现代管道泄漏检测技术

1、现代管道泄漏检测技术摘 要 综述了管道泄漏监测和定位领域中应用的各种现代技术和方法，包括硬件方法和软件方法等，并对这些方法和技术进行了评估。关键词 综述；泄漏监测和定位；管道 1 引 言管道运输是一种非常经济和有效的方法和工具,广泛地应用于世界各地区及其各种行业中;与此同时,管道泄漏也一直是国内外人们非常关注的一个重要问题。通常,管道泄漏的物质是有毒和有害的 由于发生泄漏事故可能会对周围环境及其生态平衡造成严重的破坏或影响,由此造成国家财产的损失并对人民生命的威胁。管道泄漏的预测和诊断方法及其技术和管道泄漏的监测方法及其技术随着管道运输的发展而逐步地发展并日趋完善,目前已经成为工业、农业、环境

2、生态发展和科学研究等行业中一个重要的研究内容。迄今为止，管道泄漏检测系统的组成主要分为硬件和软件两种方法和技术。基于硬件的方法和技术主要有声发射、电缆传感器、光纤维、土壤检测、超声波流量测定、蒸汽测定、遥感技术等方法和技术；基于软件的方法和技术有质量（或体积）平衡、实时瞬变模型、压力点分析、神经网络、统计分析等等。基于声发射技术的管道泄漏检测系统如图 1 所示，声音传感器预先地安装在管道壁外侧， 如果管道发生漏点泄漏时，就会在漏点产生噪声并被安装在管道外壁上的声音传感器接收、放大，经计算机软件处理成相关的声音全波形，通过对全波形的分析达到监测和定位管道泄，漏的状况和漏点的位置。此技术特别适合于

3、那些管道内流量低、压力高的的情况为了达到准确地确定一个泄漏点目的，需要排除外来噪声和确定管道操作噪声。 通常，管道的泄漏量与由此引起的噪声波型的幅度具有相关性，噪声信号随着泄漏量增加而增大。泄漏点的位置确定是通过管道上的三个固定的声音传感器通过泄漏引起的噪声在管道上的传播测量出来。基于声发射技术的管道泄漏检测系统具有可实时和可连续地测定分析、泄漏点定位准确和不必拆卸管道的外部测定等优点；但是，对于大流量的管道，背景噪声将会对泄漏噪声产生严重干扰。还有，基于声发射技术的管道泄漏技术检测泄漏量的准确性与其他技术相比具有较大的误差。 近年来，基于声发射技术的管道泄漏检测系统已经获得了广泛应用。诸如，

4、国外的PAL公司、我国清华大学、北京大学和天津大学等都有相关的研究成果及其对应的产品。但是，对于地下管道的泄漏测定问题迄今还有相当多的研究工作需要解决。 基于电缆传感器的泄漏检测技术如图2所示，这些传感器是由某些高分子材料制成并具有与碳氢化合物的反应活性，碳氢化合物对这种材料会产生体积的或者电特性的改变，通过测量这些改变达到监测管道内碳氢化合物泄漏的目的。如果管道或储罐发生泄漏，那么泄漏出的碳氢物质就会不同程度地改变了电缆传感器的电容特性或者电阻特性，由此可确定管道的泄漏量状况和泄漏点位置。 基于电缆传感器的泄漏检测技术适合应用于较短的燃料管线，诸如机场或者炼油厂等的燃料站（库）等。国外的Se

5、nsorComm 公司已经研究了一种液体传感电缆应用于管道的泄漏检测。此种技术是一种非金属的测量技术，可应用于极冷的地区和 20 英尺深度的管道的泄漏检测。通常，电缆传感器经过汽油或者其它的高挥发性碳氢物质暴露之后，必须经空气干燥，以保证电缆传感器的正常应用。此外，传感器可能会干扰管道的阴极保护系统。光纤是一种有前途的管道泄漏检测技术,光纤传感器可以分散地和定点地安装在管线上。光纤可以检测很宽范围的物理和化学特性,既可以检测管道泄漏也可以定位泄漏点位置。如图3所示,是一个应用模拟实例:在一段10米长的埋地氨管道范围内设计了A、B、C和D 等4个可控制氨泄漏流量的模拟氨泄漏位置点,氨管道外壁上铺

6、设光纤传感器以测定并记录氨管道上的温度。模拟试验研究结果表明,通过光纤传感器测定关于管道的温度分布状况,在管道泄漏时和无泄漏时管道的温度分布状况会出现温度明显地下降的差别。在设定的4个泄漏点位置,无论是哪一个位置发生泄漏,此泄漏位置的温度就会下降,这是由于液氨泄漏处管道由于液氨气化产生的吸热作用引起的温度下降,由此确定出管道泄漏报警和确定泄漏点位置。 氨气可具有刺激性气味,人体感官可以在很低的氨浓度时就会感觉出来,但是,此模拟试验表明, 在人体还没有感觉到氨气的气味时,光纤传感器就已经将地下的管道泄漏状况测定出来并确定了修漏点的位置。 土壤检测方法是一种蒸汽检测系统，可以测定出地下管道周围土壤

7、中蒸汽相碳氢物质的浓度，由此检测管道泄漏位置和泄漏状况。如图4所示，是TraceResearch公司的专利技术并已经应用于地下管道泄漏检测和泄漏点的定位。 通常，基于土壤检测的管道泄漏测定和漏点定位技术是通过测定从管道泄漏的示踪气体来完成的，此示踪气体是预先添加到输送管道中的一种惰性的、挥发性的和比较稳定的气体物质，加入到管道中的浓度水平为几个ppm（10-6）。如图3所示，如果输送管道发生泄漏时，示踪气体与管道中其它物质同时流出管道，示踪气体将优先地扩散到管道周围的土壤中，在管道泄漏点附近的土壤气体取样孔洞中的测定探头就会自动地收集土壤中的示踪气体，然后应用气相色谱方法测定探头收集的示踪气体

8、的含量，由此达到监测管道泄漏状况和确定管道泄漏点的位置。应用气相色谱方法可测定出示踪气体在土壤中的浓度为ppt(10-9)水平。测定结果表明，示踪气体技术可以较准确地确定管道泄漏的位置，误差在数英尺范围内，测定结果与管道的直径和长度无关。基于土壤检测的管道泄漏测定和泄漏点定位技术通常应用于地下的管道，此技术具有测定干扰小，具有较高的检漏准确性。但是，对于较长的管线，需要沿管道预先建立许多的探头深孔以便收集示踪气体样品用于气相色谱测定，因此，此技术的测定费用较高、工作负荷也比较大。超声波测定流量的检漏是一种比较经济的、方便的和易于安装维护的技术。 首先，将管道分成若干部分，每一部分都安装上超声波

9、流量测定装置以测定这部分管道流进的和流出的体积流量，同时测定管道温度和环境温度、声波在管道内流体的传播速度等参数。然后，根据体积平衡原理并应用计算机软件模型处理管道各个部分所有参数的测定结果，分析和比较出管道输送中分别在泄漏时和正常运行时的参数状况，由此诊断和确定管道泄漏量和泄漏点位置。通常，较短的处理周期表明了一个较大的泄漏点；较长的处理周期表明了一个较小的泄漏点。 如图4所示，是国外 Controlotron 公司的超声波流量测定管道泄漏系统。超声波测定流量的检漏系统与声发射技术的管道泄漏检测系统类似,都是在管道外部安装非破坏性的设备或器件的检漏技术。超声波测定流量的检漏系统已经成功地应用

10、于城市供水管道系统中的泄漏状况诊断。除此之外,还有便携式的超声波管道检漏系统,可供有经验的技术人员佩戴超声波耳机并在现场沿着地下管道线路巡检使用,同样具有比较准确的漏点定位能力。如图6所示,蒸汽测定系统是将传感器管道平行地安装在被测定的管道上, 如果管道发生泄漏时,泄漏的碳氢物质就会流出管道并通过扩散进入传感器管道。然后,周期地应用气体泵抽取传感器管道内的气体并将此气体输送到检测器进行测定,泄漏的碳氢物质就会被定量测定出来并以出峰的方式随时间进行记录。根据气体泵抽取管内气体的流速、抽取气体的开始时间和碳氢物质在检测器上的出峰时间可计算出被测管道的泄漏点位置,出峰面积的大小表明了管道泄漏量的大小

11、。蒸汽检测技术是一种管道检漏的物理测定方法,与管道内的物质的体积和压力无关。此技术无需软件处理,并且可同时检测出多处泄漏点的状况。但是,测技术通常限于应用较小泄漏的情况,不适合大的泄漏情况检测。还有,此系统需要较高的费用投资,但是,不需要太多的维护工作。另外,此系统的检漏响应时间较长,主要取决于气体泵抽取气体的流速、传感器管线的长短等。除了上述的硬件管道检漏检测技术之外,生物检漏技术也是常常使用的传统方法之一。具有丰富经验的技术人员沿着管道巡检,可通过气味、声音、环境状况等因素寻找管道及其周边的异常现象,判断和确定管道的运行和泄漏状态。 还有,使用训练有素的动物和它的感官也可以帮助人们判断和确

12、定管道的运行和泄漏状态。基于软件的管道检漏方法通常使用管道内流体的流量、压力、温度和其它的数据的变化差异,通过数学模型确定管道内流体的运行状态,判断管道是否出现泄漏、泄漏量大小和确定泄漏点位置。因为输入到计算机软件的流量、压力、温度等参数都是应用硬件设备（如上述各种硬件技术）获得的,所以,基于软件的管道检漏方法是通过与其对应的硬件技术共同实现的。基于质量守恒或者体积守恒原理的软件是指流入和排出一段管道的流体的质量(体积)相等,可通过管道直径、管道内流体的温度、压力和流量计算出来。如果发生泄漏,那么流出这段管道的流体质量就会比流入的少;管道内的压力就会表明管道内部的充填状况。 质量或者体积守恒原

13、理是目前普遍采用的软件技术之一,此软件技术要求硬件能准确地测量出管道内流体的流量、 压力和温度,通过软件计算和处理这些参数并转化成质量流量或者标准状态下的体积流量。国外已经有此类的商品软件并已经应用于石油行业中输油管道的泄漏检测。质量或者体积守恒方法的检漏准确性取决于安装在管道系统中硬件设备的测量精度,通常不需要额外的设备投资, 诸如管道运行状况的模拟处理等过程。应用此类软件诊断管道泄漏需要较长的时间,只有在泄漏发生后并通过这段管道两端的压力或流量等参数的波动反映出来时才能够做出判断。 泄漏报警所需的响应时间取决于此段管道泄漏量的大小,也取决于此段管道中测量设备的测量灵敏度和精度。实时瞬变模型

14、检漏应用质量守恒、动量守恒、能量守恒和流体的状态方程计算管道内流体的流量,应用预测值(计算值)和实测值的差异确定管道的泄漏。此技术需要实时地测量管道的流量、压力和温度,同时,应用实时瞬变模型计算这些对应的物理量的数值。通过连续地分析噪声水平和正常的瞬间状态以减少泄漏的误报警,根据管道的流体流量的统计变化量调整软件的管道泄漏报警阈值。通常,此软件可检测出小于管道流体的1%泄漏量的报警。实时瞬变模型检漏软件是一种非常昂贵的技术,它需要大量昂贵的仪器和设备连续地和实时地测量和收集管道系统中的各种物理量;此软件模型也比较复杂,通常要求训练有素的操作人员。压力点分析方法是基于这种假设:如果一段管道发生泄

15、漏,那么,管道内部压力就会下降。应用简单的压力测量的统计分析,监测管道内部压力测量平均值的减少量。如果这个减少量高于软件预先确定的水平,那么,就会产生一个泄漏报警。宁波广强机器人CCTV管道检测机器人利用先进的CCTV内窥检测技术进行管道检测。广强管道检测机器人是按照国家卫生部颁发的公共场所集中空调通风系统卫生规范的相关技术要求，设计的进行检测的专业设备，可完成各种检测作业，还可搭载各种声纳、切割设备，可按需定制。广强机器人是完成公共场所集中空调检测项目的得力工具。管道机器人具有超强驱动力，通过镜头可以观测管道内景了解管道内部情况并完成采样维护作业。广强管道机器人小巧灵活，便于携带，造型美观，

16、可搭载在车上，一次即可完成多种检测和维护作业。广强机器人管道机器人用途：用于公共场所集中空调采样和检测、用于环境卫生、职业安全、检验检疫等场所的检测，是检测人员的最佳安全伴侣、最得力的工具.宁波广强机器人科技有限公司管道检测机器人是由控制器、爬行器高清摄像头、电缆等组成。在作业的时候主要是由控制器控制爬行器搭载检测设备进入管道进行检测。检测过程中，管道机器人可以实时传输管道内部情况视频图片以供专业维修人员分析管道内部故障问题。人工神经网络是以工程技术手段来模拟人脑神经元网络的结构与特点的系统。我们利用人工神经元可以构成各种不同拓扑结构的神经网络，它是生物神经网络的一种模拟和近似。目前，神经网络

17、已逐步发展为一种公认的、强有力的计算或处理模型。神经网络的应用领域包括：辨识、控制、预测、优化、诊断、模式识别、信息压缩、数据融合、风险评估等。基于人工神经网络的管道泄漏检测是一种有前途的和正在发展中的方法。国外已有报道，基于人工神经网络的液化气管道检漏系统成功地获得应用，在100秒钟以内可监测并定位出相当于管道内流体流量1%以内泄漏量的泄漏点，监测误报率低于50%。国内的管道泄漏检测方法及其技术与国外相比较差距很大，特别是埋藏在城市区域地下的燃气管道泄漏的监测基本上还停留在人工巡检的水平。在某些经济比较发达的城市中，虽然已经配备了许多用于管道检漏的仪器和流动检测工具等，但是，真正应用计算机系

18、统软件的管道检漏系统还没有在具体工作中实施。大部分的工作主要是依靠人工携带检测仪器或者流动的车载仪器沿着地下燃气管线巡检；有时，在可疑的管道泄漏区域范围内，通过采集并测定地下土壤中气体的方法逐步逼近和判断管道的泄漏位置。目前，国内大部分的城市和地区的管道泄漏检测技术水平大部分都处于较低的技术水平。除了上述的管道泄漏的各种检测方法和技术之外，遥感检漏方法也是近年来发展迅速和有效的应用技术之一。如图 7 所示，遥感检漏技术可分成两类：其一是主动检测技术，应用激光源照射被调查的管道线路，发生泄漏的管道就会有气体流出并扩散到大气环境中形成泄漏出来的气体云团，激光通过这个云团时泄漏的气体分子就会吸收激光

19、，与不通过此云团的激光相比有一个能量差，由此判断管道泄漏和确定管道泄漏的位置；其二是被动检测技术（也叫热辐射检测），发生泄漏的管道气体在大气环境中形成的云团内部与此云团外部存在着温度差（或者是辐射能力差），由此可判断管道泄漏状况并确定管道泄漏处的位置。遥感技术与上述的管道泄漏检测技术相比具有许多优点：可应用于大范围管道区域内发生管道泄漏的快速检测和实地调查，可更完整和更有效地覆盖可能发生泄漏的区域；一旦发生管道泄漏时，不必通过收集气体样品或者采集土壤样品的测定方法，而是通过可见的完整的泄漏测定结果准确确定管道泄漏的位置；遥感技术不必依靠有经验人员进入管道输送区域内调查并判断管道泄漏位置，可完成

20、技术人员不能进入的和有危险的区域的管道泄漏调查工作。 综上所述，将目前国内外的关于地下燃气管道泄漏的各种检测方法和技术的比较如表1所示。 表1的比较结果说明没有哪一种方法对所有的性能评估具有压倒的优势，特别是误报警率高是一项普遍的问题（除了生物方法和蒸汽检测方法之外），虽然生物方法和蒸汽检测方法具有较低的误报警率，但是这两种方法不能连续地进行检测。流量变化、质量或者体积守恒方法、压力点分析方法都具有维护方便和易于安装，但是他们的泄漏点定位能力较差并且不适合于管道操作改变的管道。实时瞬变模型技术可应用现代科学仪器 2005 6 15于管道操作改变的管道检漏并且具有较好的泄漏点定位能力，但是维护费

21、用和安装费用都很高。参考文献1 J. P. Lefave, Leslie Karr. Underground Pipeline Leak Detection andLocation Technology Application Guide., Naval Facilities EngineeringService Center, April 19982 W. Al-Rafai, R. J. Barnes. Underlying the Performance of Real-timeSoftware-based Pipeline Leak-detection Systems., Pipes &

22、 PipelineInternational, November 1990. 44-513 J. W. Maresca Pipeline Advanced Leak-Location System (PALS)., VistaResearch Technical Memorandum No. 534 Sensa Case Study: Ammonia Pipeline Leak Detection., CS-APLD, Iss015 J. Zhang., Statistical Pipeline Leak Detection for All Operating Conditions.,Pipe

23、ling & Gas Journal., Febbruary 2001. 1-46 T. A. Reichardt, W. Einfeld, T. J. Kulp. Review of Remote Detection forNatural Gas Transmission Pipeline Leaks. Sandia NationalLaboratories.,1-67 L. S. Stuart, A. B. Maria., Worldwide Assessment of Industry LeakDetection Capabilities for Single & Multiphase

24、Pipelines., Project ReportPrepared for the Minerals Management Service under the MMS/OTRCCooperative Research Agreement 1435-01-99-CA-31003 Task Order 18133.,August. 20038 J. L. Loth, G. J. Morris, G. M. Palmer, et. al., Technology Assessment ofOn-Line Acoustic Monitoring of Leaks/Infringements in Underground NaturalGas Transmission Lines., West Virginia University, Task 3 for DOEContract DE-FC26-02NT., January 20039 S. Belsito, P. Lombardi, P. Andreussi, et al., Leak Detection in LiquefiedGas Pipeline by Artificial Neural Networks., Center for