管道泄漏检测研究现状

张晓灵，公彦蒙，翁晓霞，白 勇，李清平，姚海元

(1.中海油能源发展管道工程公司，天津 300452； 2.浙江大学，杭州 310058；3.中海油研究总院，北京100027)



管道泄漏检测研究现状

张晓灵1，公彦蒙2，翁晓霞2，白 勇2，李清平3，姚海元3

(1.中海油能源发展管道工程公司，天津 300452； 2.浙江大学，杭州 310058；3.中海油研究总院，北京100027)

管道泄漏检测可为管道运行安全提供重要保证。总结国内外陆地和海底管道的泄漏检测方法。由于现场情况复杂，采用单一方法进行泄漏检测并不能得到满意的结果，尤其是海底管道，因此需要多种方法结合使用。对基于外部和内部检测的各种方法的原理、优缺点、应用情况(陆地/海底，单相/多相等)等做了介绍。对敏感性、稳定性、实时性以及泄漏反应时间等做了对比。为管道泄漏检测的研究提供参考。

管道泄漏检测；敏感性；实时性；陆地；海底

0 引言

管道泄漏是管道运行中的主要故障，会造成经济损失并污染环境。为了最大限度地降低管道泄漏带来的损失，一般要求管道泄漏检测系统具备以下几个特点[1]：(1) 灵敏性。泄漏检测系统能够检测到泄漏，并在此泄漏量下以最短的时间进行泄漏报警。(2) 鲁棒性。当仪表出现故障或者管道的工作状态发生瞬变时，泄漏检测系统是否仍能够进行泄漏检测。(3) 易维护。检漏系统出现故障时，容易进行系统的恢复。本文对国内外一些先进的管道泄漏检测方法进行了广泛的调查和研究，为管道泄漏检测的研究提供参考。

1 检测方法

检测分为管内检测和管外检测[2]。根据不同原理，可分别基于硬件或软件进行检测。

1.1 基于外部的泄漏检测方法

(1) 光纤法

光纤法可通过声波频率来定位和测量机械干扰，这些干扰可能是由震动、地震波、气体或者液体泄漏等引起的。此时可以检测到泄漏，且定位精度大约1 m，通过与数据库对比，从而确定引起干扰的原因。光纤法可通过将光纤测试管道的温度分布传输给特定软件，通过温度分布判断是否发生泄漏并确定泄漏的位置。要求光纤均匀的分布在管道周围。

光纤法适用于气体、液体和多相流管道。其定位和检测精度高，对电磁干扰具有免疫性。但光纤价格较为昂贵，进行泄漏检测时需建立干扰因素数据库。

北京鹏达实创科技发展有限公司研制的管道泄漏检测系统通过单模光纤把管道的温度分布传送给分析软件，通过软件对比其他区域的温度来判断是否产生泄漏,其探测距离最长为80 km，主要用于陆地管道。瑞士Omnisens公司开发了分布式光纤管道测漏传感器，如图1所示。

图1 分布式光纤管道测漏传感器

(2) 电容法

电容法[3]通过电容传感器检测周围物质介电常数的变化来测漏。电容器由同一平面上的两个同心、绝缘的电容板组成，一个是圆盘，另一个是周围环。传感器电容与电容板间介质的介电常数成正比。海水和碳氢化合物的介电常数差异很大。如果传感器与碳氢化合物直接接触，则所测量的电容将改变。在进行泄漏检测时，电容传感器依赖收集器的形状和尺寸。由于聚结问题，相比天然气，不太适合原油检测。

电容传感器技术成熟度很高，自1990年开始就已经面向市场。电容传感器会产生很多误报警，原因是沿程安装了许多传感器。

(3) 生物传感器法

生物传感器法利用生物对周围环境污染的反应进行测漏。合适的生物体被放置在结构中进行检测。生物体用作传感器的一个例子是贻贝，传感器记录心脏的节奏和力度以及跳动频率等。此方法适用于气体和液体，并在浅水区进行过检测，在深水区还未进行过检测。生物传感器方法虽然能够进行泄漏检测，但是无法进行泄漏定位。

(4) 光学相机法

光学相机法是利用一台摄像机监控水下的系统。此技术依赖于相机空间覆盖范围和相机到泄漏的方向。光学相机法的能力是3～30 min记录和发送动态图，每小时记录和发送1～10张静态图。光学相机检漏法对水的浊度以及生物的生长比较敏感，适用于气体和液体管道。一般与水下机器人(Remote Operated Vehicles,ROV)一起安装在海底管道上使用。

(5) 特性阻抗法

由传感器构成的泄漏系统可随时检测到管道微量原油的泄漏情况。特性阻抗检漏法适用于气体、液体和多相流管道。

(6) 声波法

管道泄漏时会产生噪声信号，声波法即基于这些噪声信号进行检测。但是，信号受到环境与管道操作噪声的影响，会使得声波信号失真。声波法适合流量小、压力高的管线。

目前市场有许多声波检测装置用于海底管道泄漏检测。例如GE的新声波泄漏检测系统，Co.L.Mar公司开发的ALD，Neptune公司开发的ALD以及美国休斯顿声学监测系统。

国内靖江市中诺仪器有限公司研制的地下管道泄漏检测仪应用数字信号处理技术来分辨环境噪声、操作噪音和泄漏噪声，从而判断是否产生泄漏，并进行直观定位，其适用范围是油、气、水等介质输送管线的缓慢泄漏，可进行较为精确的检测。检测灵敏度：0.03加仑/分；定位误差：±1 m；漏报警、误报警率≤1%。

1.2 基于内部的泄漏检测方法

(1) 统计检漏法

统计检漏法监测管道泄漏时，若无泄漏发生，则流量和压力之间的关系不会发生变化。如发生泄漏，根据工况利用水力坡降法和负压波对泄漏点进行定位。使用统计检漏法无需复杂的管道模型，计算量比较小，误报警率低，适应环境能力强，但其定位精度不高，对仪表精度有一定要求，在多泄漏情况下检测结果变差。这种检测方法对气、液和多相流管道均可。

(2) 神经网络法

神经网络法[4]与基于管道准确流动模型泄漏检测方法不同。用该方法检测泄漏时，常出现误差大或漏报、误报现象，工业应用较少。

神经网络法对单相流和多相流管道均适用，其缺点是受到训练样本的严重制约，各项参数的选取缺乏足够的理论支持以及存在自学习等问题。

北京东方中石科技有限公司基于模糊神经网络研制了HKH长输管道泄漏监测系统。误报警率≤2次/年；漏报警率：正常运行无漏报；定位精度≤150 m；报警响应时间0.3～3.0 min。

(3) 实时瞬变模型法(RTMM)

RTMM模拟管道内部流体的流量，利用质量和动量守恒以及气体状态方程等对管道内流体的流量建立模型。当计算偏差大于设定阈值时，发出泄漏报警。

RTMM适用于气体、液体和多相流管道，实时性好，精度依赖于模型和硬件的精度。缺点是误报警率较高。

Troika 以及Gemini均使用过RTTM，但是目前此方法还没有被广泛应用。PSI利用实时瞬变模型研发了PSI 管线泄漏检测系统。

(4) 系统辨识法

在管道完好的情况下，建立管道有、无故障灵敏模型，然后根据此灵敏模型，利用自相关分析算法来判别泄漏。系统辨识检漏法适合进行小泄漏检测。

(5) 负压波法

泄漏时，把泄漏点两端的管道看成上、下游两条管。把泄漏前的管道压力作为参照基准，管道泄漏时产生的压力波就称为负压波。负压波以特定速度向管道的端部传播，经过一段时间后分别被位于上、下游的压力传感器接收。

负压波法不需建立数学模型，计算量小，简单实用，较为灵敏，定位精度也高。但对于渗漏、缓慢泄漏或者已经存在的泄漏，该方法检测效果不理想，而且易受工况变化的干扰。

天津大学基于这种方法开发了用于输油管线泄漏的检测与定位系统，检测到的最小泄漏量仅为总数量的1%，报警时定位误差小于被测管道总长度的2%。

(6) 压力梯度法

压力梯度法是在管道上、下游两端各设置2个压力传感器，通过传感器测得的压力信号分别计算出上、下游管道的压力梯度。当管道没有泄漏时，压力梯度曲线呈斜直线；发生泄漏后，压力梯度曲线上的转折点即为泄漏点。压力梯度法适用于等温长输管道或介质随温度变化不大的管道。不等温长输管道需要建立复杂的水力和热力学模型。该方法简单、直观，仪表测量的精度和安装位置都对定位结果有较大的影响。

(7) 小波法

选取适宜的小波基函数和尺度对泄漏信号进行小波分解，再进行阈值量化，重构小波信号后就得到消噪后的泄漏信号。运用该方法可以更为精确的获得压力突降点，提高泄漏点定位的精度。一般与负压波方法相结合。

(8) 质量/体积平衡法

根据动态质量守恒原理，即流体的流入量与流出量的差等于管道内滞留的流体量。管道稳定运行时，管道流入量等于流出量。当发生泄漏时，检测管道中流入量与流出量存在差值，若差值大于一定的范围，则表明所测管道可能已经发生泄漏。该方法适用于有流量、运行状况相对稳定、泄漏量较大的管道。它能够检测已有的泄漏，检测的灵敏度和精度不高，但是可靠性高，与压力波结合使用可以大大减少误报警，但对气体检测比较困难。

德国阿尔卑斯管道公司(TAL)原油管道上安装使用了基于流量设计的检漏系统，配合超声波流量计使用。潍坊凯特工业控制系统工程有限公司利用质量守恒原理以及负压波定位和动态方程定位研制了管道泄漏检测系统。东北大学与胜利油田合作研制的管道泄漏智能诊断与定位系统利用输差和压力波耦合的方法来检测和定位泄漏，在胜利油田输油管道上进行了应用，可测量管道最大长度达50 km，定位误差为管长的2%，可检测最小泄漏量为输量的2%，报警响应时间小于55 s。

(9) 压力点分析法

管道发生泄漏的前后一段时间内，其压力的统计特性是不同的。这样，沿管道布置一系列压力测试点来监测各处压力，然后采用统计方法分析监测到的数据，并与管道正常运行状态时的曲线进行比较，根据两者的差别来判断管道是否发生泄漏。压力点分析法可以检测较小量泄漏，但是无法定位，对泄漏的评估能力较差。

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国内东营五色石测漏专家公司应用压力点分析和输差分析对输油管道进行泄漏检测，可检测到小于总瞬时输量1%的泄漏量，定位误差在±200 m，泄漏检测定位和报警均在泄漏发生后3 min内完成。

(10) 支持向量机法

提取检测到的特征信号，采用基于小波包分解的“能量-模式”法对管道沿线的异常情况进行识别，按照“一对一”的方法解决多分类问题。该方法的缺点是过分依赖特征数据的提取，前期的数据预处理决定了泄漏故障识别率的高低。

(11) OLGA Online

OLGA Online[5-6]是真正的在线动态生产支持系统。OLGA Online是基于OLGA内核的，对各种生产情形都能够处理，如停输和启动、清管、管线充装、减量和增输等。OLGA Online具有3种运行模式：

实时：与油田实际生产同步进行，可提供比控制系统更多的信息。应用实例包括漏失探测、段塞计算和水合物形成分析等。

计划：可以对所有参数进行调整，执行新的操作规程计划。

因OLGA Online是基于OLGA 内核的，所以在意外工况下是值得信赖的，但是价格较为昂贵。该方法界面友好，能够实现无缝集成，具有许多功能模块，能够很容易地与第三方软件相结合。

2007年，OLGA Online在某油田上利用生产井与井口平台、MEG注入、平台间管线与外输管线、段塞捕集器与入口分离器等模型，实现了泄漏检测、冲蚀、腐蚀、水合物等的作业。2007年，OLGA Online在Ormen Lange PMS 项目中实现了泄漏检测与定位(单相与多相)、清管等作业。

1.3 周期性泄漏检测方法

(1) 管内通球法

在管道内部通入检测球，采用漏磁、超声波、涡流、录像等技术手段采集管内信息，然后对采集的信息进行分析处理，来检测泄漏并确定泄漏位置。该方法适用于气体、液体、多相流管道，要求管道没有太多接头和连接。定位较为准确，但检测成本大，实时性差，不适用于较小口径管道，且容易发生卡球事故。

(2) 荧光剂法

通过检测泄漏管道产生的碳氢化合物荧光信号来判断海底管道的泄漏。荧光剂检漏法的灵敏度高，能够检测微小泄漏，但是不能实时检测。

英国CTG开发的PLK水下管线泄漏监测系统采用荧光剂法进行泄漏监测，具有超过25年的成功记录。该系统用在了墨西哥海湾的马孔多油井。由CONTROS公司开发的CONTROSTM永久泄漏监测系统，具有3种传感器，保证了监测的可靠性和低误报警率。此系统可用在水深3 000 m的地方。由BOWTECH公司生产的泄漏检测系统包含了1个LED灯，调谐到能发射绿色光的荧光示踪染料和高分辨率、低光敏感的照相机，该照相机装有1个过滤器，能够检测到荧光染料。Neptune公司研制的荧光泄漏检测系统，能够在混浊的条件下检测到低浓度的泄漏物。

2 结语

本文主要总结了陆地和海底管道泄漏检测的方法，由于所处环境不同，两者的检测方法区别较大。海底管道泄漏检测仍是难点，但国内外已有一些研究成果，其中壳牌研制的ATMOS管道泄漏检测系统可用于海底管道泄漏检测，OLGA Online也可以用于进行海底管道泄漏检测，但ATMOS系统具有针对性。声波检测也是目前利用比较多的海底泄漏检测方法。实际应用时，需要多种方法结合，才能达到理想的泄漏检测效果。

[1] 潘霞.管道泄漏检测综合实验系统开发[D].武汉:武汉理工大学,2006.

[2] SCOTT S L,BARRUFET M A.Worldwide Assessment of Industry Leak Detection Capabilities for Single & Multiphase Pipelines[M].Offshore Technology Research Center,2003.

[3] DNV.Selection and Use of Subsea Leak Detection Systems:DNV-RP-F302[S].2010.

[4] 唐秀家，颜大椿.基于神经网络的管道泄漏检测方法及仪器[J].北京大学学报(自然科学版),1997,33(3):319-327.

[5] SPT Group.油气田生产操作中流动安全保障模拟的核心解决方案[EB/OL].http://www.coc88.com/p-9788196001906.html.2014.

[6] 王珏.海上流动管理在线监测系统现状及发展前景[J].科技视界,2014 (2):21-23.

Pipeline Leak Detection Research Status

ZHANG Xiaoling1，GONG Yanmeng2，WENG Xiaoxia2，BAI Yong2， LI Qingping3，YAO Haiyuan3

(1.CNOOC Energy Technology & Services-Pipe Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China；2.Zhejiang University，Hangzhou 310058,China；3.CNOOC Research Institute,Beijing 100027,China)

Pipeline leak detection is the important safeguard to the operation of pipelines.The domestic and international pipeline leak detection methods,including terrestrial and submarine pipelines are summarized.Due to the complexity of the situation,especially to subsea pipeline,a single method of leak detection does not get satisfactory results.So a variety of methods need to be combined.Detection methods based on external and internal detection are provided,including principles of each method,advantages,disadvantages and applications(land/subsea,single-phase/multiphase),etc.These methods about sensitivity,stability,real-time and leakage of reaction time and so on are compared.It provide reference for research of pipeline leak detection.

pipeline leak detection; sensitivity; real-time; land; subsea

2016-07-12

国家科技重大专项(2016ZX05028-004)

张晓灵(1972-)，男，教授级高工

1001-4500(2017)03-0001-05

U178

A