2010.

[4] 唐秀家，顏大椿.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道泄漏檢測(cè)方法及儀器[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1997,33(3):319-327.

[5] SPT Group.油氣田生產(chǎn)操作中流動(dòng)安全保障模擬的核心解決方案[EB/OL].http://www.coc88.com/p-9788196001906.html.2014.

[6] 王玨.海上流動(dòng)管理在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].科技視界,2014 (2):21-23.

Pipeline Leak Detection Research Status

ZHANG Xiaoling1，GONG Yanmeng2，WENG Xiaoxia2，BAI Yong2， LI Qingping3，YAO Haiyuan3

(1.CNOOC Energy Technology & Services-Pipe Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China；2.Zhejiang University，Hangzhou 310058,China；3.CNOOC Research Institute,Beijing 100027,China)

Pipeline leak detection is the important safeguard to the operation of pipelines.The domestic and international pipeline leak detection methods,including terrestrial and submarine pipelines are summarized.Due to the complexity of the situation,especially to subsea pipeline,a single method of leak detection does not get satisfactory results.So a variety of methods need to be combined.Detection methods based on external and internal detection are provided,including principles of each method,advantages,disadvantages and applications(land/subsea,single-phase/multiphase),etc.These methods about sensitivity,stability,real-time and leakage of reaction time and so on are compared.It provide reference for research of pipeline leak detection.

pipeline leak detection; sensitivity; real-time; land; subsea

2016-07-12

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2016ZX05028-004)

張曉靈(1972-)，男，教授級(jí)高工

1001-4500(2017)03-0001-05

U178

A