输气管道泄漏检测技术及其发展分析

输气管道泄漏检测技术及其发展分析

余乐

重庆市川东燃气工程设计研究院广西分院 ,广西南宁 530000

摘要：随着天然气管道的快速发展，人们将会越来越重视管道的安全运行，而管道泄漏则成为人们无法忽视的一个重要问题。基于此，本文就输气管道泄漏检测技术及其发展进行简要分析。

关键词：输气管道泄漏；检测技术；发展；

1 输气管道泄漏检测方法概述

1.1 声发射法

当压力管道的管壁发生泄漏时，发射声波会由于能量的释放从泄漏点往左右两个方向传播，通过计算到达安装在泄漏点前后两侧的两个处理器的时间可以确定泄漏点的位置。天津大学在此基础上加入了模式匹配滤波技术，通过采集信号与数据库中的标准信号进行对比来提高泄漏定位的准确性。声发射技术能够进行实时动态检测，配合一定的算法可以精确定位泄漏位置，对突发型和连续型泄漏响应较快，且处理器易于安装，便于携带，性价比较高；但其对随机噪声敏感，容易受环境影响而出现误报，不适用于小泄漏。

1.2 光纤检测法

1.2.1 基于Sagnac干涉仪的管道泄漏检测系统

被耦合器分成两束的光线，分别沿干涉仪光纤环的顺、逆两个方向循环一周后汇合。如管道出现泄漏，这两束光会受到因压力改变而产生的振动信号的作用，被调制从而产生干涉。计算使两束干涉光输出的基频分量为最大值时的零点调制频率，即可测得泄漏点的位置。传统环形对称结构中，两束光波会相互抵消，影响干涉信号的质量。为消除环形结构的影响，重庆大学等机构通过在传感光纤尾端安装法拉第旋转镜和双Sagnac干涉光路两种形式，将测试系统变为直线型分布式光纤传感结构，提高了泄漏检测系统的稳定性和定位准确度。这种泄漏检测系统结构较简单，模式识别能力强，但定位精度较低，也无法实现多点振动的准确定位。

1.2.2 基于马赫-曾德干涉仪的管道泄漏检测系统

沿传输管道并排敷设三条光纤组成分布式振动传感系统来测量泄漏噪声。当管道泄漏产生的信号作用在两条测试光纤时，光纤内部的两束干涉光就会产生相位变化，从而实现管道泄漏的实时检测。随着技术的发展，后又逐渐出现双马赫-曾德干涉仪泄漏检测系统以及结合了马赫-曾德和萨格纳克干涉仪两种结构的组合优化系统，以减轻环境对检测系统的影响。基于马赫-曾德干涉仪的管道泄漏检测系统响应速度较快，定位精度也较高，且能实现对小孔径、小压力泄漏的测量；但这种结构易出错，只有在两束干涉光正交时，才能实现多点准确定位。

1.2.3 基于Φ-OTDR的管道泄漏检测系统

声光调制器将超窄线宽激光器发出的强相干连续光调制成脉冲光，其在光纤内传播时，会不断产生受外界振动信号调制的相干后向瑞利散射光。由于光的时分复用特点和振动调制，这些信号的相位信息携带了外部振动和位置信息，再利用光干涉将脉冲光的相位变化转换为相干光的强度变化，最后用光电探测器获得光功率，完成分布式振动传感信号的检测。该系统通过检测泄漏产生的振动信号在频域上的能量分布情况，分析其特征频段的分量，用特征频率分量沿光纤的分布情况作为判断依据，可实现泄漏点位置的精准定位，原理简单，可实现多点定位，但成本较高。

1.3 探地雷达法

采用探地雷达法进行测量时，发射天线将脉冲源产生的纳秒级周期电磁信号耦合到埋管介质中，电磁信号在传播过程中遇到介质变化产生的波阻抗界面时，会产生比正常情况下更强的反射信号，该信号由接收天线接收并传输到上位机，记录发射波和反射波的时间差，即可确定反射面离地表的位置。探地雷达法可以及时检测地下管道的泄漏情况，可靠而全面，可用于地形比较复杂的环境；但在黏土环境中容易失真，成本较高，对操作员的技术熟练度要求也较高。

1.4 红外线法

基于红外热成像的管道泄漏检测系统的原理是利用红外成像技术检测管道中温度的变化来检测其是否发生泄漏。物体辐射出的红外线强度会随温度的变化而改变，当管道发生泄漏时，会改变泄漏点的热辐射，并且有别于周围环境，通过红外热成像仪就可以探测到泄漏点的热场分布云图发生的变化，从而迅速检测出泄漏并定位泄漏点。这种方法的优点是将检测到的参数转换为可视图像，操作方便，响应速度快；缺点是对管道埋入深度有要求，对小于1.0mm的泄漏孔难以进行量化。

1.5 负压波法

负压波法目前是使用范围较广的一种方法，图1为示意图。其工作原理是：流体外泄引起管道局部瞬时压降和流速降低，上游管段流体流入该局部区域则会弥补此处压降，从而导致泄漏处与上、下游临近处形成压差，并以负波的形式向管道两端传递。在管道首末两端设置压力传感器采集数据，通过分析压力梯度特征和压变时间差即可检测泄漏。

图1 负压波法原理图

该方法优点是成本小、易操作，便于维护，故受到广泛采用。但缺点在于负压波法适用大流量泄漏，对于小流量泄漏、多点泄漏敏感性不强，且易受到噪声干扰，从而导致检测精度降低，误报率较高。为了提高精度，常采用小波变换、卡尔曼滤波等来进行降噪处理。

1.6 压力梯度法

采用压力梯度法需要通过压力传感器时刻监测管道内的压力，理想环境下，管道内的压力沿管道轴向线性变化，若有泄漏发生，泄漏点的压力梯度会随着上下游流量的改变而相应增大或减小，从而出现压力变化转折点，对比泄漏前后管道压力梯度的变化即可完成检漏工作并定位泄漏点。但在实际工作中，管道内压力并非理想线性分布，因此采用压力梯度测漏法有时会出现较大的误差，为了减小这种误差，李俊花等将压力梯度法与逆瞬态法相结合，采用遗传算法对管道泄漏点前后的摩阻系数进行寻优计算，对管道泄漏点进行迭代更新计算，提高了定位精度。

1.7 小波分析法

用小波分析法进行管道泄漏点定位的原理是通过将含有瞬态负压波的下降沿突变点的非平稳信号与一个在频域和时域都具有局部化特征的小波基函数进行卷积，然后选择合适的尺度因子和平移因子，凸显出信号在某一个时刻的局部信息，从而检测出信号的异常点。采用小波分析进行管道泄漏检测和泄漏点定位时不需要流量信息和建立精确的管线数学模型，灵敏度和准确度较高，对迅速、突然出现的泄漏比较敏感，但它同样对渗漏检测效果有限，且抗干扰能力较差，容易误报。

2 管道泄漏检测方案选择参考

由上述分析可知，上述管道泄漏检测定位方法有其各自的优缺点，适用的环境以及检测对象也各不相同。光纤和红外热成像检测法适用范围较广，可用于地表、地下或水下的管道检测，但红外热成像多用于油气检测。探地雷达法检测对象多为水和气体，一般只用于地下管道检测。基于软件的管道泄漏检测方法多与硬件检测法结合使用，用于连续监测管道内油气产品的压力、流速等状态，其中质量平衡法适用于流量计方便安装的管道，压力梯度法不适合三高原油的检测，负压波法则较适用于短距离管道检测。但无论选择哪种方案，都需要满足石油学会制定的灵敏度、准确度、可靠性和适应性等标准。

3结论

通过对以上各种泄漏检测技术进行对比，目前尚未有一种方法可以完美适用于任意工况，得益于计算机水平的不断提高和人工智能的不断发展，检测技术将会是多领域、多方法的相互补充、结合使用。使得管道泄漏检测技术必将日趋完善。另外，融合了光纤传感技术与计算机技术的管道泄漏检测方法不易受电磁环境影响，具有检测动态范围广、灵敏度高和可实时在线检测的特点，因此，开发基于分布式光纤传感技术的管道检测和定位系统并将其付诸应用，将会成为今后一段时间内管道测漏技术的发展趋势。

参考文献：

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