液體管道泄漏檢測(cè)與定位

1、液體輸送管道泄漏的檢測(cè)與定位鑒于近年來(lái)我國(guó)液體輸送管道泄漏事故時(shí)有發(fā)生，從而造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染狀況，對(duì)液體輸送管道進(jìn)行檢測(cè)和定位的研究與實(shí)踐非常必要?？偨Y(jié)了國(guó)內(nèi)外液體輸送管道泄漏檢測(cè)與定位的主要方法，分析了各種方法的原理及優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際情況，提出了實(shí)際實(shí)施的過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題及相應(yīng)對(duì)策。一、前言隨著我國(guó)西部石油的開(kāi)發(fā)，管道輸送在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的位置更加重要，它具體成本低、節(jié)省能源、安全性高及供給穩(wěn)定等特點(diǎn)。然而，世界上總管網(wǎng)的50已運(yùn)行30年以上，即使管道在敷設(shè)時(shí)達(dá)到了設(shè)計(jì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，但由于管道的老化、地理和氣候環(huán)境的變化以及人為損壞等原因，泄漏事故仍時(shí)有發(fā)生，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和

2、資源浪費(fèi)，而且會(huì)帶來(lái)安全和污染問(wèn)題。因此建立管道的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道泄漏的實(shí)時(shí)檢測(cè)，確定發(fā)生泄漏的位置，為泄漏事故的及時(shí)檢修提供方便，將可以最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)，盡可能地避免環(huán)境污染和安全事故的發(fā)生，具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。二、液體輸送管道泄漏檢測(cè)方法應(yīng)用概況由于管道泄漏檢測(cè)的多樣性和復(fù)雜性，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一種簡(jiǎn)單、快速、精確、可靠、通用的管道泄漏檢測(cè)方法。有關(guān)管道泄漏檢測(cè)的方法大致分成四類，第一類是基于人工巡檢法，由有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員攜帶檢測(cè)儀器設(shè)備經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的動(dòng)物分段對(duì)管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位。這類方法具有定位精度高和較低的誤報(bào)率的特點(diǎn)，但不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，檢測(cè)只能間斷的進(jìn)行；第

3、二類是基于超聲、磁通、攝像等技術(shù)的管內(nèi)檢漏法（如管內(nèi)探測(cè)球PIG）,這類方法具有定位精度高和較低誤報(bào)率的特點(diǎn)，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，由于探測(cè)球在管內(nèi)隨介質(zhì)漂流，容易發(fā)生堵塞、停運(yùn)等事故，并且探測(cè)球比較昂貴，運(yùn)行成本較高；第三類是基于電纜檢漏法，目前使用的電纜主要有油溶性電纜、滲透性電纜、分布式傳感器電纜三種，電纜與管道平行敷設(shè)，當(dāng)泄漏的物質(zhì)滲入電纜后，會(huì)引起電纜特征的變化，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏的檢測(cè)和定位，這類方法非常靈敏，對(duì)于小漏和緩慢泄漏均有較好的效果，但電纜價(jià)格和施工費(fèi)都較高，電纜一旦沾染上泄漏物后就要進(jìn)行更換，它多用于液態(tài)烴類燃料的泄漏檢測(cè)；第四類是基于管道壓力、流量、溫度等運(yùn)行參數(shù)的外部檢

4、漏法，它能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，是目前管道泄漏檢測(cè)和定位的研究主攻方向之一。1、負(fù)壓波檢漏法當(dāng)輸送管道發(fā)生泄漏時(shí)，以泄漏處為界，視輸送管道為上、下游兩個(gè)管道，由于輸送管道內(nèi)外壓差的存在，使得泄漏處的液體迅速流失，壓力突降。當(dāng)以泄漏前的壓力作為參考標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，泄漏時(shí)產(chǎn)生的減壓波就稱為負(fù)壓波。該負(fù)壓波將以一定的速度向管道兩端傳播，經(jīng)過(guò)若干時(shí)間后分別被上、下游的壓力傳感器檢測(cè)到。根據(jù)檢測(cè)到的負(fù)壓力波的波形特征，就可以判斷是否發(fā)生了泄漏，再根據(jù)負(fù)壓力波傳到上、下游傳感器的時(shí)間差和負(fù)壓力波的傳播速度就可以進(jìn)行泄漏點(diǎn)的定位。負(fù)壓波檢漏法不需要數(shù)學(xué)模型，計(jì)算量小，適用于發(fā)生快速的、突發(fā)性泄漏的場(chǎng)合，并且大多數(shù)只用壓力信

5、號(hào)，特別適合我國(guó)管道應(yīng)用。采用負(fù)壓力波進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位主要有相關(guān)分析法、時(shí)間序列法和小波變換法三種。（1）相關(guān)分析法圖1為相關(guān)分析法確定泄漏位置示意圖，對(duì)壓力測(cè)點(diǎn)P1、P2的壓力信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理： 圖1相關(guān)分析法確定泄漏位置示意圖當(dāng)沒(méi)有發(fā)生泄漏時(shí)，相關(guān)函數(shù)將維持一相相對(duì)恒定值；當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，R(r)將發(fā)生變化，當(dāng)變化量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，則認(rèn)為發(fā)生了泄漏。t 1、t2分別為負(fù)壓力波到達(dá)P1、P2點(diǎn)的時(shí)間，當(dāng)r= t1 t2時(shí)，R(r)將達(dá)到最大值，即 （2）時(shí)間序列分析法時(shí)間序列分析法是通過(guò)輸送管道兩端的壓力傳感器檢測(cè)到的壓力信號(hào)構(gòu)成兩個(gè)時(shí)間序列，分別對(duì)應(yīng)于輸送管道正常狀態(tài)和泄漏狀態(tài)，用Kull

6、back信息測(cè)度對(duì)這兩個(gè)時(shí)間序列進(jìn)行分析，根據(jù)預(yù)先確定好的閥值按照一定的策略進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送管道的泄漏監(jiān)測(cè)。但這種方法不能實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏點(diǎn)位置的定位，故不宜單獨(dú)使用，但可與其它方法結(jié)合起來(lái)使用。（3）小波變換小波變換在噪聲消除、微弱信號(hào)的提取和圖像處理等方面，特別是對(duì)突變信號(hào)的處理具有明顯優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用小波變換對(duì)負(fù)壓力波信號(hào)進(jìn)行“細(xì)化和放大”，捕捉負(fù)壓力波信號(hào)的特征點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液體輸送管道泄漏的檢測(cè)和定位。例如，通過(guò)小波變換來(lái)檢測(cè)瞬態(tài)負(fù)壓力波的下降沿進(jìn)行泄漏檢測(cè)，通過(guò)確定負(fù)壓力波到達(dá)上、下游壓力測(cè)點(diǎn)的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行泄漏點(diǎn)的定位。應(yīng)注意的是，除了泄漏，在泵和閥的正常操作時(shí)也有可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓力

7、波，但泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓力波與正常操作產(chǎn)生的負(fù)壓力波特征有較大區(qū)別，并且這兩種負(fù)壓力波方向不同。為確定負(fù)壓波傳播的方向，可分別在距P1 和P2一定距離處再設(shè)兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)P3、P4（見(jiàn)圖1），利用P1和P3、P2和P4 的組合即可檢測(cè)出負(fù)壓力波源的方向，只有檢測(cè)到負(fù)壓力波源來(lái)自P1和P2之間的某點(diǎn)，才認(rèn)為是泵站外的管道發(fā)生了泄漏。2、壓力梯度法在管道上、下游兩端各設(shè)置兩個(gè)壓力傳感器檢測(cè)壓力信號(hào)，通過(guò)上、下游的壓力信號(hào)分別計(jì)算出上、下游管道的壓力梯度。當(dāng)沒(méi)有發(fā)生泄漏時(shí)，沿管道的壓力梯度呈斜直線；當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)前的流量變大，壓力梯度變陡，泄漏點(diǎn)后的流量變小，壓力梯度變平，沿管道的壓力梯度呈折線狀，

8、折點(diǎn)即為泄漏點(diǎn)，由此可計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置，其定位原理見(jiàn)圖2。圖2 壓力梯度管道泄漏定位原理設(shè)管道沿線壓力滿足PXPiGX（PX為管道中距入口X米處的壓力，G為壓力梯度），則泄漏點(diǎn)與管道入口的距離X為：式中Pi入口壓力；Po出口壓力；Go泄漏點(diǎn)下游壓力梯度；Gi泄漏點(diǎn)上游壓力梯度；L管道長(zhǎng)度。在實(shí)際運(yùn)行中，由于管道的壓力梯度是非線性分布，因此壓力梯度法的定位精度較差，并且儀表測(cè)量的精度和安裝位置都對(duì)定位結(jié)果有較大的影響。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出通過(guò)建立反映輸送管道沿?zé)崃ψ兓乃蜔崃C合模型，找到更能反映實(shí)際情況的非線性壓力梯度分布規(guī)律，對(duì)輸送管道的泄漏進(jìn)行定位。對(duì)于流體在粘度、密度、熱容等

9、特性隨著沿程溫度下降有較大變化的管道而言，該方法具有較大的優(yōu)越性，但需要流量信號(hào)，并且需要建立較復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型。3、質(zhì)量或體積平衡法質(zhì)量或體積平衡法基于管道中流體物質(zhì)流動(dòng)的質(zhì)量或體積守恒關(guān)系，即液體的注入量與流出量的差應(yīng)等于管道內(nèi)停滯的流體量。在管道運(yùn)行穩(wěn)定后，流入量與流出量視為相等，于是在檢測(cè)管道多點(diǎn)位（或泵站兩端）的輸入和輸出流量時(shí)，若差值大于一定范圍，即表明所測(cè)管道內(nèi)可能發(fā)生泄漏。管道中的流體物質(zhì)沿管道運(yùn)行時(shí)其溫度、壓力、密度、粘度等可能發(fā)生變化，容易產(chǎn)生誤檢。在實(shí)際應(yīng)用中可由式（6）進(jìn)行修正：QL QiQoQa （6）式中 QL管道泄漏的體積流量；Qi（Q0）測(cè)量段入口（出口）的體積流

10、量；Qa與溫度、體積、壓力、密度、粘度等有關(guān)的管道內(nèi)流體體積改變量。當(dāng)QL超過(guò)設(shè)定的閥值時(shí)，就進(jìn)行預(yù)警和泄漏故障報(bào)警，泄漏點(diǎn)的位置可由式（7）來(lái)確定：式中X上游站至泄漏點(diǎn)的距離；Pi（Po）上游站（下游站）測(cè)量的釋放（吸入）壓力；上游站于下游站之間的流體平均密度；i（o）上游站（下游站）至泄漏點(diǎn)之間的流體平均密度；hi（ho）上游站（下游站）的壓頭；C系數(shù)；fi（fo）上游（下游）的流體平均摩擦系數(shù)；L泵站間管道長(zhǎng)度；Qi（Qo）管道上游（下游）的體積流量；D管道直徑。使用質(zhì)量或體積平衡法進(jìn)行泄漏檢測(cè)時(shí)，流量計(jì)的精度和管道中的流體物質(zhì)存余量的估計(jì)對(duì)泄漏檢測(cè)精度有一定的影響。為了減少流量計(jì)的測(cè)量

11、誤差，可采用擬合流量計(jì)流量誤差曲線的方法，對(duì)計(jì)量精度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線校正，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的精度補(bǔ)償。另外，流量計(jì)之間的距離不宜設(shè)置過(guò)遠(yuǎn)，以確保流量計(jì)之間管道中流體物質(zhì)余量預(yù)測(cè)的精確性。質(zhì)量或體積平衡法對(duì)于檢測(cè)運(yùn)行狀況不斷變化的管道和泄漏量少的情況時(shí)，檢測(cè)誤差會(huì)較大，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，需與其它方法配合使用。4、實(shí)時(shí)模型法根據(jù)瞬變流的水力模型和熱力模型，綜合管內(nèi)流體的溫度、流量、壓力、密度、粘度等參數(shù)的變化，建立輸送管道的實(shí)時(shí)模型，在線估計(jì)管道的上、下游壓力、流量等參數(shù)。實(shí)時(shí)模型與實(shí)際管道同步運(yùn)行，定時(shí)取得管道上的實(shí)際測(cè)量值，如上、下游的壓力、流量等，然后獎(jiǎng)估計(jì)值與實(shí)際測(cè)量值相比較，當(dāng)實(shí)際測(cè)量值與估計(jì)值的

12、偏差大于一定范圍時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生了泄漏。該方法主要有以估計(jì)器為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)模型法、以系統(tǒng)辨識(shí)為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)模型法和基于以擴(kuò)展Kalman濾波器的實(shí)時(shí)模型法三種。（1）以估計(jì)器為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)模型法見(jiàn)圖3。圖3以估計(jì)器為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)模型法估計(jì)值輸入為上游站的壓力（hi）和下游站的壓力（ho），輸出為上游站的流量值Qil和下游站的流量值Q。當(dāng)輸送管道發(fā)生泄漏時(shí)，管道的上游站流量實(shí)際測(cè)量值將因泄漏而奕大，下游站的流量實(shí)際測(cè)量值將因泄漏量變小，將實(shí)際測(cè)量值與估計(jì)值進(jìn)行比較得出偏差信號(hào)，即Qi=QiQil 和Qo=QoQol ，采用適當(dāng)?shù)乃惴ǎㄈ缦嚓P(guān)分析法）對(duì) Qi和 Qo進(jìn)行處理，即可進(jìn)行泄漏的檢測(cè)和定位。該方法

13、適用于泄漏量較小的情況，泄漏量大時(shí)誤差較大，需輔以其它的檢漏方法。（2）輸送管道的實(shí)時(shí)模型可以通過(guò)辨識(shí)的方法獲得，以系統(tǒng)辨識(shí)為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)模型法通過(guò)分別建立故障靈敏模型和無(wú)故障靈敏模型，以滿足泄漏檢測(cè)和定位對(duì)模型的要求，采用與以估計(jì)器為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)模型法相類似的原理進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位。（3）基于擴(kuò)展Kalman濾波器的實(shí)時(shí)模型法將輸送管道分成N段,見(jiàn)圖4。圖4基于擴(kuò)展Kalman濾波器的實(shí)時(shí)模型法假設(shè)在N-1個(gè)分段點(diǎn)上的泄漏量分別為Q1、Q2QN-1，建立包括泄漏在內(nèi)的狀態(tài)空間離散模型，用擴(kuò)展Kalman濾波器對(duì)這些泄漏量進(jìn)行估計(jì)，采用適當(dāng)?shù)乃惴?，便可?duì)輸送管道的泄漏進(jìn)行檢測(cè)和定位。基于擴(kuò)展Kal

14、man濾波器的實(shí)時(shí)模型法泄漏檢測(cè)的精度與管道的分段N有關(guān)?？傊?，實(shí)時(shí)模型法對(duì)管道模型的準(zhǔn)確性要求高，但影響管道模型準(zhǔn)確性的因素較多，計(jì)算量較大。另外，該方法都需要安裝流量計(jì)，對(duì)儀表的精度要求高，因而使用該方法進(jìn)行輸送管道的泄漏檢測(cè)和定位有一定的難度。5、統(tǒng)計(jì)檢漏法統(tǒng)計(jì)檢漏法是殼牌公司提出的一種不用管道模型的檢漏方法，該方法根據(jù)管道出入口的流量和壓力，連續(xù)計(jì)算流量和壓力之間的關(guān)系。當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，流量和壓力之間的關(guān)系就會(huì)發(fā)生變化，應(yīng)用序列概率比試驗(yàn)方法和模型識(shí)別技術(shù)對(duì)實(shí)際測(cè)量的流量值和壓力值進(jìn)行分析，計(jì)算發(fā)生泄漏的概率，從而判斷是否發(fā)生了泄漏。采用最小二乘法對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位，但定位精度受檢測(cè)儀表精

15、度的影響比較大。6、聲波檢漏法當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，管道中的流體通過(guò)泄漏點(diǎn)外泄時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，該噪聲將沿管道向兩端傳播，強(qiáng)度隨距離會(huì)按指數(shù)規(guī)律衰減，在輸送管道上安裝聲音傳感器捕捉噪聲信號(hào)，通過(guò)對(duì)噪聲信號(hào)的分析處理，判斷是否發(fā)生泄漏并確定泄漏點(diǎn)的位置。由于受到噪聲傳播距離的限制，若要對(duì)長(zhǎng)距離的輸送管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)，則需按一定的時(shí)間間隔安裝許多聲音傳感器。但隨著分布式光纖聲學(xué)傳感器的應(yīng)用，一根光纖可代替許多普通聲音傳感器，這將降低檢測(cè)系統(tǒng)的成本，并且提高泄漏檢測(cè)的精度。7、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代神經(jīng)學(xué)基礎(chǔ)上提出的，通過(guò)模擬大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、記憶信息的方式而發(fā)展起來(lái)的自適應(yīng)動(dòng)力系統(tǒng)。近年來(lái)

16、，由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所具有的并行分布、空錯(cuò)性、自組織、自聯(lián)想、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)等許多特點(diǎn)，因此，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在設(shè)備故障預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)和診斷領(lǐng)域的應(yīng)用日趨活躍，它也被用于輸送管道泄漏的檢測(cè)。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸送管道診斷方法，是將管道泄漏特征指標(biāo)構(gòu)造輸入矩陣，通過(guò)對(duì)實(shí)際輸送管道不同的泄漏信號(hào)，不同的正常信號(hào)構(gòu)造有教師指導(dǎo)的學(xué)習(xí)，建立起應(yīng)力波時(shí)域和頻域特征管道狀況的BP網(wǎng)絡(luò)（非線性映射網(wǎng)絡(luò)）。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)對(duì)管道泄漏應(yīng)力波和管道無(wú)泄漏時(shí)的自學(xué)習(xí)、自聯(lián)想建立對(duì)管道的自判斷能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境變化和誤報(bào)、漏報(bào)糾正后，自動(dòng)更新網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并能夠應(yīng)用在管道其它類型故障如堵塞、積沙、積蠟等診斷與監(jiān)測(cè)中。但總的來(lái)看，

17、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢漏法仍處于試驗(yàn)階段，還有許多有待解決的問(wèn)題。三、輸送管道的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)輸送管道的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)一般采取在每一座泵站設(shè)一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，在泵站的進(jìn)出口處分別安裝壓力、流量、溫度等檢測(cè)儀表，采集并處理表征輸送管道運(yùn)行狀況的數(shù)據(jù)（如壓力、流量、溫度等）。將經(jīng)過(guò)處理后的采集數(shù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各地管道運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)異常時(shí)，則啟動(dòng)故障診斷系統(tǒng)，確定故障的原因和位置，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以便維護(hù)人員對(duì)管道進(jìn)行及時(shí)維修。當(dāng)故障嚴(yán)重時(shí)，則由臨近中心的計(jì)算機(jī)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)出指令，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行緊急

18、處理，避免事故的發(fā)生。在輸送管道的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，管道的泄漏檢測(cè)和定位一般采用基于軟件的檢漏法（如負(fù)壓力波法、質(zhì)量或體積平衡法、實(shí)時(shí)模型法等），對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)應(yīng)采用多種算法進(jìn)行并行處理，并根據(jù)實(shí)際效果綜合出各種算法的權(quán)值，綜合確定管道的運(yùn)行狀況。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、虛擬儀器、數(shù)字信號(hào)處理、模式識(shí)別、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，失去了以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為核心、基于軟件檢漏法的管道實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用。它能實(shí)時(shí)掌握管道的運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理故障（包括對(duì)管道泄漏的檢測(cè)和定位），并且能及時(shí)靈活地高度控制生產(chǎn)，優(yōu)化運(yùn)行，從而獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。輸送管道的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)極大地提高了管道的自動(dòng)化水平，正逐步