管道輸送運(yùn)量大、效率高,投資省、見效快、占地少,損耗低,可適應(yīng)各種復(fù)雜地形、地貌和氣候條件等特點(diǎn),已成為油氣運(yùn)輸?shù)?.方式[1]。如果能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏,確定泄漏點(diǎn),就能有效地減輕泄漏事故造成的損失和危害。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏事故,減少油氣損失,維護(hù)管道部門的正常運(yùn)行,同時(shí)打擊猖撅的盜油犯罪,除了從立法上加強(qiáng)保護(hù)外,技術(shù)上也給泄漏檢測提出了更高的要求。因此,管道的維護(hù)管理、泄漏的檢測、保障管道安全運(yùn)行己成為世界上重要的研究課題并日益受到重視。

1 管道泄漏技術(shù)檢測技術(shù)發(fā)展

當(dāng)前,對管道泄漏檢測方法的研究己有幾十年的歷史,但由于其檢測的復(fù)雜性,如管道介質(zhì)的多樣性,管道所處的多樣性,以及泄漏形式的多樣性,還沒有一種簡單可靠、通用的方法可以解決管道泄漏檢測問題。近些年常用的是基于硬件和軟件的方法,基于硬件的方法(hardwaer-basde methods)是指利用由不同的物理原理設(shè)計(jì)的硬件裝置,將其攜帶或鋪設(shè)在管線上,以此來檢測管道的泄漏并定位;基于軟件的方法(software-basde methods)則是根據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(如SCADA系統(tǒng))實(shí)時(shí)采集管道的流量、壓力、溫度及其它數(shù)據(jù),通過軟計(jì)算對泄漏進(jìn)行檢測和定位。

2 基于硬件的檢漏方法(hardwaer-basde methods)

1. 直接觀察法

此種方法是依靠有經(jīng)驗(yàn)的管道工人或經(jīng)過訓(xùn)練的動物巡查管道。通過看、聞、聽或其他方式來判斷是否有泄漏發(fā)生。這類方法不能對管線進(jìn)行連續(xù)檢測,因此發(fā)現(xiàn)泄漏的實(shí)時(shí)性差。

2. 探測球法

基于磁通、超聲、渦流、錄像等技術(shù)的探測球法是20世紀(jì)80年代末期發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù),將探測球沿管線內(nèi)進(jìn)行探測,利用超聲技術(shù)或漏磁技術(shù)采集大量數(shù)據(jù),并將探測所得數(shù)據(jù)存在內(nèi)置的專用數(shù)據(jù)存儲器中進(jìn)行事后分析,以判斷管道是否被腐蝕、穿孔等,即是否有泄漏點(diǎn)。該方法檢測準(zhǔn)確、精度較高,但探測只能間斷進(jìn)行,易發(fā)生堵塞、停運(yùn)等事故,而且造價(jià)較高。

3. 半滲透檢測管法

這種檢漏管埋設(shè)在管道上方,氣體可滲透進(jìn)入真空管,并被吸到監(jiān)控站進(jìn)行成份檢測。美國謝夫隆管道公司在天然氣管道上安裝了這種檢測系統(tǒng)(LAsP)。LAsP以擴(kuò)散原理為基礎(chǔ),主要元件是一根半滲透檢測管,內(nèi)有乙烯基醋酸酯(EvA)薄膜。這種膜的特點(diǎn)是對天然氣和石油具有很高的滲透率,卻不透水。如果檢測管周圍存在油氣,會擴(kuò)散進(jìn)去。檢測管一端連有抽氣泵,持續(xù)地從管內(nèi)抽氣,并進(jìn)入烴類檢測器,如檢測到油氣,則說明有泄漏發(fā)生。但這種方法安裝和維修費(fèi)用較高,另外,土壤中自然產(chǎn)生的氣體(如沼氣)可能會造成假指示,容易引起誤報(bào)警。

4. 聲發(fā)射技術(shù)法

當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí),流體通過裂紋或者腐蝕孔向外噴射形成聲源,然后通過和管道相互作用,聲源向外輻射能量形成聲波,這就是管道泄漏聲發(fā)射現(xiàn)象。通過儀器對這些因泄漏引起的聲發(fā)射信號進(jìn)行采集和分析處理,就可以對泄漏以及其位置進(jìn)行判斷。

3 基于軟件的檢漏方法(software-basde methods)

1. 壓力點(diǎn)分析法(PPA)

該方法可檢測氣體、液體和某些多相流管道泄漏,依靠分析由單一測點(diǎn)測取數(shù)據(jù),極易實(shí)現(xiàn)。管道發(fā)生泄漏后,其壓力降低,破壞了原來的穩(wěn)態(tài),因此管道開始趨向于新的穩(wěn)態(tài)。在此過程中產(chǎn)生了一種沿管道以聲波傳播的擴(kuò)張波,這種擴(kuò)張波會引起管道沿線各點(diǎn)的壓力變化,并將失穩(wěn)的瞬態(tài)向前傳播。PPA在管道沿線設(shè)點(diǎn)檢測壓力,采用統(tǒng)計(jì)的方法分析檢測到的壓力值,一旦壓力平均值降低超過預(yù)定值,系統(tǒng)就會報(bào)警。根據(jù)上下兩站壓力下降沿的時(shí)間差即可計(jì)算出泄漏點(diǎn)位置。但壓力點(diǎn)分析法要求捕捉初漏的瞬間信息,所以不能檢測微滲。壓力點(diǎn)分析法己被證明是一種有效的檢漏方法,己廣泛運(yùn)用于各種距離和口徑的管道泄漏檢測。

2. 壓力梯度法

在穩(wěn)定流動的條件下,壓力分布呈斜直線,當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí),漏點(diǎn)前的流量變大,壓力分布直線斜率變大,漏點(diǎn)后,流量變小,相應(yīng)斜率也變小,壓力分布由直線變成折線狀,折點(diǎn)即為泄漏點(diǎn)。根據(jù)上、下游管段的壓力梯度,可以計(jì)算出泄漏位置。壓力梯度法需要在管道上安裝多個(gè)壓力檢測點(diǎn),而且儀表精度及間距都對定位結(jié)果有較大的影響。當(dāng)然,在管線上測量點(diǎn)越多,性能越好。

3. 小波變換法

檢測信號的小波變換系數(shù)極值的奇異性準(zhǔn)確地反映了管道檢測信號的泄漏特征,并且從局部描述了管道泄漏信號的瞬態(tài)正則性。小波變換法的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行在線實(shí)時(shí)泄漏檢測,克服噪聲能力強(qiáng),不需要管線的數(shù)學(xué)模型,對輸入信號的要求較低,計(jì)算量也不大,是一種很有前途的泄漏檢測方法。但此方法對出工況變化及泄漏引起的壓力突降難以識別,易產(chǎn)生誤報(bào)警。

4 結(jié)語

管道泄漏檢測是一門跨領(lǐng)域、多學(xué)科綜合的技術(shù),涉及到熱力學(xué)、傳感技術(shù)、微弱信號檢測、管道流體力學(xué)、信號處理等多個(gè)學(xué)科。本文以天然氣運(yùn)輸管道為背景,對管道泄漏實(shí)時(shí)檢測及定位關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了理論分析和研究,由于天然氣長輸管道的模型受到流體特性、地勢狀況及管道自身的特性等諸多復(fù)雜因素的制約,難于建立其精確的數(shù)學(xué)模型。目前,控制理論、信號處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)、模式識別、人工智能等學(xué)科的發(fā)展,基于軟件的管道泄漏檢測方法為各種現(xiàn)代測量技術(shù)的應(yīng)用提供了平臺,將有著良好的發(fā)展前景。