摘要：簡單說明了油氣長輸管道泄漏的原因和泄漏的危害，簡單回顧了國內(nèi)外油氣長輸管道泄漏檢測技術(shù)發(fā)展的歷史，詳細(xì)介紹了熱紅外線成像、探地雷達(dá)、氣體成像、傳感器法、探測球法、半滲透檢測管檢漏法、GPS時間標(biāo)簽法、放射性示蹤劑法、體積或質(zhì)量平衡法、壓力波法、小波變換法、相關(guān)分析法、狀態(tài)估計法、系統(tǒng)辨識法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、統(tǒng)計檢漏法和水力坡降法等20多種管道泄漏檢測技術(shù)方法，同時介紹了泄漏檢測方法的診斷性能指標(biāo)和綜合性能指標(biāo)，最后指出了現(xiàn)在存在的問題和發(fā)展的趨勢。
關(guān)鍵詞：油氣；長輸管道；泄漏；原因；檢測方法；性能指標(biāo)；問題；發(fā)展；趨勢
??? 油氣長輸管道發(fā)生泄漏的原因多種多樣，但大致可以分為：(1)管道腐蝕：防護(hù)層老化、陰極保護(hù)失效, 以及腐蝕性介質(zhì)對管道外壁造成的腐蝕和傳輸介質(zhì)的腐蝕成分對管道內(nèi)壁造成的腐蝕；(2)自然破壞：由于地震、滑坡等自然災(zāi)害以及氣候變化使管道發(fā)生翹曲變形導(dǎo)致應(yīng)力破壞；(3)第三方破壞：不法分子的盜竊破壞, 施工人員違章操作, 野蠻施工造成的破壞；(4)管道自身缺陷：包括管道焊接質(zhì)量缺陷, 管道連接部位密封不良, 未設(shè)計管道伸縮節(jié), 材料等原因。油氣管道泄漏不僅給生產(chǎn)、運營單位造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會對環(huán)境造成破壞、嚴(yán)重影響沿線居民的身體健康和生命安全。
1 檢漏技術(shù)發(fā)展歷史
??? 國外從上個世紀(jì)70年代就開始對管道泄漏檢測技術(shù)進(jìn)行了研究。早在1976年德國學(xué)者R.Isermann和H. Siebert就提出以輸入輸出的流量和壓力信號經(jīng)過處理后進(jìn)行互相關(guān)分析的泄漏檢測方法；1979年Toslhio Fukuda提出了一種基于壓力梯度時間序列的管道泄漏檢測方法；L.Billman和R.Isermann在1987年提出采用非線性模型的非線性狀態(tài)觀測器的檢漏方法；A.Benkherouf在1988年提出了卡爾曼濾波器方法；1991 年Kurmer 等人開發(fā)了基于Sagnac 光纖干涉儀原理的管道流體泄漏檢測定位系統(tǒng)；1993年荷蘭殼牌(shell)公司的X.J.Zhang提出了統(tǒng)計檢漏法；1999年美國《管道與氣體雜志》報道了一種稱作“紋影”( Schlieren)的技術(shù)，即采用空氣中的光學(xué)折射成象原理可用于管道檢漏；2001年Witness提出了采用頻域分析的頻域響應(yīng)法，其基本思想是將管道系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行泄漏檢測和定位分析；2003年Marco Ferrante提出了采用小波分析的方法，利用小波技術(shù)對管道的壓力信號進(jìn)行奇異性分析，由此來檢測泄漏。
??? 我國對于管道泄漏技術(shù)的研究起步較晚，但發(fā)展很快。1988年方崇智提出了基于狀態(tài)估計的觀測器的方法；1989年王桂增提出了一種基于Kullback信息測度的管線泄漏檢測方法；1990年董東提出了采用帶時變噪聲估計器的推廣Kalman濾波方法；1992年提出了負(fù)壓波法泄漏檢測法；1997, 1998年天津大學(xué)分別采用模式識別、小波分析等技術(shù)對負(fù)壓波進(jìn)行了很大程度的改進(jìn)；1997年唐秀家等人首次提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道泄漏檢測模型；1999年張仁忠等提出了壓力點分析(PPA)法和采集數(shù)據(jù)與實時仿真相關(guān)分析法相結(jié)合的方法；2000年胡志新等提出了分布式光纖布拉格光柵傳感器的油氣管道監(jiān)測系統(tǒng)；2002年崔中興等介紹了聲波檢漏法；2003年胡志新提出了基于Sagnac 光纖干涉儀原理的天然氣管道泄漏檢測系統(tǒng)理論模型；2003年潘緯等利用小波分析方法來分析信號的奇異性及奇異性位置,來檢測天然氣管線泄漏；2003年夏海波等提出了基于GPS 時間標(biāo)簽的管道泄漏定位方法；2004年白莉等提出了一致最大功效檢驗探測泄漏信號；2004年吳海霞等運用負(fù)壓波和質(zhì)量平衡原理,采用模糊算法和邏輯判斷法,利用壓力、流量和輸差三重機(jī)制實現(xiàn)了對原油管道的泄漏監(jiān)測及定位、原油滲漏監(jiān)測和報警；2004年倫淑嫻等利用自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的去噪方法可以提高壓力信號；2005年張紅兵等介紹了根據(jù)管道的瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用特征線法求解進(jìn)行不等溫輸氣管道泄漏監(jiān)測；2005年劉恩斌等研究了一種新型的基于瞬態(tài)模型的管道泄漏檢測方法,并對傳統(tǒng)的特征線法差分格式進(jìn)行了改進(jìn),將其應(yīng)用于對管道瞬態(tài)模型的求解；2005年朱曉星等提出了將仿射變換的思想應(yīng)用到基于瞬態(tài)壓力波的管道泄漏定位算法中；2005年白莉等等將擴(kuò)展卡爾曼濾波算法,應(yīng)用于海底管道泄漏監(jiān)測與定位；2006年白莉等利用多傳感器的信息融合思想,提出分布式檢測與決策融合方法進(jìn)行長距離海底管線泄漏監(jiān)測；2006年提出了一種基于Mach-Zehnder光纖干涉原理的新型分布式光纖檢漏測試技術(shù)^[1-12]。
2 泄漏檢測技術(shù)方法
??? 對于檢漏技術(shù)的分類，現(xiàn)在沒有統(tǒng)一的規(guī)定，根據(jù)檢測過程中所使用的測量手段不同，分為基于硬件和軟件的方法；根據(jù)測量分析的媒介不同可分為直接檢測法與間接檢測法；根據(jù)檢測過程中檢測裝置所處位置不同可分為內(nèi)部檢測法與外部檢測法；根據(jù)檢測對象的不同可分為檢測管壁狀況和檢測內(nèi)部流體狀態(tài)的方法^[1-19]。
2.1 熱紅外成像
??? 對于加熱輸送的液體管道，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時,土壤被泄漏的液體加熱后溫度上升，通過紅外輻射的不同來感知這種異常的溫度，將其與事先保存在計算機(jī)中的管道周圍土壤正常溫度分布圖進(jìn)行比較檢測泄漏。近年美國OIL TON公司開發(fā)出一種機(jī)載紅外檢測技術(shù)，由直升飛機(jī)攜帶一高精度紅外攝像機(jī)沿管道飛行，通過分析輸送物資與周圍土壤的細(xì)微溫差確定管道是否泄漏。這類方法不能對管線進(jìn)行連續(xù)檢測，因此發(fā)現(xiàn)泄漏的實時性差而且對管道的埋設(shè)深度有一定的限制,具有關(guān)資料介紹,當(dāng)直升機(jī)的飛行高度為300m時,管道的埋設(shè)深度應(yīng)當(dāng)在6m之內(nèi)。
2.2 探地雷達(dá)
??? 探地雷達(dá)(GPR) 將脈沖發(fā)射到地下介質(zhì)中，通過時域波形的處理和分析探知地下管道是否泄漏。當(dāng)管道內(nèi)的原油發(fā)生泄漏時,管道周圍介質(zhì)的電性質(zhì)會發(fā)生變化,從而反射信號的時域波形也會發(fā)生變化,根據(jù)波形的變化就可以檢測到管道是否發(fā)生了泄漏。應(yīng)用探地雷達(dá)探測時,物體必須有一定的體積,因此這種方法不適用于較細(xì)的管道。而且用探地雷達(dá)探測泄漏時,與管道周圍的地質(zhì)特性有關(guān),地質(zhì)特性的突變對圖象有很大的影響,這也是應(yīng)用中的一個難點。
2.3 氣體成像
??? 在輸氣管道泄漏檢測中,氣體成像技術(shù)也是一個比較有效的方法。以前氣體成像的原理主要是根據(jù)背景吸收氣體成像和紅外輻射吸收技術(shù)。設(shè)備比較笨重,需要大型的激光器。近年來,開發(fā)了一種稱之為“紋影”的技術(shù),即采用空氣中光學(xué)折射成像原理檢漏。其設(shè)備輕巧、使用方便,還能提供有關(guān)泄漏量的指示。這種光學(xué)非侵入技術(shù)，可以遠(yuǎn)距離觀測漏失量為每分鐘僅為幾毫升的輕微泄漏。泄漏到大氣中的天然氣比周圍的空氣折射率高，天然氣泄漏使光線發(fā)生折射，在攝像機(jī)和照明條件下光柵之間的泄漏，使光線到達(dá)攝像機(jī)時產(chǎn)生位移。這樣肉眼見不到的天然氣泄漏就變成可視的紋影圖象并可拍攝下來。利用這種技術(shù)，氧氣和氮氣難于在空氣中成象，但烴類氣體、揮發(fā)性流體的蒸氣卻容易看到；氦氣、氫氣、含氯氟烴等密度大于或小于空氣的氣體都可成象。同樣紋影攝像機(jī)也能看到冷暖氣流和超聲沖擊波。紋影成象技術(shù)不僅能發(fā)現(xiàn)氣休泄漏而且能提供信息估算泄漏量。這種技術(shù)是地面成象系統(tǒng)，但檢測來自地下的天然氣泄漏也是可行的。
2.4 傳感器法
??? 隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展,人們已經(jīng)制造出對某種化學(xué)物質(zhì)特別敏感的傳感器,再借助于計算機(jī)和現(xiàn)代信號處理技術(shù)可以大大地提高檢測的靈敏度和精確度。
??? (1) 嗅覺傳感器?
??? 將嗅覺傳感器應(yīng)用于管道檢測還是一項不大成熟的技術(shù)?？梢詫⑿嵊X傳感器沿管道按一定的距離布置,組成傳感器網(wǎng)絡(luò)對管道進(jìn)行實時監(jiān)控。當(dāng)發(fā)生泄漏時,對泄漏物質(zhì)非常敏感的嗅覺傳感器就會發(fā)出報警。
??? (2) 分布式光纖聲學(xué)傳感器
??? 方法是利用Sagnac干涉儀測量泄漏所引起的聲輻射的相位變化來確定泄漏點的范圍，這種傳感器可以用于氣體或液體運輸管道。這種方法是把光纖傳感器放在管道內(nèi)，通過接收到的泄漏液體或氣體的聲輻射，來確定泄漏和定位。由于是玻璃光纖，所以不會被分布沿線管道的高壓所影響，也不會影響管道內(nèi)液體的非傳導(dǎo)特性，而且光纖還不受腐蝕性化學(xué)物資的損害，壽命較長。在理論上，10km管道定位精度能達(dá)到±5m，反應(yīng)也較靈敏及時，但成本較高。???
2.5 探測球法
??? 基于磁通、超聲、渦流、錄像等技術(shù)的探測球法是上世紀(jì)80年代末期發(fā)展起來的一項技術(shù)，將探測球沿管線內(nèi)進(jìn)行探測，利用超聲技術(shù)(“超聲豬”)或漏磁技術(shù)(“磁通豬”)采集大量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行事后分析，以判斷管道是否有泄漏點。該方法檢測準(zhǔn)確、精度較高，缺點是探測只能間斷進(jìn)行，易發(fā)生堵塞、停運的事故，而且造價較高。
2.6 半滲透檢測管法
??? 這種檢漏管埋設(shè)在管道上方，一旦氣體管道發(fā)生泄漏，安裝在檢測管一端的抽氣泵持續(xù)地從管內(nèi)抽氣，并進(jìn)入烴類檢測器，如檢測到油氣，則說明有泄漏發(fā)生。但這種方法安裝和維修費用相對較高，另外，土壤中自然產(chǎn)生的氣體(如沼氣)可能會造成假指示，容易引起誤報警。美國謝夫隆管道公司在天然氣管道上安裝了這種檢測系統(tǒng)(LASP)。
2.7 檢漏電纜法
??? 檢漏電纜多用于液態(tài)烴類燃料的泄漏檢測。電纜與管道平行鋪設(shè)，當(dāng)泄漏的烴類物質(zhì)滲入電纜后，會引起電纜特性的變化。目前己研制的有滲透性電纜、油溶性電纜和碳?xì)浠衔锓植际絺鞲须娎|。這種方法能夠快速而準(zhǔn)確地檢測管道的微小滲漏及其滲漏位置，但其必須沿管道鋪設(shè)，施工不方便，且發(fā)生一次泄漏后，電纜受到污染，在以后的使用中極易造成信號混亂，影響檢測精度，如果重新更換電纜，將是一個不小的工程。
2.8 GPS時間標(biāo)簽法
??? GPS(全球定位系統(tǒng))的基本定位原理是：衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過計算求出接收機(jī)的三維位置，三維方向以及運動速度和時間信息。采用GPS同步時間脈沖信號是在負(fù)壓波的基礎(chǔ)上強(qiáng)化各傳感器數(shù)據(jù)采集的信號同步關(guān)系，通過采樣頻率與時間標(biāo)簽的換算分別確定管道泄漏點上游和下游的泄漏負(fù)壓波的速度，然后利用泄漏點上下游檢測到的泄漏特征信號的時間標(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)到總管線長度的1%之內(nèi)，比傳統(tǒng)方法精度提高近3倍。