管道输送运量大、效率高,投资省、见效快、占地少,损耗低,可适应各种复杂地形、地貌和气候条件等特点,已成为油气运输的..方式[1]。如果能够及时发现泄漏,确定泄漏点,就能有效地减轻泄漏事故造成的损失和危害。为了及时发现泄漏事故,减少油气损失,维护管道部门的正常运行,同时打击猖撅的盗油犯罪,除了从立法上加强保护外,技术上也给泄漏检测提出了更高的要求。因此,管道的维护管理、泄漏的检测、保障管道安全运行己成为世界上重要的研究课题并日益受到重视。

1 管道泄漏技术检测技术发展

当前,对管道泄漏检测方法的研究己有几十年的历史,但由于其检测的复杂性,如管道介质的多样性,管道所处的多样性,以及泄漏形式的多样性,还没有一种简单可靠、通用的方法可以解决管道泄漏检测问题。近些年常用的是基于硬件和软件的方法,基于硬件的方法(hardwaer-basde methods)是指利用由不同的物理原理设计的硬件装置,将其携带或铺设在管线上,以此来检测管道的泄漏并定位;基于软件的方法(software-basde methods)则是根据计算机数据采集系统(如SCADA系统)实时采集管道的流量、压力、温度及其它数据,通过软计算对泄漏进行检测和定位。

2 基于硬件的检漏方法(hardwaer-basde methods)

1. 直接观察法

此种方法是依靠有经验的管道工人或经过训练的动物巡查管道。通过看、闻、听或其他方式来判断是否有泄漏发生。这类方法不能对管线进行连续检测,因此发现泄漏的实时性差。

2. 探测球法

基于磁通、超声、涡流、录像等技术的探测球法是20世纪80年代末期发展起来的一项技术,将探测球沿管线内进行探测,利用超声技术或漏磁技术采集大量数据,并将探测所得数据存在内置的专用数据存储器中进行事后分析,以判断管道是否被腐蚀、穿孔等,即是否有泄漏点。该方法检测准确、精度较高,但探测只能间断进行,易发生堵塞、停运等事故,而且造价较高。

3. 半渗透检测管法

这种检漏管埋设在管道上方,气体可渗透进入真空管,并被吸到监控站进行成份检测。美国谢夫隆管道公司在天然气管道上安装了这种检测系统(LAsP)。LAsP以扩散原理为基础,主要元件是一根半渗透检测管,内有乙烯基醋酸酯(EvA)薄膜。这种膜的特点是对天然气和石油具有很高的渗透率,却不透水。如果检测管周围存在油气,会扩散进去。检测管一端连有抽气泵,持续地从管内抽气,并进入烃类检测器,如检测到油气,则说明有泄漏发生。但这种方法安装和维修费用较高,另外,土壤中自然产生的气体(如沼气)可能会造成假指示,容易引起误报警。

4. 声发射技术法

当管道发生泄漏时,流体通过裂纹或者腐蚀孔向外喷射形成声源,然后通过和管道相互作用,声源向外辐射能量形成声波,这就是管道泄漏声发射现象。通过仪器对这些因泄漏引起的声发射信号进行采集和分析处理,就可以对泄漏以及其位置进行判断。

3 基于软件的检漏方法(software-basde methods)

1. 压力点分析法(PPA)

该方法可检测气体、液体和某些多相流管道泄漏,依靠分析由单一测点测取数据,极易实现。管道发生泄漏后,其压力降低,破坏了原来的稳态,因此管道开始趋向于新的稳态。在此过程中产生了一种沿管道以声波传播的扩张波,这种扩张波会引起管道沿线各点的压力变化,并将失稳的瞬态向前传播。PPA在管道沿线设点检测压力,采用统计的方法分析检测到的压力值,一旦压力平均值降低超过预定值,系统就会报警。根据上下两站压力下降沿的时间差即可计算出泄漏点位置。但压力点分析法要求捕捉初漏的瞬间信息,所以不能检测微渗。压力点分析法己被证明是一种有效的检漏方法,己广泛运用于各种距离和口径的管道泄漏检测。

2. 压力梯度法

在稳定流动的条件下,压力分布呈斜直线,当泄漏发生时,漏点前的流量变大,压力分布直线斜率变大,漏点后,流量变小,相应斜率也变小,压力分布由直线变成折线状,折点即为泄漏点。根据上、下游管段的压力梯度,可以计算出泄漏位置。压力梯度法需要在管道上安装多个压力检测点,而且仪表精度及间距都对定位结果有较大的影响。当然,在管线上测量点越多,性能越好。

3. 小波变换法

检测信号的小波变换系数极值的奇异性准确地反映了管道检测信号的泄漏特征,并且从局部描述了管道泄漏信号的瞬态正则性。小波变换法的优点是可以进行在线实时泄漏检测,克服噪声能力强,不需要管线的数学模型,对输入信号的要求较低,计算量也不大,是一种很有前途的泄漏检测方法。但此方法对出工况变化及泄漏引起的压力突降难以识别,易产生误报警。

4 结语

管道泄漏检测是一门跨领域、多学科综合的技术,涉及到热力学、传感技术、微弱信号检测、管道流体力学、信号处理等多个学科。本文以天然气运输管道为背景,对管道泄漏实时检测及定位关键技术进行了理论分析和研究,由于天然气长输管道的模型受到流体特性、地势状况及管道自身的特性等诸多复杂因素的制约,难于建立其精确的数学模型。目前,控制理论、信号处理、计算机技术、模式识别、人工智能等学科的发展,基于软件的管道泄漏检测方法为各种现代测量技术的应用提供了平台,将有着良好的发展前景。