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        海底油氣管道泄漏檢測(cè)與定位技術(shù)研究進(jìn)展

        2022-06-30 03:00:14吳希明李江豐張大朋
        石油工程建設(shè) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:次聲波負(fù)壓定位

        吳希明,李江豐,嚴(yán) 謹(jǐn),張大朋,王 成

        1.中海油能源發(fā)展股份有限公司湛江采油服務(wù)文昌分公司,廣東湛江 524057

        2.廣東海洋大學(xué),廣東湛江 524088

        海底管道可以將海底油氣資源與整個(gè)陸上油氣生產(chǎn)管理系統(tǒng)以最快速、最安全和最經(jīng)濟(jì)的路線聯(lián)系起來(lái),被稱(chēng)為海洋油氣工程的“生命線”。然而,一旦海底管道出現(xiàn)嚴(yán)重的泄漏或損壞,輕則會(huì)造成資源的大量浪費(fèi),重則會(huì)引起爆炸,從而產(chǎn)生重大傷亡事故和巨大經(jīng)濟(jì)損失,同時(shí)嚴(yán)重破壞周?chē)纳鷳B(tài)環(huán)境。此外,海上油氣田也會(huì)因此導(dǎo)致停產(chǎn),從而直接造成更大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。

        盡管陸上管道泄漏檢測(cè)技術(shù)已較為成熟,海底管道的泄漏檢測(cè)還處于初級(jí)階段[3-4]。由于海底管道一般淺埋入海底[5],位置比較隱蔽,導(dǎo)致其在服役過(guò)程中產(chǎn)生的銹蝕和局部損壞也不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)、檢查以及修復(fù)[6-7]。因此,對(duì)海底管道泄漏檢測(cè)以及定位關(guān)鍵技術(shù)的深入研究有著極其重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

        1 海底管道泄漏檢測(cè)方法

        海底管道泄漏檢測(cè)與定位技術(shù)可歸納為基于硬件的方法、基于軟件的方法以及多方法融合的檢測(cè)方法?;谟布O(shè)備的方法采用根據(jù)物理原理而設(shè)定的硬件設(shè)施,將其裝載或敷設(shè)到管路上,并由此來(lái)直接或者間接檢測(cè)管路的泄漏情況和位置,其主要方法有:水下機(jī)器人檢測(cè)法、遙感監(jiān)測(cè)法、漏磁檢測(cè)法等?;谲浖姆椒ㄊ侵笇?duì)所監(jiān)測(cè)采集到的流量、壓力、溫度等主要技術(shù)參數(shù),采用參數(shù)變換、質(zhì)量守恒或容積平衡和壓力分析等分析方法,檢測(cè)并分析油氣泄漏狀況,其主要方法有:負(fù)壓波法、次聲波法、壓力梯度法等。而多方法融合的檢測(cè)方法則是綜合各種方法的優(yōu)缺點(diǎn),取長(zhǎng)補(bǔ)短、軟硬件結(jié)合的綜合檢測(cè)定位方法。

        1.1 基于硬件的方法

        1.1.1 水下機(jī)器人檢測(cè)法

        水下機(jī)器人能持續(xù)在深水環(huán)境下作業(yè),范圍覆蓋面廣,突破了潛水員對(duì)工作水深、持續(xù)時(shí)間和工作環(huán)境條件下的局限,因而在深海管道的檢測(cè)中承擔(dān)著重任。目前水下機(jī)器人根據(jù)有無(wú)電纜連接,可分為遙控式水下機(jī)器人(Remote Operated Vehicles,簡(jiǎn)稱(chēng)ROV)、自治式水下機(jī)器人(Autonomous Underwater Vehicle,簡(jiǎn)稱(chēng)AUV)和混合型潛水器(Hybrid Remotely Operated Vehicle,簡(jiǎn)稱(chēng)HROV)。ROV通過(guò)臍帶式電纜與水上母船相接,以獲得支持能源和收發(fā)各種控制指令與數(shù)據(jù)。AUV無(wú)需與水面設(shè)備進(jìn)行連接,通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)、聲學(xué)系統(tǒng)、放射性、磁探測(cè)器等實(shí)現(xiàn)對(duì)海底管道的自動(dòng)跟蹤,能夠根據(jù)工作指令自主進(jìn)行大范圍的水下檢測(cè)并記錄聲音和圖像等數(shù)據(jù)。HROV則同時(shí)具備ROV和AUV兩種水下機(jī)器人的工作模式,能夠先以AUV模式利用搭載的攝像機(jī)和聲吶進(jìn)行大范圍的自主搜索檢測(cè),在鎖定目標(biāo)后又能短時(shí)內(nèi)切換成ROV模式,對(duì)目標(biāo)進(jìn)行近距離的數(shù)據(jù)采集[8]。

        目前,水下機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)根據(jù)搭載檢測(cè)設(shè)備的不同可以進(jìn)行水下觀察與檢測(cè)、電位檢測(cè)、射線探傷、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)等。水下機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)由于其經(jīng)濟(jì)、安全、作業(yè)水深大、可以在較為惡劣的海況下進(jìn)行作業(yè)等優(yōu)勢(shì),已部分取代了傳統(tǒng)潛水員的水下檢測(cè)工作,并逐漸在各種水下檢測(cè)中有所運(yùn)用。該種方式通常只能檢出較大量的泄漏,檢測(cè)精度低,而且檢測(cè)所需周期較長(zhǎng),無(wú)法進(jìn)行全管道或在線的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

        1.1.2 遙感探測(cè)法

        遙感探測(cè)法是指利用宇航飛行器上搭載的遙感識(shí)別裝置進(jìn)行檢測(cè),目前使用比較普遍的方法主要有紅外遙感法和微波遙感法。紅外遙感法是指利用熱紅外波段檢測(cè)海面,準(zhǔn)確找到海面上的油氣擴(kuò)散區(qū)域。利用熱紅外數(shù)據(jù)不但能夠判斷出油氣泄漏的面積,還可以清晰分辨出溢出油層覆蓋范圍的大小、油層擴(kuò)散的范圍以及油層的漂移擴(kuò)散速度。溢油厚度和溢出值可以通過(guò)熱紅外圖像中油層不同厚度的像素灰度值推算出來(lái)。微波遙感法則是利用電磁波和微波頻段特性獲取海面信息,可以透過(guò)云層對(duì)海面進(jìn)行海溫觀測(cè),不存在紅外遙感法中探測(cè)會(huì)受到云層影響的缺點(diǎn),但其空間分辨率要比紅外遙感法低。遙感探測(cè)法雖然無(wú)法分辨海水中浮游物與管道泄漏溢油,不過(guò)由于它能夠全天24 h工作,且價(jià)格相對(duì)低廉,因此已成為當(dāng)今世界上應(yīng)用最廣的海洋溢油檢測(cè)技術(shù)[9]。

        1.1.3 漏磁檢測(cè)法

        漏磁檢測(cè)法需要先對(duì)管壁進(jìn)行磁化,然后檢查是否出現(xiàn)漏磁。當(dāng)管壁出現(xiàn)缺陷導(dǎo)致管道發(fā)生泄漏時(shí),通過(guò)分析管壁缺陷產(chǎn)生的環(huán)電流信號(hào),可以判斷泄漏的位置。該方法的準(zhǔn)確度會(huì)受到焊縫和管道表面的不平整影響,且無(wú)法檢測(cè)緩慢泄漏。

        1.1.4 管道機(jī)器人檢測(cè)法

        管道機(jī)器人是一種可在遠(yuǎn)距離控制下在管道內(nèi)爬行,利用配備的各種傳感器件對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)或維修,集各類(lèi)傳感器、智能移動(dòng)載體、作業(yè)設(shè)備以及無(wú)損監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段于一體的機(jī)電一體化裝置。它能夠?qū)崟r(shí)采集管道內(nèi)部圖像、管壁紋理和幾何形狀等各種信息,由于信號(hào)比較穩(wěn)定,且采集周期短,因此可以對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行精確的檢測(cè)與定位[10]。

        海底長(zhǎng)輸油氣管道內(nèi)可能會(huì)存在階梯、管溝和碎塊等雜質(zhì),以及變徑管道、彎管、T型管道等特定管道結(jié)構(gòu),管道機(jī)器人容易產(chǎn)生卡堵和通過(guò)困難等問(wèn)題。針對(duì)現(xiàn)有管道機(jī)器人通過(guò)性差和運(yùn)動(dòng)方式單一等問(wèn)題,王永雄[11]將管道內(nèi)的圖像予以分解,從而獲得幾何特征,提升了管道缺陷辨識(shí)率,同時(shí)導(dǎo)入了模糊控制等人工智能控制算法,實(shí)現(xiàn)了管道內(nèi)智能機(jī)器人的主動(dòng)導(dǎo)航,實(shí)現(xiàn)了管道內(nèi)后退、拐彎、越障和管壁缺陷的定位。李智強(qiáng)[12]設(shè)計(jì)了一種可以順利通過(guò)R≥1.5D的彎管環(huán)境的新型變運(yùn)動(dòng)方式管道機(jī)器人,其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)傾角可調(diào),對(duì)管道有良好的通過(guò)性。劉勇[13]設(shè)計(jì)了一種可變徑支撐輪式管道機(jī)器人,該機(jī)器人能夠適應(yīng)管徑的變化,具有良好操控性。

        大部分管道機(jī)器人都可以在直管段完成測(cè)試,但對(duì)工程應(yīng)用中的變徑管路、分支管路、U型管路等的檢測(cè)技術(shù)仍處在研究階段,且存在長(zhǎng)距離工作能源供給困難和管道內(nèi)通信屏蔽的問(wèn)題,距離實(shí)際使用尚有一定距離。

        1.1.5 管內(nèi)通球法

        智能球是一種基于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的無(wú)線纜自由浮游式監(jiān)測(cè)工具,將其投入管道內(nèi)并通過(guò)漏磁、超聲檢測(cè)技術(shù)、渦流、錄像技術(shù)等手段收集管內(nèi)信號(hào),進(jìn)而對(duì)所收集的信號(hào)加以分析處理,來(lái)監(jiān)測(cè)油氣泄漏和判斷泄漏狀況等。加拿大Pure公司[14-15]和天津大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了適用于管道微小泄漏檢測(cè)與定位的智能球,該檢測(cè)球具有制備成本低、體積小、靈敏度高和在管道中不易卡堵等優(yōu)點(diǎn)[16]。郭世旭[17]等針對(duì)海底油氣管道微量泄漏的檢測(cè)難題,設(shè)計(jì)了一種雙層耐壓的智能檢測(cè)球,其能通過(guò)豎直管道段,檢測(cè)靈敏度高達(dá)0.7 L/min。針對(duì)球形內(nèi)檢測(cè)器跟蹤定位困難的問(wèn)題,周乾[18]等提出了一種由檢測(cè)球自主發(fā)送聲信號(hào),在管道外部遠(yuǎn)距離采集導(dǎo)波脈沖,然后計(jì)算出檢測(cè)球與檢測(cè)點(diǎn)距離的方法。

        管內(nèi)通球法可以應(yīng)用于氣體、液體和多相流體管道,并要求管路內(nèi)不能有過(guò)多接頭和接線。對(duì)泄漏點(diǎn)的定位比較準(zhǔn)確,但由于測(cè)量成本大,且實(shí)時(shí)性較差,不宜運(yùn)用于較小口徑管道,且易出現(xiàn)卡球事件。

        1.2 基于軟件的方法

        1.2.1 負(fù)壓波法

        油氣管道發(fā)生泄漏后,泄漏部位的壓力會(huì)驟然降低,該壓力變化沿管道以一定的速率傳遞至管道首末兩端,產(chǎn)生負(fù)壓信號(hào)。管道泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波通過(guò)管道內(nèi)介質(zhì)傳播的速度可達(dá)聲速級(jí)別。利用管路首末端的傳感器收集到該負(fù)壓波,而后通過(guò)負(fù)壓波的傳輸速率和到達(dá)管路兩端的時(shí)間差,就可以定位泄漏點(diǎn)。該方法是目前市面上應(yīng)用最為成熟的管道泄漏檢測(cè)技術(shù)[19-21]。天津大學(xué)在負(fù)壓波管道泄漏的檢測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行了產(chǎn)品化,其檢測(cè)定位原理如圖1所示[20]。

        圖1 負(fù)壓波法檢測(cè)定位原理

        定位公式:

        式中:X為泄漏點(diǎn)到入口端傳感器的距離,m;L為兩傳感器間的距離,m;t1、t2分別為兩端傳感器接收到負(fù)壓波的時(shí)間,s;a為負(fù)壓波的速度,m/s。

        負(fù)壓波法具有靈敏度和定位精度較高、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)。由于無(wú)法感知細(xì)微負(fù)壓波的產(chǎn)生,負(fù)壓波法只能檢測(cè)到突發(fā)性泄漏和大泄漏量的泄漏,對(duì)已發(fā)生的泄漏、滲漏等不敏感。負(fù)壓波法對(duì)管道首末端的壓力差有一定的要求,所以對(duì)于首末端壓力基本相等的輸氣管道,負(fù)壓波法基本發(fā)揮不了作用。針對(duì)管道泵的啟停、流量調(diào)節(jié)等操作可能引起泄漏誤報(bào)的問(wèn)題,張宇[22]等研制了一種壓力變送器,通過(guò)測(cè)量管道內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力的變化,利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法提取了泄漏信號(hào)特征,該法能夠有效避免啟停管道泵等工況的影響;文靜[23]提出了一種自適應(yīng)無(wú)偏時(shí)延估計(jì)方法,能夠有效消除無(wú)關(guān)噪聲干擾,提高估計(jì)性能。針對(duì)工況擾動(dòng)引起的誤報(bào)問(wèn)題,王正等[24]在管道泵前后兩側(cè)設(shè)置兩組壓力傳感器,通過(guò)傳感器接收到負(fù)壓波信號(hào)的先后來(lái)判別其傳播方向,不但減少由工況擾動(dòng)造成的誤報(bào),還避免了采用雙壓力傳感器造成的漏報(bào),但存在成本增加和傳感器距離確定的問(wèn)題。針對(duì)小泄漏檢測(cè)困難的問(wèn)題,王洪超等人[25]通過(guò)監(jiān)測(cè)管道壓力的持續(xù)下降來(lái)判斷泄漏,提高了對(duì)小泄漏的靈敏度;王洪超等人[26]根據(jù)上下游負(fù)壓波信號(hào)來(lái)自同一個(gè)泄漏點(diǎn)的特點(diǎn),通過(guò)歐氏距離計(jì)算出兩個(gè)傳感器接收到的負(fù)壓波的相似度,得到其時(shí)間差,然后計(jì)算出泄漏點(diǎn)位置,能準(zhǔn)確檢測(cè)和定位微小泄漏和緩慢泄漏。

        由于傳感器不能夠以無(wú)延時(shí)的方式檢測(cè)壓力變化情況,并且管道兩端也因?yàn)榫嚯x的因素,在未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一正時(shí)的狀況下,可能對(duì)時(shí)間也產(chǎn)生了偏差;而在1 000 m/s的速率下,每0.5 s的延時(shí)也可以產(chǎn)生500 m左右的距離偏差,從而對(duì)時(shí)間的準(zhǔn)確度有較高的要求,這也是以負(fù)壓波作為指標(biāo)檢測(cè)方式的局限性。

        1.2.2 壓力梯度法

        壓力梯度法的提出[27-29]是基于泄漏發(fā)生時(shí)沿管道的壓力分布會(huì)隨著管道長(zhǎng)度的變化而發(fā)生顯著變化這一事實(shí)。無(wú)泄漏管道上的壓降曲線是一個(gè)線性實(shí)線,一旦出現(xiàn)泄漏,壓降曲線將與泄漏點(diǎn)產(chǎn)生扭結(jié)。在泄漏位置可以通過(guò)計(jì)算泄漏上、下游壓力分布的交點(diǎn)來(lái)確定,其定位原理如圖2所示[28]。

        圖2 壓力梯度法定位原理

        在滿足沿管道壓力PX=PD-GX時(shí),其泄漏點(diǎn)定位公式如下:

        式中:X為泄漏點(diǎn)和管道入口的間距,m;L為管道長(zhǎng)度,m;G為壓力梯度,Pa/m;PX為與入口相距X處管道的壓力,Pa;PD為管道進(jìn)口壓力,Pa;PS為管道出口壓力,Pa;GU為上游壓力梯度,Pa/m;GD為下游壓力梯度,Pa/m。

        此方案要求在管路上必須設(shè)有多個(gè)壓力檢測(cè)地點(diǎn),在現(xiàn)場(chǎng)難以實(shí)現(xiàn);另外,由于地質(zhì)等復(fù)雜狀況導(dǎo)致沿程壓力的下降產(chǎn)生了非線性特性,嚴(yán)重影響使用效益,且其定位精度會(huì)受儀器精度影響,因此常作為輔助檢測(cè)方法使用。針對(duì)壓力梯度法定位誤差大的問(wèn)題,唐秀家[28]建立了沿管道變化的熱力和水力綜合模型,得出更接近實(shí)際的壓力分布規(guī)律,實(shí)現(xiàn)泄漏位置定位,該方法針對(duì)原油或者黏度、密度、熱容等特性會(huì)隨沿管道溫降而發(fā)生變化的流體管道有優(yōu)越性,但是由于需要建立較為繁雜的模型,增加了運(yùn)算量。

        1.2.3 次聲波法

        管道泄漏造成的內(nèi)外壓差會(huì)導(dǎo)致湍流產(chǎn)生,流體-流體、流體-管道內(nèi)壁的摩擦碰撞產(chǎn)生聲波信號(hào),聲波沿管壁振動(dòng)和管內(nèi)介質(zhì)同時(shí)傳播。泄漏聲波屬于連續(xù)聲發(fā)射信號(hào),其頻率范圍很寬,包含了次聲波、可聽(tīng)聲波和超聲波。由于可聽(tīng)聲波和超聲波的波長(zhǎng)較長(zhǎng),在傳播過(guò)程中衰減得很快,不適于長(zhǎng)距離管道的泄漏檢測(cè)。次聲波的波長(zhǎng)比較長(zhǎng),在傳播過(guò)程中不容易衰減,其最大傳播距離可達(dá)50 km以上,滿足海底管道長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)的需要。次聲波法的檢測(cè)定位原理與負(fù)壓波法類(lèi)似,通過(guò)次聲波的波速和到達(dá)管路兩端的時(shí)間差,就可以計(jì)算出泄漏點(diǎn),其定位原理如圖3所示。

        圖3 次聲波法檢測(cè)定位原理

        定位公式:

        式中:s為泄漏點(diǎn)到管道上游傳感器的距離,m;L為兩傳感器的間距,m;t1、t2分別為進(jìn)、出口傳感器接收到次聲波的時(shí)間,s;v為次聲波速度,m/s。

        由于泄漏產(chǎn)生的次聲波信號(hào)比較微弱,容易被同樣由泄漏產(chǎn)生的高頻噪聲和低頻諧波干擾所淹沒(méi),其定位的關(guān)鍵是泄漏次聲波信號(hào)的提取和時(shí)間差的確定。陳久會(huì)[30]提出了一種利用壓力變送器檢測(cè)泄漏次聲波的方法,該方法無(wú)需另外安裝聲波傳感器,直接從管道的壓力、流量信號(hào)中分離提取出次聲波信號(hào),提高了檢測(cè)靈敏度。武偉強(qiáng)[31]針對(duì)采集到泄漏信號(hào)受噪聲干擾嚴(yán)重的問(wèn)題,提出采用補(bǔ)償傳感器的方法,實(shí)現(xiàn)了信號(hào)補(bǔ)償。胡楊曼曼[32]把傳感器接收次聲波信號(hào)比作“聽(tīng)”這一動(dòng)作,從機(jī)理上分析了泄漏次聲波的產(chǎn)生與傳播。吳鵬[33]對(duì)次聲波法進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),結(jié)果表明次聲波信號(hào)的強(qiáng)度隨泄漏孔徑的增大而增大,對(duì)于多相混輸管道,次聲波法可檢測(cè)到的泄漏孔徑最小為3 mm。次聲波的產(chǎn)生與傳播不受介質(zhì)影響,在不同流體、甚至在不同相的密度和黏度等參數(shù)下,發(fā)生泄漏時(shí)次聲波均能產(chǎn)生,因此適用各種管道的泄漏檢測(cè)。次聲波法由于以上優(yōu)點(diǎn),有著良好的應(yīng)用前景。

        1.2.4 流量平衡法

        流量平衡法[34-35]根據(jù)質(zhì)量守恒定律,無(wú)泄漏時(shí),流進(jìn)與流出管道的流量應(yīng)當(dāng)相等,倘若存在泄漏,管道出入口的流量就會(huì)存在差值。實(shí)際上由于溫度等因素,出入口流量并不相等,而是維持在一個(gè)穩(wěn)定的差值。當(dāng)管道出現(xiàn)泄漏時(shí),管道兩端的流量差增大。由于受到管道自身的彈性以及流體特性改變等諸多原因影響,管道進(jìn)出口的流量變化會(huì)具有不同時(shí)性,所以這個(gè)方法精確度并不高,且只能檢測(cè)而無(wú)法定位,但其能夠檢測(cè)已有泄漏,可靠性高,常與負(fù)壓波法結(jié)合使用以減少誤報(bào)率。

        1.2.5 統(tǒng)計(jì)檢漏法

        管道正常運(yùn)行時(shí)壓力和流量存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)管道發(fā)生泄漏,壓力和流量的關(guān)系就會(huì)發(fā)生改變,通過(guò)對(duì)發(fā)生泄漏時(shí)管道內(nèi)壓力和流量進(jìn)行連續(xù)統(tǒng)計(jì)記錄分析,然后通過(guò)序貫概率比檢驗(yàn)法,計(jì)算泄漏出現(xiàn)的概率,最后用最小二乘法定位。這種方法相對(duì)建立模型的方法降低了檢測(cè)工程量,減小了數(shù)學(xué)計(jì)算的難度,成本低,提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性,最突出的是此系統(tǒng)具有自我學(xué)習(xí)能力,可適配大多數(shù)環(huán)境[36]。然而,此方法受儀器精度影響,定位準(zhǔn)確性上有待優(yōu)化。

        1.2.6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

        神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于具有認(rèn)知能力、自適應(yīng)力以及非線性特征等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用[37]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)管路運(yùn)行工況分析精確,誤報(bào)率低,對(duì)單一流體和多相流動(dòng)管路都適合,但其會(huì)受到訓(xùn)練樣本的限制,檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜。

        1.3 基于多方法融合的泄漏檢測(cè)技術(shù)

        目前尚沒(méi)有任何一種方法能夠精確地檢測(cè)與定位所有管道的泄漏。在實(shí)際使用過(guò)程中,必須針對(duì)管道的實(shí)際狀況,將多種檢測(cè)技術(shù)和定位方式相結(jié)合,以提高檢測(cè)與定位的精確度,用最少的成本獲得最佳的效益,基于多種方法融合的泄漏檢測(cè)技術(shù)也由此得到發(fā)展。

        為了得到較好的檢測(cè)效果,目前泄漏檢測(cè)方法多采用占主流的負(fù)壓波法和次聲波法結(jié)合其他檢測(cè)方法,以應(yīng)對(duì)負(fù)壓波法和次聲波法的誤報(bào)、對(duì)小泄漏與滲漏不敏感以及泄漏特征信號(hào)提取困難的問(wèn)題。李利鋒[38]設(shè)計(jì)了一個(gè)負(fù)壓波與流量平衡相結(jié)合的泄漏檢測(cè)系統(tǒng),只有當(dāng)流量差增大和壓力拐點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)時(shí)才進(jìn)行泄漏判斷,顯著減少了單獨(dú)使用負(fù)壓波法容易誤報(bào)的問(wèn)題,但仍然對(duì)小泄漏不敏感。針對(duì)單種泄漏信號(hào)存在識(shí)別的準(zhǔn)確性和時(shí)效性較差的問(wèn)題,李鳳等人[39]將負(fù)壓波法和聲波法結(jié)合使用,避免了僅使用負(fù)壓波法會(huì)因?yàn)殄e(cuò)過(guò)瞬時(shí)壓力降而無(wú)法檢測(cè)的問(wèn)題,同時(shí)通過(guò)兩種方法的檢測(cè)結(jié)果相互校正,提高了檢測(cè)與定位精度,但仍存在工況擾動(dòng)下信號(hào)提取困難的問(wèn)題。石光輝等人[40]研究了負(fù)壓波在分支管網(wǎng)的傳播特性,結(jié)合小波分析法得到各傳感器接收到負(fù)壓波信號(hào)的時(shí)間。Bai Y等人[41]對(duì)管道泄漏檢測(cè)和定位分別采用不同的方法,檢測(cè)用序貫概率比法,減少了誤報(bào),定位根據(jù)穩(wěn)態(tài)泄漏和動(dòng)態(tài)泄漏分別采用了負(fù)壓波法和壓力梯度法,有效利用這兩種方法的優(yōu)點(diǎn),減少誤報(bào),定位更準(zhǔn)確。模式識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)能很好地排除工況影響,識(shí)別泄漏,通過(guò)與常用的壓力、聲波方法結(jié)合使用,能減少誤報(bào),提高定位精度。

        負(fù)壓波法等基于軟件的方法能對(duì)海底管道運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),而對(duì)泄漏點(diǎn)的定位存在一定的誤差;水下機(jī)器人等基于硬件的方法不能對(duì)管道進(jìn)行實(shí)時(shí)的連續(xù)監(jiān)測(cè),但能靠近泄漏點(diǎn)以準(zhǔn)確定位。實(shí)際應(yīng)用中往往可以先利用軟件的方法大致定位泄漏點(diǎn),然后使用水下機(jī)器人等基于硬件的方法實(shí)現(xiàn)精確定位。這種軟硬件結(jié)合的方法能顯著提高管道泄漏檢測(cè)與定位的準(zhǔn)確性與快速性。

        2 常用檢測(cè)方法性能比較

        海底管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性、穩(wěn)健性、準(zhǔn)確性和靈敏性等主要性能指標(biāo)[42],另外決定檢測(cè)技術(shù)是否適用于海底管道的重要依據(jù)還包括以下性能指標(biāo)[43]:

        (1)定位精度。對(duì)海底管道的泄漏檢測(cè)是為了準(zhǔn)確定位泄漏點(diǎn),以及時(shí)進(jìn)行維護(hù)搶修。若定位誤差過(guò)大,則會(huì)增加沿線尋找泄漏點(diǎn)的時(shí)間,且由于海底環(huán)境的特殊性,使泄漏損失進(jìn)一步擴(kuò)大。

        (2)海洋環(huán)境適用性。由于海底管道所處環(huán)境的復(fù)雜性,一些在陸上有良好應(yīng)用效果的檢測(cè)方法不再適用。例如需要建立精確數(shù)學(xué)模型的方法和易受噪聲影響的音波法將難以繼續(xù)使用;光纖類(lèi)方法因?yàn)榘惭b施工的難度大大增加,且安裝、維護(hù)的成本過(guò)大,也不再適用于海底管道。

        (3)安裝維護(hù)難度。海底管道的平直管段一般淺埋于海底,泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的儀器設(shè)備一般安裝在海上平臺(tái)和陸上的首末站,且海上平臺(tái)空間有限,要求其安裝和維護(hù)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單方便,占用空間少。

        (4)作用范圍。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)長(zhǎng)度不超過(guò)50 km的海底管道占海底管道總數(shù)的91%以上。由于海上油氣管道的中轉(zhuǎn)困難,一般只在管道的首末端安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備,以實(shí)現(xiàn)對(duì)全管段的監(jiān)測(cè)。這就要求監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效監(jiān)測(cè)范圍至少為50 km才能滿足大部分海底管道的監(jiān)測(cè)需要。

        (5)成本。雖然管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的安裝、維護(hù)成本只占整個(gè)海底管道建設(shè)維護(hù)費(fèi)用微小的一部分,然而其成本仍然是不可忽視的性能指標(biāo)。原則上無(wú)需新裝監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備,安裝、維護(hù)所需費(fèi)用的高性?xún)r(jià)比方法應(yīng)優(yōu)先考慮。

        (6)便捷性。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的便捷與否直接影響到其能不能被推廣使用,一般要求監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的操作盡可能簡(jiǎn)單,無(wú)需過(guò)多的培訓(xùn)便能掌握使用。

        管道常用檢測(cè)方法的性能按1~5劃分為五個(gè)等級(jí),數(shù)值越大表示越適合,見(jiàn)表1。

        表1 管道常用檢測(cè)方法的性能對(duì)比

        由表1可知,硬件類(lèi)方法的定位精度高,但實(shí)時(shí)性差,而軟件類(lèi)方法均可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)。由此可見(jiàn),軟硬件結(jié)合,互相補(bǔ)充是可行的。

        3 海底管道檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

        (1)以軟件監(jiān)測(cè)為主、硬件檢測(cè)為輔的多方法融合的海底管道泄漏檢測(cè)技術(shù)將會(huì)成為研究熱點(diǎn)?;谲浖姆椒ㄆ涠ㄎ徽`差通常在幾十到上百米,而水下機(jī)器人等基于硬件的方法可以實(shí)現(xiàn)海底管道高分辨率檢測(cè),但因其效率和成本問(wèn)題一般只運(yùn)用于高風(fēng)險(xiǎn)管段。通過(guò)基于軟件的方法定位縮小檢測(cè)范圍,然后結(jié)合基于硬件的方法對(duì)海底管道實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)精確定位,能夠完美地綜合兩類(lèi)方法的優(yōu)點(diǎn)。

        (2)多點(diǎn)泄漏的檢測(cè)與定位將成為未來(lái)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。陸上管道的多點(diǎn)泄漏檢測(cè)一直是個(gè)難題,而在復(fù)雜的海底環(huán)境中實(shí)現(xiàn)多個(gè)泄漏點(diǎn)的檢測(cè)更是難上加難。實(shí)際海底管道有可能發(fā)生多點(diǎn)泄漏,多個(gè)泄漏點(diǎn)的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生疊加干擾,傳播規(guī)律也會(huì)受到影響,而且泄漏信號(hào)在傳遞過(guò)程中混雜著大量的背景噪音,很容易把泄漏相關(guān)的有效信息全部淹沒(méi)。因此,對(duì)泄漏信號(hào)進(jìn)行去噪處理,實(shí)現(xiàn)多個(gè)泄漏點(diǎn)泄漏特征的獲取將是海底管道泄漏檢測(cè)與定位方法研究過(guò)程中需要突破的重要內(nèi)容。

        (3)混合智能技術(shù)將在海底管道的泄漏檢測(cè)和定位中得到進(jìn)一步應(yīng)用。采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、模糊控制、粒子群算法以及人工智能等技術(shù)的方法應(yīng)用在陸上長(zhǎng)輸管道檢測(cè)中,均取得了預(yù)期的成效。然而,海底管道工況更加復(fù)雜,各種方法都有其使用限制。通過(guò)多種智能技術(shù)的混合使用,綜合利用各種方法的相似性和互補(bǔ)性,應(yīng)用到泄漏信號(hào)的獲取與處理中,可以有效減少管道泄漏的誤報(bào)與漏報(bào),因而會(huì)得到更多的重視與應(yīng)用。

        (4)微小泄漏監(jiān)測(cè)將成為重要研究發(fā)展方向。海底油氣管道的小泄漏事件往往不易被檢測(cè)到且伴隨著腐蝕迅速成長(zhǎng),最后發(fā)展為大量泄漏,從而錯(cuò)失了最好的修復(fù)時(shí)間,損失更加慘重。微小泄漏監(jiān)測(cè)是通過(guò)硬件設(shè)備靠近泄漏區(qū)域并偵聽(tīng)泄漏信息,從而減少泄漏聲波信號(hào)因長(zhǎng)距離傳輸而造成的衰減,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè),因此管道機(jī)器人等內(nèi)檢測(cè)方法也將得到進(jìn)一步重視與發(fā)展。

        4 結(jié)論

        目前,國(guó)內(nèi)多數(shù)海底管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)管道設(shè)計(jì)參數(shù)、流體介質(zhì)參數(shù)、經(jīng)濟(jì)性技術(shù)指標(biāo)等選定泄漏檢測(cè)方式,還缺乏一個(gè)適用整個(gè)管道的泄漏檢測(cè)方式。經(jīng)過(guò)對(duì)泄漏檢測(cè)主要方法的歸納分類(lèi),提出采用將各種方法有機(jī)結(jié)合的油氣管道泄漏監(jiān)測(cè)和定位技術(shù),不但能充分發(fā)揮不同方法的優(yōu)勢(shì),同時(shí)也可避開(kāi)各自的缺點(diǎn)。而隨著數(shù)據(jù)收集和監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展,儀表儀器檢測(cè)準(zhǔn)確度的提升,數(shù)字化管道模式的建立,以及人工智能方法的廣泛使用,大大增強(qiáng)了信號(hào)分析和信號(hào)處理的能力,必將推動(dòng)各種方法有機(jī)地結(jié)合并運(yùn)用到海底管道泄漏檢測(cè)領(lǐng)域中。

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