长输油气管道泄漏检测技术综述精.docx

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长输油气管道泄漏检测技术综述精

长输油气管道泄漏检测技术综述

陈春刚王毅杨振坤

（西安交通大学

摘要随着石油、天然气工业的不断发展,管道输送在国民经济中地位越来越重要。

长输管道在运行中的泄漏既造成资源的损失,也污染了环境,是一个急需解决的问题。

本文介绍了长输管道泄漏检测技术的现状,指出以软件为基础的实时瞬变模型法和统计决策方法以及光纤传感器泄漏检测方法有着良好的发展前景。

主题词长输管道泄漏检测

管道技术在石油、天然气等输送中有着独特的优势。

随着西部油田的开发和西气东输工程的进行,管道运输将会在我国国民经济中占据越来越重要的地位。

由于管道服役时间不断增长而逐渐老化,或受到各种介质的腐蚀以及其它破坏因素,会引起管道泄漏。

例如泵站的开关所带来的应力、压力控制阀的误操作、处于腐蚀环境下管道的老化、埋管土壤潮湿及温度变化、通过公路时受压过大、人为的破坏等等都是常见的原因

[1]

。

石油、天然气管道的泄漏不仅导致了资源的损失,

同时极大地污染了环境,甚至发生火灾爆炸,严重威胁人民生命财产的安全。

因此,对石油管道泄漏检测技术的研究,是一个有实际意义的工作。

根据工作原理的不同,长输管道泄漏检测主要方法如图1

所示。

1声波、负压波、应力波检测

1.1声波检测法

当管道发生泄漏时,在泄漏点处会产生噪音。

通

过设置好的传感器可以接受到这种声波,从而探测泄漏,并进行定位。

传统的声波检测是利用离散型传感器,即沿管道按一定间隔布置大量传感器,这种方法成本很高。

近年来随着光纤传感技术的发展,已开发出连续型光纤传感器进行泄漏噪声检测。

据有关报道,单根光纤的检测距离就可以达到60km,这样一根光纤就可以替代大量的传统传感器,降低了成本;而且连续型传感器与传统传感器相比也提高了检测能力。

1.2负压波检测法

在管道发生突然泄漏时,由于泄漏部位会产生一个向上游或下游传播的减压波,称之为负压波。

如果在管道两端设置压力传感器检测到负压波,就可以判断泄漏并对泄漏进行定位。

应用负压波检测法的关键是区分正常操作与泄漏带来的负压波。

一种解决方法是在管道的两端各安放两个传感器,通过硬件电路延时的方法,将来自操作站方向的负压波信号滤除。

国内有人提出了用结构模式识别的办法,根据发生泄漏与正常操作产生的负压波形状不同来确认泄漏[2]

。

负

压波检测法可以迅速检测出大的泄漏,但是对于比较

小的泄漏或已经发生的泄漏效果不佳。

1.3应力波检测法

管道中流体泄漏时会引起实测管道应力波信号功率谱的变化,可以通过分析这种变化来检测泄漏。

由于影响管道应力波传播的因素很多,在实际中很难用解析的方法准确描述出管道振动。

有人提出使用神经网络学习管道正常信号与泄漏信号进而对管道的泄漏

进行判断[3]。

神经网络还具有在线学习能力,能不断地改变自身网络的权值,更好地监控管道运行情况。

2管内智能爬机

52石油与天然气化工2002

爬机在管道工业中广泛使用,如果配置各种传感器,就能组成智能爬机检测系统。

目前利用爬机可以检测管内的压力、流量、温度以及管壁的完好程度。

爬机可以分为两类:

超声波检测器和漏磁通检测器。

应用较多的是漏磁通检测器,即将爬机放入管内,它就会在流体的推动下运动到下游,同时收集有关管内流动和管壁完好程度的信息。

对记录在爬机内的数据进行处理后,可以得到很多信息,同时也可以判断管道是否泄漏。

国外此项技术已经比较成熟,并用于各种管道当中。

它的作用不仅在于泄漏检测,而且是综合型的管道检测系统。

但是爬机只适用于那些没有太多的弯头和联接处的管道,它的操作需要有丰富的经验。

此外,爬机系统价格非常昂贵,也不适于我国的高粘原油。

3地面间接检测方法

3.1热红外成像

为了降低原油的粘性,通常是在输运之前对原油进行加热。

当管道发生泄漏时,周围的土壤便浸泡在泄漏的原油中,这时土壤的温度会上升。

这种温度的变化可以通过红外辐射的不同来感知。

检测时,将管道周围土壤正常温度分布图记录在计算机中,用直升机在空中实时采集管道周围土壤温度场情况,通过对两者的比较来检测泄漏。

热红外成像的缺点是对管道的埋设深度有一定的限制,具有关资料[1]介绍,当直升机的飞行高度为300m时,管道的埋设深度应当在6m之内。

3.2探地雷达

探地雷达（GPR将脉冲发射到地下介质中,通过接收反射信号探测地下目标。

由于电磁波在介质中的传播与通过介质的电性质及几何形态有关,故通过时域波形的处理和分析可探知地下物体。

当管道内的原油发生泄漏时,管道周围介质的电性质会发生变化,从而反射信号的时域波形也会发生变化,根据波形的变化就可以检测到管道是否发生了泄漏。

应用探地雷达探测时,物体必须有一定的体积,因此这种方法不适用于较细的管道。

而且用探地雷达探测泄漏时,与管道周围的地质特性有关,地质特性的突变对图象有很大的影响,这也是应用中的一个难点。

3.3气体成像

在输气管道泄漏检测中,气体成像技术也是一个比较有效的方法。

以前气体成像的原理主要是根据背景吸收气体成像和红外辐射吸收技术。

设备比较笨重,需要大型的激光器。

近年来,开发了一种称之为纹影的技术,即采用空气中光学折射成像原理检漏。

其设备轻巧、使用方便,还能提供有关泄漏量的指示。

4嗅觉传感器

嗅觉传感器技术是新颖的技术。

随着传感器技术的发展,人们已经制造出对某种化学物质特别敏感的传感器,再借助于计算机和现代信号处理技术可以大大地提高检测的灵敏度和精确度。

将嗅觉传感器应用于管道检测还是一项不大成熟的技术。

可以将嗅觉传感器沿管道按一定的距离布置,组成传感器网络对管道进行实时监控。

当发生泄漏时,对泄漏物质非常敏感的嗅觉传感器就会发出报警。

5光纤传感器

光纤传感器是近年来发展的一个热点,它在实现物理量测量的同时可以实现信号的传输,在解决信号衰减和抗干扰方面有着独特的优越性。

用光纤传感器检测管道泄漏的方法是根据管道中输送的热物质泄漏会引起周围环境温度的变化,利用分布式光纤温度传感器连续测量沿管道的温度分布,当沿管道的温度变化超过一定的范围,就可以判断发生了泄漏。

此外,随着各种分布式光纤传感器的发展,未来可以实现利用一根或几根光纤对油气管线内介质的温度、压力、流量、管壁应力进行分布式在线测量,这在管道监控系统中将极具应用潜力[4]。

6实时瞬变模型及统计决策方法

随着管道SCADA（supervisorycontrolanddataacqu-isition系统的发展,一些以软件为基础的检测方法,特别是管道实时瞬变模型法或统计决策方法,表现出了良好的发展前景。

6.1瞬变模型法

瞬变模型法是建立管内流体流动的数学模型,在一定边界条件下求解管内流场,然后将计算值与管端的实测值相比较。

当实测值与计算值的偏差大于一定范围时,即认为发生了泄漏。

在泄漏定位中使用稳态模型,根据管道内的压力梯度变化可以确定泄漏点的位置。

瞬变模型法的报警门限值与测量仪器误差、流动模型误差、数值方法误差以及要求的报警时间有关[5]。

如果采用较小门限值来检测更小的泄漏,那么由于以上原因导致的不确定性就会产生更多的误报警;如果要求低的误报警率,那么所能检测到的最小的泄漏必然变大。

误报警率高是瞬变模型法在实际应用

53

第31卷第1期长输油气管道泄漏检测技术综述

中的一个难以解决的问题。

6.2统计决策法

统计决策方法是壳牌公司开发出的一种新型的管道检漏方法[6]

。

它使用序贯概率比检测（SPRT的方

法对实测的压力、流量值进行分析,连续计算发生泄漏的概率,并利用最小二乘法进行泄漏点定位。

该方法使用统计决策论的观点较好地解决了瞬变模型中误报警的问题,而且不用计算复杂的管道模型,降低了计算上的复杂性。

统计泄漏检测系统还具有在线学习能力,可以适应管道参数的变化。

同时,该系统还能检测仪表故障,进一步提高了可靠性。

统计决策法在实际使用中取得了良好的效果

[6~7]

。

7结论

综上所述,各种管道泄漏检测技术都有其优势与缺陷,单纯的应用一种方法对泄漏进行监测很难达到令人满意的程度。

成功的管道泄漏检测系统应综合运用多种检漏方法。

对于石油、天然气这类经济价值较高,泄漏时危险性也较大的物质,基于SCADA系统的连续的泄漏监测系统是必不可少的。

通过表1对瞬变模型法与统计决策法的比较,可以看出统计方法有更好的使用效果。

表1瞬变模型法与统计决策法的对比泄漏检测范围

定位精度响应时间误报警率费用维护性

要求瞬变模型法较好较好较快高高高统计决策法

较好

较好

中等

较低

较低

较低

但是连续监测方法往往对微小泄漏量不敏感。

通过对管道的风险评价,可以得到管道事故的高发期,如图2所示。

在管道事故的高发期,还必须辅以对微小泄漏十分有效的方法

[8]

。

此外,光纤传感技术是目前发展的一个方向,它有着传统传感器所无法比拟的优势。

因此,将分布式的光纤传感器应用于管道检测有着良好的前景。

参考文献

1AbdulHameedVN.Malhotra.Detectionofleaksfromprocesspipes.Pipes&PipelinesInternational,1999,44（5:

23~33

2靳世久,王立宁,李健.瞬态负压波结构模式识别法原油管道泄漏检

测技术.电子测量与仪器学报,1998,12（1:

59~64

3唐家秀,颜大椿.基于神经网络的管道泄漏检测方法与仪器.北京大

学学报（自然科学版,1997,33（3:

319~327

4胡志新,张陵等.分布式光纤布拉格光栅在油气管道检测中的应

用.应用光学,2000,21（4:

35~37

5WAI-Rafei,BarnesRJ.Underlyingtheperformanceofreal-timesoftware

-basedpipelineleak-detectionsystems.Pipes&PipelinesInternational,1999,44（6:

44~51

6ZhangXJ.Statisticalleakdetectioningasandliquidpipelines.Pipes&

PipelinesInternational,1993,38（4:

26~29

7JunZhang,LingXu.RealTimePipelineLeakDetectiononShellsNorth

WesternEthylenepipeline.TechnicalPaperfromRELInstrumentationLimit-ed,1999

8常景龙,李铁.输气管道泄漏检测技术的选择与优化.油气储运,

2000,19（5:

9~13,17

作者简介

陈春刚:

生于1978年,男,西安交通大学,硕士生,专业方向为过

程检测与控制技术。

王毅:

生于1949年,男,西安交通大学,教授,主要从事过程检

测技术及过程装备CAD研究。

收稿日期:

2001-12-05收修改稿:

2002-01-10

编辑:

冯学军

本刊声明

本刊为自办发行,只委托天津联合征订服务部代为征订,并未参与任何网络的代订服务。

故在其它网络征订本刊实为无效。

请爱好本刊的广大订户,在征订时注意。

特此声明。

石油与天然气化工编辑部

54石油与天然气化工2002

tems.

SUBJECTHEADINGS:

oilfieldchemistry,additive,work-liquid,surfactant,relationship

ANALYSISANDSOLUTIONMETHODSOFCORRO-SIONINOIL-PRODUCINGSYSTEMSOFZHONGYUANOILFIELD

ZhangAishe,JiYunling（Oil-ProductionEngineeringDepartment,ZPEB,SINOPEC,LinAifang,ZhangYun-qiang,ShiWei,LiuYuanqing,GaoYanan,MaKaixia（Oil-ProductionEngineeringTechnologyInstitute,ZPEB,SINOPECCHEMICALENGINEERINGOFOILANDGAS,VOL.31,NO.1,p41~43,2002（ISSN1007-3426,INCHINESE

ABSTRACT:

Thehigherwateriscontainedinoil-production,themoreseriouslyisthecorrosioninoil-pro-ductionsystem.Inthispaper,byanalyzingcurrentcorrosionsituation,someideasandmethodstosolvetheproblemsarepresented,anditwillbeveryusefulforthedevelopmentofanti-corrosiontechnologyinoilfields,especiallyinelderoilfields.

SUBJECTHEADINGS:

oil-system,corrosion,pipeline,anti-corrosion

SIGNALSPROCESSINGWITHCOMPUTERANDITSUSEINPETROLEUMPRODUCTANALYSISHuZexiang,LouFang,YangGuanhan,WangGang,LiuYonghua（DepartmentofOilAppliedEngineering,LogisticalEngineeringUniversityCHEMICALENGINEERINGOFOILANDGAS,VOL.31,NO.1,p44~46,2002（ISSN1007-3426,INCHINESE

ABSTRACT:

Thesectionaloxidationparametersofhydrocarbon,mainlyoxidationinductionperiodandmax-imumreactiontemperature,areobtainedbyuseofcomputertechnologyforsignalacquisitionandprocessingsuchassmoothingandfiltering.Thesectionaloxidationparametersofhydrocarboncanbeusedtoexpressandcalculateoctanenumbers.Theexperimentalresultsshowthattheoctanenumberscalculatedbysectionaloxidationparametersiscoin-cidentwiththatbystandardtestingmethod.

SUBJECTHEADINGS:

octanenumber,sectionaloxidation,computer,smoothing,filtering

STUDIESONTHELEAKAGECALCULATIONMOD-ELSANDOPTIMALMEASUREMENTCONDITIONSOFNATURALGASTRANSMISSIONPIPELINESYS-TEMS

LiuMingli,XiangQigui（RINGT,PetroChinaSouth-westOilandGas-fieldCompany,DaiZhong（PetroChinaSouthwestOilandGas-fieldCompanyCHEMICALENGI-NEERINGOFOILANDGAS,VOL.31,NO.1,p47~51,2002（ISSN1007-3426,INCHINESE

ABSTRACT:

Thisarticleintroducesthenaturalgasleakagecalculationmodelsselectionandvalidationwithstat-icanddynamictest,andtheoptimalnaturalgasleakagede-tectingconditionsatdifferentwinddirectionandwindspeedwithstatictest.Theresultsshowthatwhenwindspeedis0.8m/s（includingcalm,itgivesaccurateresultatthede-tectingpointofwithin1.5~2cmdownstreamwinddirectionoftheleakingpoint.Whenwindspeedis0.8~1.3m/s,thedetectingpointatthe1cmdownstreamwinddirectionoftheleakingpointissuitable.Whenwindspeedismorethan1.3m/s,itisnotsuitableforcarryingoutnaturalgasleak-agedetectionwork.

SUBJECTHEADINGS:

naturalgas,leakage,leak-agedetection,leakagedetector

RESEARCHESONPIPELINELEAKDETETIONMETHODS

ChenChungang,WangYi,YangZhenkun（XianJiao-tongUniversityCHEMICALENGINEERINGOFOILANDGAS,VOL.31,NO.1,p52~54,2002（ISSN1007-3426,INCHINESE

ABSTRACT:

Withdevelopmentofoilandnaturalgasindustry,pipelinetransportationhasplayedamoreimportantroleinnationaleconomy.Pipelineleakcanleaduptore-sourcelossandenvironmentpollution.Itisnecessarytore-solvethoseproblemsassoonaspossible.Theactualityofleakdetectionmethodsisdiscussedinthisarticle.Transientmodel,statisticaldecisionandopticfibersensorhavegoodforeground.

SUBJECTHEADINGS:

pipeline,leak,detection

4CHEMICALENGINEERINGOFOILANDGASFeb.2002,Vol.31,No.1