管道泄漏检测与定位技术研究概述

赵亚丽 刘欣 路泽永

摘要：管道运输是油气的主要运送方式之一，与空运、海运、铁路和公路并驾齐驱，在经济迅速增长和社会健康发展的过程中起着十分重要的作用。管道一旦泄漏会带来重大安全隐患和污染问题，因此及时发现管道泄漏并准确定位具有重大的安全意义。现分析对比了常用管道泄漏检测和定位方法的原理及优缺点，展望了管道泄漏和定位技术的研究方向。

关键词：管道;光纤;泄漏;定位

中图分类号：TE832  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）01-0086-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.024

0    引言

随着石油天然气行业的发展，管道运输因其高效、经济等优点，被广泛应用于油气产品的运输。但是，输送管道多埋于地底，经常受到自然腐蚀、地质灾害等影响而发生泄漏，不仅会造成巨大的经济损失，还存在安全和污染隐患等问题。因此，加强对运输管道的监测，缩短管道泄漏的检测响应时间，提高泄漏点定位精度[1-3]，对减小经济损失，保障人们的生命财产安全具有重要意义。目前管道泄漏检测定位方法有很多，常见的测量方法大致可分为基于硬件的检测定位法和基于软件的检测定位法。

1    基于硬件的管道泄漏检测方法

以硬件为基础的管道泄漏检测方法一般指对泄漏原料直接进行检测的方法，主要有声发射法、光纤检测法、探地雷达法、红外线法等。

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[4]，通过计算到达安装在泄漏点前后两侧的两个处理器的時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[5]。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[6]，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[7]。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[8]。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1.0 mm的泄漏孔难以进行量化。

2    基于软件的管道泄漏检测方法

基于软件的管道泄漏检测方法是将采集到的管道内压力、流量、速度等参数用现代控制理论、信号处理技术和计算机技术进行处理，以实现管道泄漏的检测和定位。主要包括以下几种：

2.1    质量体积平衡法

质量体积平衡法的测漏原理是在管道的上下游分别安装流量计，在理想状态下，管道内流体的输入、输出总量应该是相等的或保持一个固定的差值，一旦发生泄漏，则上下游之间的流量差会明显增大，当该差值达到报警阈值时，就可以判断出发生了泄漏，再根据泄漏点定位公式，即可判断出泄漏点的位置。这种方法不需要复杂的模型，设备简单，安装方便，成本较低;但是测量精度受仪表限制，且检测周期较长，定位精度有待提高。

2.2    负压波测漏法

负压波测漏原理是当管道某处发生泄漏时，该点局部流体流失，压强突然减小，形成一个以泄漏点为中心的压力波，即负压波。负压波以特定速度向管道首尾两端传输，并最终由压力传感器采集，计算压力传感器采集到的负压波速度及其传播时间差就可以定位管道泄漏点的位置。负压波测漏法结构简单，成本相对较低，也有较高的定位精度和较快的响应速度;但易受环境影响，不适用于管道渗漏情况。

2.3    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[9]。

2.4    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[10]。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。

2.5    基于神经网络的管道泄漏检测方法

油气输送管道非线性特征明显，难以用精确的数学模型进行描述，而神经网络可以实现输入、输出的非线性映射，具有模拟连续非线性函数的能力和自适应学习能力，非常适合建立非线性和不确定性系统模型。基于人工神经网络的管道泄漏检测方法可以较为及时地检测出管道泄漏事故的发生，并且抗干扰能力较强。但在工业环境中，情况复杂，难以得到覆盖全面的数据，无法满足神经网络建模所需要的训练程度，所以基于神经网络的管道泄漏检测方法在实际中的应用还有很长一段路要走。

2.6    动态模型法

动态模型法是将管道内流体的质量、动量平衡等动力学方程构建成仿真模型，并与实际管道同步运行，同时利用仪表测量出管道的瞬时流量、压力、温度等参数值，将所测数值作为动态模型的边界条件，再用特征线法对管道模型沿时间层逐层求解，得到管道沿线的压力分布曲线，将理想状态下的管道压力分布曲线和管道实际运行曲线进行对比，若发生泄漏，则两条曲线会产生明显偏差，再通过求解定位公式即可对泄漏点进行定位。这种方法误报率相对较高，且模型描述的精确程度易受到管道内外复杂环境的影响。

3    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，都需要满足美国石油学会制定的灵敏度、准确度、可靠性和适应性等标准。

4    结论与展望

本文分析了常用的管道泄漏检测方法，认为较理想的测漏方法一般应达到以下几点要求：（1）能够对管道泄漏做到预警;（2）智能化，成本低，精度高;（3）响应速度快，定位准确;（4）能够实现在线实时检测。

管道泄漏的智能检测和定位是管道运输未来发展的重点内容，现有技术大多易受环境干扰而出现误报，且定位精度不高。随着各学科的融合和科学技术的日新月异，以软件为主、软硬件融合的智能化综合管道泄漏检测和定位技术必将日趋完善。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]

[1] 高刚刚.输油管道泄漏检测定位研究[D].西安：西安石油大學，2015.

[2] 贺扬，娄申浩，王栋.石油天然气长输管道的泄漏原因及检测方法分析[J].中国石油和化工标准与质量，2019，39（20）：34-35.

[3] 赵亚丽.光纤光栅传感系统解调方法概述[J].承德石油高等专科学校学报，2018，20（1）：48-53.

[4] 刘涛，王宝光，高华，等.基于声发射技术的管路泄漏检测系统研究[J].新技术新工艺，2007（8）：34-36.

[5] 杨洋，封皓，王宗和，等.光纤传感技术在管道检测中的应用与发展[J].光电技术应用，2016，31（6）：1-9.

[6] 沙洲，杨洋，封皓，等.基于Φ-OTDR技术的城市地下供水管网主干线泄漏检测与定位[J].中国仪器仪表，2016（11）：72-76.

[7] 黄乐艺.城市地下供水管线渗漏探地雷达正演模拟与解释方法应用研究[D].北京：北京交通大学，2016.

[8] 夏传强.基于VMD和互谱分析的供水管道泄漏检测定位研究与应用[D].重庆：重庆邮电大学，2020.

[9] 李俊花，刘文白，崔莉，等.一种新的长输管道泄漏点定位方法[J].力学学报，2010，42（1）：127-131.

[10] 杨浩珑，李龙.基于小波变换理论的石油管道油气泄漏信号检测[J].中国石油和化工标准与质量，2017，37（6）：19-20.

收稿日期：2021-10-14

作者简介：赵亚丽（1982—），女，河北保定人，硕士，副教授，研究方向：光纤传感技术与电气控制技术。