【综述】埋地管道泄漏监测检测技术

埋地管道泄漏监测检测技术沈功田，李光海。

景为科左延田（中国特种设备检测研究中心，北京１０００１３）（中国石油大学，北京１０２２４９）摘要：综述了埋地管道泄漏监测与泄漏检测的各种无损检测技术，并讨论了各种方法的原理、适用范围、优点和缺点等。

介绍的埋地管道泄漏监测技术包括流量平衡法、负压波法、声波法、实时瞬态模型（ＲＴＭ）法、监控与数据采集（ＳＣＡＤＡ）法、激光光导纤维法和电缆传感法等，泄漏检测技术包括声波法、红外热成像法、激光扫描法和可燃气体敏感法等。

关键词：埋地管道；泄漏监测；泄漏检测；综述；声波中图分类号：ＴＧｌｌ５．２８文献标识码：Ａ文章编号：１０００—６６５６（２００６）０５—０２６卜０４ＬｅａｋａｇｅＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄＴｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒＢｕｒｉｅｄＰｉｐｅｌｉｎｅｓＳＨＥＮＧｏｎｇ－ｔｉａｎ。

ＬＩＧｕａｎｇ－ｈａｉ，ＪＩＮＧＷｅｉ－ｋｅ（ＣｈｉｎａＳｐｅｃｉａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１３，Ｃｈｉｎａ）ＺＵｏＹａｎ－ｔｉａｎ（ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２２４９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｕｓｅｄｂｙｌｅａｋａｇｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｔｅｓｔｉｎｇｏｆｂｕｒｉｅｄｐｉｐｅｌｉｎｅｗａｓｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｓｃｏｐｅ，ａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｌｅａｋａｇｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｏｆｂｕｒｉｅｄｐｉｐｅｌｉｎｅｉｎｃｌｕｄｅｄｉｎｆｌｕｘｅｑｕｉｔｙ，ｎｅｇａｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｗａｖｅ，ｓｏｕｎｄｗａｖｅ，ｒｅａｌ—ｔｉｍｅｍｏｄｅｌ（ＲＴＭ），ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ（ＳＣＡＤＡ），ｌａｓｅｒｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｒｅａｎｄｃａｂｌｅｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｅｌｅａｋａｇｅｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｏｆｂｕｒｉｅｄｐｉｐｅｌｉｎｅｉｎｃｌｕｄｅｄｉｎｓｏｕｎｄｗａｖｅ－ｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｉｎｇ－ｌａｓｅｒｓｃａｎｎｉｎｇａｎｄｆｌａｍｍａｂｌｅｇａｓｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＢｕｒｉｅｄＰｉｐｅｌｉｎｅ；Ｌｅａｋａｇｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；Ｉ。

ｅａｋａｇｅｔｅｓｔｉｎｇ；Ｒｅｖｉｅｗ；Ｓｏｕｎｄｗａｖｅ对埋地管道泄漏的探测分为监测和检测两种。

埋地管道泄漏监测主要是对管道从不漏到突然发生泄漏的过程的监测，一般是采用固定的装置对管道进行实时监测，一旦发生泄漏立即报警，使有关人员能够进行及时处理。

其相应监测传感器和仪器设备一般在管道建设中已经安装好，其缺点是对已经产生的稳定的泄漏源无法检测到。

根据传感器安装的具体部位，监测技术又分为内部和外部监测两种。

对管道泄漏的检测是从地上或外部定期进行，采用仪器从管道的外表面来发现泄漏点，以采取堵漏措施。

检测仪器设备一般采用移动式，其优点是无需事先安装固定的传感器和检测设备，对埋地管道不会产生任何破坏或影响其正常生产，对已经稳收稿日期：２００６—０４—０４定的和新发生的泄漏都可以进行识别。

１埋地管道泄漏内监测技术‘１￣４］１．１流量平衡法流量平衡法监测管道泄漏的原理为通过测量一段管道入口端与出口端的流量差来进行。

在单位时间里，人口端的流量可能与出口端的流量不等。

没有泄漏发生时流量差满足下面公式Ｑｉ。

一Ｑｏ。

ｌ≤ｄＱ。

＋警Ｕ‘式中Ｑ．。

——入口端流量Ｑ。

——出口端流量ｄＱ。

——流量测量的误差范围ｄＶ。

／ｄｆ——流量变化率如果有泄漏发生，则以上关系式将不成立，即２００６年第２８卷第５期２６１ｌＱ。

一Ｑ。

Ｉ＞ｄＱ。

＋兰＃。

Ｕ￡流量平衡法又分为管道平衡法、补偿流量平衡法和质量平衡法。

管道平衡法对于管内压力、温度和传输介质组成成分变化引起流量的变化不进行补偿；补偿流量平衡法则进行补偿。

目前使用的多数属于有补偿的流量平衡法检漏系统。

质量平衡法通过流量和比重计的数据可以方便实现。

与其它检漏方法比较，流量平衡法的优点是可以发现微小泄漏。

其缺点是对泄漏发生的反应慢和需要在每段管道的两端安装流量表，并且仅靠流量数据不能进行泄漏点定位。

不过多数基于软件功能的流量平衡法检漏系统通过对压力数据进行分析可实现漏点定位。

目前美国ＣｏｎｔｒｏｌｏｔｒｏｎＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ公司推出的１０１０Ｉ，Ｄ检漏系统应用质量平衡法进行泄漏报警和漏点定位。

适用管道长度为１６１ｋｍ（１００ｍｉｌｅ），漏点定位精度为１０ｍ。

１．２负压波法¨ｏ对于突发性泄漏事故，负压波检测方法得到了广泛应用。

当管道发生泄漏时，由于管道内外的压差，泄漏点的流体迅速流失，压力下降。

泄漏点两边的液体由于压差而向泄漏点补充。

这一过程依次向上下游传递，相当于泄漏点处产生了以一定速度传播的负压力波。

根据泄漏产生的负压波传播到上下游的时间差和管内压力波的传播速度以计算出泄漏点的位置。

定位的原理见图１，Ｌ为管道长度，ｚ为泄漏点，ｔ。

和ｔ：为负压波传播到上下游站的时间。

三蹦１负压坡泄漏定位原理泄漏点的计算公式为ｚ一半（３）Ｚ２———＿＝—一ＬＪ，式中ｚ——泄漏点距上游站测压点的距离Ｌ——上、下游站间距口——负压波的传播速度△ｆ——上游站与下游站压力突变的时间差可以看出，泄漏点的计算公式很简单。

式（３）中，管道两站间的准确长度Ｌ可以从管道的设计图２６２２００６年第鸽卷第５期中得到。

因此，精确确定负压波的传播速度ａ和负压波传播到上下游的时间差扯是两项关键技术。

负压波法是通过对管道压力变化的分析来进行泄漏判断的方法。

该方法很大程度上取决于传感器的频响和灵敏度，因为在管道上的控制操作（如阀门的开启和关闭）也会产生高幅的压力波，泄漏产生的压力波会湮没在其中，因此信号处理和识别是该方法的一个重点，目前使用的有相关分析法、小波分析法和神经网络法等。

不同的压力波分析法主要区别是探测和识别负压波的方法。

有些识别负压波波形的上升沿，有些是对全波形进行识别。

该方法的优点是适用于液体介质的长输管道，泄漏率大的泄漏定位精度和灵敏度高。

缺点是不适于微小泄漏和渗漏。

１９９６年１０月，在胜利油田孤岛采油厂研制成功我国第一套原油集输管道泄漏检测系统。

１９９８年１月，在中（原）洛（阳）线濮阳一滑县段研制成功我国第一套实用化的原油长输管道泄漏检测与定位系统，并取得显著的经济效益。

目前，已在我国的３０００多公里的长输管道上安装了国产原油管道泄漏检测与定位系统，取得了显著的经济效益和社会效益。

１．３声波法声波法是２０世纪８０年代初从美国开始发展起来，目前在已在美国、澳大利亚和我国台湾地区得到应用。

其检测原理是当输送管管壁破裂时，管内的流体瞬间自洞孔喷出，管内外压力差将会产生特定频率的声波信号，信号会沿上、下游的管线传送，利用信号到达管线上传感器的时间差，可计算出泄漏位置。

美国德克萨斯州的ＡｃｏｕｓｔｉｃＳｙｓｔｅｍＩＮＣ（ＡＳＩ）公司已采用该技术２０多年，开发的ＷａｖｅＡｌｅｒｔⅦ声波管道泄漏检测系统在上述国家和地区的２２个压力管道工程上得到应用，该方法具有如下特点：（１）能短时间探测出泄漏位置，探测气体介质管道３ｋｍ约用１５Ｓ，１５ｋｍ约５０Ｓ，探测油管３ｋｍ约１０Ｓ，１５ｋｍ约２０Ｓ，两探头间距最远达９０ｋｍ。

（２）泄漏源定位精度为±３０ｍ。

（３）具有高灵敏度分辨率，在流体静止、马达泵浦启动、阀门开关时，皆可正常操作和监视。

（４）泄漏＜ｌ％正常流量时也可检测。

（５）智能型数据采集器，可以自动过滤周围环境噪音，使误报率降＜４次／ａ（年）。

１．４实时瞬态模型（ＲＴＭ）法ＲＴＭ法是基于流体参数（流量、压力和温度），并考虑了管道参数（长度、直径和厚度）和传输介质的参数（密度和粘度）进行建模。

该方法利用动量守恒、能量守恒和大量的流体方程建立管道流体力学和水力学工作模型，对管道工作状态进行仿真，通过将测量的数据和预制的管道工作模型比较即可确定漏点的位置和尺寸。

实时瞬态模型法是目前埋地压力管道最灵敏、最复杂、成本最高的检漏方法。

泄漏监测和定位只是该方法的部分功能。

泄漏检测和定位分三步，首先根据管道入口端的压力传感器数据计算管道各处压力；然后根据管道出口端的压力传感器数据计算管道各处压力；再将计算出的两条管道压力曲线进行比较，其交点即为漏点位置。

系统安装的传感器越多，准确性就越高。

经过精心调整的模型能够区分系统故障、干扰或泄漏。

１．５监控与数据采集（ＳＣＡＤＡ）法ＳＣＡＤＡ系统是基于计算机的通讯系统，有管道运行参数的监视、处理、传输和显示的综合功能。

系统可直接用于泄漏检测，需要沿管道布置分站装置，包括远距离终端设备ＲＴＵｓ（ＲｏｍｏｔｅＴｅｒｍｉｎａｌＵｎｉｔｓ）、可编程逻辑控制器ＰＬＣｓ（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ）和其它电子测量设备。

工作时从各分站实时收集管道运行数据，数据可通过微波、卫星或电缆传输。

来自各分站的数据汇总到主终端设备ＭＴＵ（ＭａｓｔｅｒＴｅｒｍｉｎａｌＵｎｉｔ），ＭＴＵ由一个或多个计算机组成，完成数据的存储、处理和显示，监控员可根据ＭＴＵ提供的数据进行必要的操作。

在不间断的数据循环收集中ＭＴＵ依次和各分站ＲＴＵｓ联络，进行数据传输。

因为泄漏判断的原始数据来自各分站，因此ＭＴＵ和ＲＴＵｓ间的数据传输率会影响到泄漏检测的灵敏度。

ＳＣＡＤＡ系统会在数据处理前对收集的数据进行有效性检查，事实上该种检查保证了系统的灵敏度和准确性。

此外，ＳＣＡＤＡ系统可能对预设工况自动做出响应，如在一定条件下开启或关闭阀门。

其综合功能被工程界认为是目前最有前景的管道监测控制方法。

该方法是近几年随计算机技术、现代控制理论和信息技术的发展而发展起来的具有广阔前景的新方法。

其优点是泄漏报警准确，漏点定位精度高，并具有决策控制功能，缺点是要求管道模型准确，运算量大，成本高，需要大量的高精度的测量仪表、人员培训和系统维护。

另外，为保证管道模型的准确，要针对每条管道的实际工况，进行大量的模拟仿真工作，其工程造价根据实际工况复杂程度不同，差异较大，但总体来说造价较高。

目前ＣｒｉｔｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌＳｏ—ｌｕｔｉｏｎｓＩｎｃ．公司推出的ＬｅａｋＷａｒｎＣｌａｓｓｉｃ系统，在静态或瞬态状况下具有良好的检漏能力。

１．６流量平衡法流量平衡法是根据管道入口和出口流量的差值来判断管道是否发生了泄漏。

该方法简单而且容易实现，但检测精度受到流量检测精度的限制，反应时间较长，不能对泄漏点进行定位。