管道泄漏檢測與定位技術研究概述

趙亞麗 劉欣 路澤永

摘要：管道運輸是油氣的主要運送方式之一，與空運、海運、鐵路和公路并駕齊驅，在經濟迅速增長和社會健康發展的過程中起著十分重要的作用。管道一旦泄漏會帶來重大安全隱患和污染問題，因此及時發現管道泄漏并準確定位具有重大的安全意義。現分析對比了常用管道泄漏檢測和定位方法的原理及優缺點，展望了管道泄漏和定位技術的研究方向。

關鍵詞：管道;光纖;泄漏;定位

中圖分類號：TE832? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）01-0086-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.024

0? ? 引言

隨著石油天然氣行業的發展，管道運輸因其高效、經濟等優點，被廣泛應用于油氣產品的運輸。但是，輸送管道多埋于地底，經常受到自然腐蝕、地質災害等影響而發生泄漏，不僅會造成巨大的經濟損失，還存在安全和污染隱患等問題。因此，加強對運輸管道的監測，縮短管道泄漏的檢測響應時間，提高泄漏點定位精度[1-3]，對減小經濟損失，保障人們的生命財產安全具有重要意義。目前管道泄漏檢測定位方法有很多，常見的測量方法大致可分為基于硬件的檢測定位法和基于軟件的檢測定位法。

1? ? 基于硬件的管道泄漏檢測方法

以硬件為基礎的管道泄漏檢測方法一般指對泄漏原料直接進行檢測的方法，主要有聲發射法、光纖檢測法、探地雷達法、紅外線法等。

1.1? ? 聲發射法

當壓力管道的管壁發生泄漏時，發射聲波會由于能量的釋放從泄漏點往左右兩個方向傳播[4]，通過計算到達安裝在泄漏點前后兩側的兩個處理器的時間可以確定泄漏點的位置。天津大學在此基礎上加入了模式匹配濾波技術，通過采集信號與數據庫中的標準信號進行對比來提高泄漏定位的準確性。聲發射技術能夠進行實時動態檢測，配合一定的算法可以精確定位泄漏位置，對突發型和連續型泄漏響應較快，且處理器易于安裝，便于攜帶，性價比較高;但其對隨機噪聲敏感，容易受環境影響而出現誤報，不適用于小泄漏。

1.2? ? 光纖檢測法

1.2.1? ? 基于Sagnac干涉儀的管道泄漏檢測系統

被耦合器分成兩束的光線，分別沿干涉儀光纖環的順、逆兩個方向循環一周后匯合。如管道出現泄漏，這兩束光會受到因壓力改變而產生的振動信號的作用，被調制從而產生干涉。計算使兩束干涉光輸出的基頻分量為最大值時的零點調制頻率，即可測得泄漏點的位置[5]。傳統環形對稱結構中，兩束光波會相互抵消，影響干涉信號的質量。為消除環形結構的影響，重慶大學等機構通過在傳感光纖尾端安裝法拉第旋轉鏡和雙Sagnac干涉光路兩種形式，將測試系統變為直線型分布式光纖傳感結構，提高了泄漏檢測系統的穩定性和定位準確度。這種泄漏檢測系統結構較簡單，模式識別能力強，但定位精度較低，也無法實現多點振動的準確定位。

1.2.2? ? 基于馬赫-曾德干涉儀的管道泄漏檢測系統

沿傳輸管道并排敷設三條光纖組成分布式振動傳感系統來測量泄漏噪聲。當管道泄漏產生的信號作用在兩條測試光纖時，光纖內部的兩束干涉光就會產生相位變化，從而實現管道泄漏的實時檢測。隨著技術的發展，后又逐漸出現雙馬赫-曾德干涉儀泄漏檢測系統以及結合了馬赫-曾德和薩格納克干涉儀兩種結構的組合優化系統，以減輕環境對檢測系統的影響。基于馬赫-曾德干涉儀的管道泄漏檢測系統響應速度較快，定位精度也較高，且能實現對小孔徑、小壓力泄漏的測量;但這種結構易出錯，只有在兩束干涉光正交時，才能實現多點準確定位。

1.2.3? ? 基于Φ-OTDR的管道泄漏檢測系統

聲光調制器將超窄線寬激光器發出的強相干連續光調制成脈沖光，其在光纖內傳播時，會不斷產生受外界振動信號調制的相干后向瑞利散射光。由于光的時分復用特點和振動調制，這些信號的相位信息攜帶了外部振動和位置信息，再利用光干涉將脈沖光的相位變化轉換為相干光的強度變化，最后用光電探測器獲得光功率，完成分布式振動傳感信號的檢測。該系統通過檢測泄漏產生的振動信號在頻域上的能量分布情況，分析其特征頻段的分量，用特征頻率分量沿光纖的分布情況作為判斷依據，可實現泄漏點位置的精準定位[6]，原理簡單，可實現多點定位，但成本較高。

1.3? ? 探地雷達法

采用探地雷達法進行測量時，發射天線將脈沖源產生的納秒級周期電磁信號耦合到埋管介質中，電磁信號在傳播過程中遇到介質變化產生的波阻抗界面時，會產生比正常情況下更強的反射信號，該信號由接收天線接收并傳輸到上位機，記錄發射波和反射波的時間差，即可確定反射面離地表的位置[7]。探地雷達法可以及時檢測地下管道的泄漏情況，可靠而全面，可用于地形比較復雜的環境;但在黏土環境中容易失真，成本較高，對操作員的技術熟練度要求也較高。

1.4? ? 紅外線法

基于紅外熱成像的管道泄漏檢測系統的原理是利用紅外成像技術檢測管道中溫度的變化來檢測其是否發生泄漏。物體輻射出的紅外線強度會隨溫度的變化而改變，當管道發生泄漏時，會改變泄漏點的熱輻射，并且有別于周圍環境，通過紅外熱成像儀就可以探測到泄漏點的熱場分布云圖發生的變化，從而迅速檢測出泄漏并定位泄漏點[8]。這種方法的優點是將檢測到的參數轉換為可視圖像，操作方便，響應速度快;缺點是對管道埋入深度有要求，對小于1.0 mm的泄漏孔難以進行量化。

2? ? 基于軟件的管道泄漏檢測方法

基于軟件的管道泄漏檢測方法是將采集到的管道內壓力、流量、速度等參數用現代控制理論、信號處理技術和計算機技術進行處理，以實現管道泄漏的檢測和定位。主要包括以下幾種：

2.1? ? 質量體積平衡法

質量體積平衡法的測漏原理是在管道的上下游分別安裝流量計，在理想狀態下，管道內流體的輸入、輸出總量應該是相等的或保持一個固定的差值，一旦發生泄漏，則上下游之間的流量差會明顯增大，當該差值達到報警閾值時，就可以判斷出發生了泄漏，再根據泄漏點定位公式，即可判斷出泄漏點的位置。這種方法不需要復雜的模型，設備簡單，安裝方便，成本較低;但是測量精度受儀表限制，且檢測周期較長，定位精度有待提高。

2.2? ? 負壓波測漏法

負壓波測漏原理是當管道某處發生泄漏時，該點局部流體流失，壓強突然減小，形成一個以泄漏點為中心的壓力波，即負壓波。負壓波以特定速度向管道首尾兩端傳輸，并最終由壓力傳感器采集，計算壓力傳感器采集到的負壓波速度及其傳播時間差就可以定位管道泄漏點的位置。負壓波測漏法結構簡單，成本相對較低，也有較高的定位精度和較快的響應速度;但易受環境影響，不適用于管道滲漏情況。

2.3? ? 壓力梯度法

采用壓力梯度法需要通過壓力傳感器時刻監測管道內的壓力，理想環境下，管道內的壓力沿管道軸向線性變化，若有泄漏發生，泄漏點的壓力梯度會隨著上下游流量的改變而相應增大或減小，從而出現壓力變化轉折點，對比泄漏前后管道壓力梯度的變化即可完成檢漏工作并定位泄漏點。但在實際工作中，管道內壓力并非理想線性分布，因此采用壓力梯度測漏法有時會出現較大的誤差，為了減小這種誤差，李俊花等將壓力梯度法與逆瞬態法相結合，采用遺傳算法對管道泄漏點前后的摩阻系數進行尋優計算，對管道泄漏點進行迭代更新計算，提高了定位精度[9]。

2.4? ? 小波分析法

用小波分析法進行管道泄漏點定位的原理是通過將含有瞬態負壓波的下降沿突變點的非平穩信號與一個在頻域和時域都具有局部化特征的小波基函數進行卷積，然后選擇合適的尺度因子和平移因子，凸顯出信號在某一個時刻的局部信息，從而檢測出信號的異常點[10]。采用小波分析進行管道泄漏檢測和泄漏點定位時不需要流量信息和建立精確的管線數學模型，靈敏度和準確度較高，對迅速、突然出現的泄漏比較敏感，但它同樣對滲漏檢測效果有限，且抗干擾能力較差，容易誤報。

2.5? ? 基于神經網絡的管道泄漏檢測方法

油氣輸送管道非線性特征明顯，難以用精確的數學模型進行描述，而神經網絡可以實現輸入、輸出的非線性映射，具有模擬連續非線性函數的能力和自適應學習能力，非常適合建立非線性和不確定性系統模型。基于人工神經網絡的管道泄漏檢測方法可以較為及時地檢測出管道泄漏事故的發生，并且抗干擾能力較強。但在工業環境中，情況復雜，難以得到覆蓋全面的數據，無法滿足神經網絡建模所需要的訓練程度，所以基于神經網絡的管道泄漏檢測方法在實際中的應用還有很長一段路要走。

2.6? ? 動態模型法

動態模型法是將管道內流體的質量、動量平衡等動力學方程構建成仿真模型，并與實際管道同步運行，同時利用儀表測量出管道的瞬時流量、壓力、溫度等參數值，將所測數值作為動態模型的邊界條件，再用特征線法對管道模型沿時間層逐層求解，得到管道沿線的壓力分布曲線，將理想狀態下的管道壓力分布曲線和管道實際運行曲線進行對比，若發生泄漏，則兩條曲線會產生明顯偏差，再通過求解定位公式即可對泄漏點進行定位。這種方法誤報率相對較高，且模型描述的精確程度易受到管道內外復雜環境的影響。

3? ? 管道泄漏檢測方案選擇參考

由上述分析可知，上述管道泄漏檢測定位方法有其各自的優缺點，適用的環境以及檢測對象也各不相同。光纖和紅外熱成像檢測法適用范圍較廣，可用于地表、地下或水下的管道檢測，但紅外熱成像多用于油氣檢測。探地雷達法檢測對象多為水和氣體，一般只用于地下管道檢測。基于軟件的管道泄漏檢測方法多與硬件檢測法結合使用，用于連續監測管道內油氣產品的壓力、流速等狀態，其中質量平衡法適用于流量計方便安裝的管道，壓力梯度法不適合三高原油的檢測，負壓波法則較適用于短距離管道檢測。但無論選擇哪種方案，都需要滿足美國石油學會制定的靈敏度、準確度、可靠性和適應性等標準。

4? ? 結論與展望

本文分析了常用的管道泄漏檢測方法，認為較理想的測漏方法一般應達到以下幾點要求：（1）能夠對管道泄漏做到預警;（2）智能化，成本低，精度高;（3）響應速度快，定位準確;（4）能夠實現在線實時檢測。

管道泄漏的智能檢測和定位是管道運輸未來發展的重點內容，現有技術大多易受環境干擾而出現誤報，且定位精度不高。隨著各學科的融合和科學技術的日新月異，以軟件為主、軟硬件融合的智能化綜合管道泄漏檢測和定位技術必將日趨完善。另外，融合了光纖傳感技術與計算機技術的管道泄漏檢測方法不易受電磁環境影響，具有檢測動態范圍廣、靈敏度高和可實時在線檢測的特點，因此，開發基于分布式光纖傳感技術的管道檢測和定位系統并將其付諸應用，將會成為今后一段時間內管道測漏技術的發展趨勢。

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收稿日期：2021-10-14

作者簡介：趙亞麗（1982—），女，河北保定人，碩士，副教授，研究方向：光纖傳感技術與電氣控制技術。