2.9 放射性示蹤劑檢測
??? 放射性示蹤劑檢測是將放射性示蹤劑(如碘131) 加到管道內(nèi), 隨輸送介質(zhì)一起流動, 遇到管道的泄漏處, 放射性示蹤劑便會從泄漏處漏到管道外面, 并附著于泥土中。示蹤劑檢漏儀放于管道內(nèi)部, 在輸送介質(zhì)的推動下行走。行走過程中, 指向管壁的多個傳感器可在3600 范圍內(nèi)隨時對管壁進行監(jiān)測。經(jīng)過泄漏處時, 示蹤劑檢漏儀便可感受到泄漏到管外的示蹤劑的放射性, 并記錄下來。根據(jù)記錄, 可確定管道的泄漏部位。這種方法對微量泄漏檢測的靈敏度很高。該方法優(yōu)點是靈敏度高, 可監(jiān)測到百萬分之一數(shù)量級, 甚至十億分之一數(shù)量級,但是由于放射性示蹤劑對人身安全和生態(tài)環(huán)境的影響,因此如何選擇化學和生物穩(wěn)定性好、分析操作簡單、靈敏度高、無毒、應(yīng)用環(huán)境安全等特點的示蹤劑, 進行示蹤監(jiān)測是亟待解決的問題?！?br />2.10 體積或質(zhì)量平衡法
??? 管道在正常運行狀態(tài)下，其輸入和輸出質(zhì)量應(yīng)該相等，泄漏必然產(chǎn)生量差。體積或質(zhì)量平衡法是最基本的泄漏探測方法，可靠性較高。但是管道泄漏定位算法對流量測量誤差十分敏感, 管道泄漏定位誤差為流量測量誤差的6-7 倍, 因此流量測量誤差的減小可顯著提高管道泄漏檢測定位精度。提高流量計精度是一種簡便可行的方法,北京大學的唐秀家教授于1996 年首次提出了采用三次樣條插值擬合腰輪流量計誤差流動曲線, 動態(tài)修正以腰輪流量計滑流量為主的計量誤差的方法。此方法能顯著提高管道泄漏檢測的靈敏度和泄漏精度。
2.11 負壓波
??? 當管道發(fā)生泄漏事故時, 在泄漏處立即有物質(zhì)損失, 并引起局部密度減小, 進而造成壓力降低。由于管道中流體不能立即改變流速, 會在泄漏處和其任一端流體之間產(chǎn)生壓差。該壓差引起液流自上而下流至泄漏處附近的低壓區(qū)。該液流立即擠占因泄漏而引起密度及壓力減小的區(qū)域在臨近泄漏區(qū)域和其上、下游之間又產(chǎn)生新的壓差。泄漏時產(chǎn)生的減壓波就稱為負壓波。設(shè)置在泄漏點兩端的傳感器根據(jù)壓力信號的變化和泄漏產(chǎn)生的負壓波傳播到上下游的時間差，就可以確定泄漏位置。該方法靈敏準確，無需建立管線的數(shù)學模型，原理簡單，適用性很強。但它要求泄漏的發(fā)生是快速突發(fā)性的，對微小緩慢泄漏不是很有效?；谪搲翰ǖ膫鞑ダ碚? 提出了兩種定位方法：(1)設(shè)計了一種能夠快速捕捉負壓波前鋒到達壓力測量點的波形特征點的微分算法, 并基于此種算法進行漏點定位；(2)將極性相關(guān)引入漏點定位技術(shù), 通過確定相關(guān)函數(shù)峰值點的方法, 進行漏點定位。這兩種定位方法是對泄漏時的壓力時間序列分別從微分和積分, 從瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩方面進行處理,提取特征值。這兩種方法配合使用, 相互參照, 能夠提高泄漏點定位的準確度。
??? 目前,負壓波法在我國輸油管道上進行了多次試驗,取得了令人滿意的效果,但在輸氣管道上的試驗并不多。有文獻指出,負壓波法完全適合于氣體管道的泄漏檢測, ICI 公司曾經(jīng)使用負壓波法在乙烯管道上進行過成功的試驗。使用壓力波法時,應(yīng)當選用只對負壓波敏感的壓力傳感器(因為泄漏不會產(chǎn)生正壓波) ,傳感器應(yīng)當盡量靠近管道,而且要設(shè)定合適的閾值,這樣可以更好地抑制噪音。
2.12 壓力點分析法(PPA)
??? PPA 法是利用壓力波原理發(fā)展的一種新型檢漏方法, 較其它方法體現(xiàn)了許多優(yōu)點。該方法依靠分析由單一測點取得數(shù)據(jù), 極易實現(xiàn)。增添測點可改善性能, 但在技術(shù)上不是必需的。在站場或干線某位置上安裝一個壓力傳感器, 泄漏時漏點產(chǎn)生的負壓波向檢測點傳播, 引起該點壓力(或流量) 變化, 分析比較檢測點數(shù)據(jù)與正常工況的數(shù)據(jù), 可檢測出泄漏。再由負壓波傳播速度和負壓波到達檢測點的時間可進行漏點定位。PPA具有使用簡便、安裝迅速等特點。美國謝夫隆管道公司(CPL)將PPA法作為其管道數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(SCADA)的一部分，試驗結(jié)果表明，PPA具有優(yōu)良的檢漏性能，能在10min內(nèi)確定50gal/min的漏失。但壓力點分析法要求捕捉初漏的瞬間信息，所以不能檢測微滲。該方法使用于檢測氣體、液體和某些多相流管道，己廣泛應(yīng)用于各種距離和口徑的管道泄漏檢測。
2.13 壓力梯度法
??? 壓力梯度法是上世紀80年代末發(fā)展起來的一種技術(shù)，它的原理是：當管道正常輸送時，站間管道的壓力坡降呈斜直線，當發(fā)生泄漏時，漏點前后的壓力坡降呈折線狀，折點即為泄漏點，據(jù)此可算出實際泄漏位置。壓力梯度法只需要在管道兩端安裝壓力傳感器，簡單、直觀，不僅可以檢測泄漏，而且可確定泄漏點的位置。但因為管道在實際運行中，沿線壓力梯度呈非線性分布，因此壓力梯度法的定位精度較差，而且儀表測量對定位結(jié)果有很大影響。所以壓力梯度法定位可以作為一個輔助手段與其它方法一起使用。
2.14 小波變換法
??? 小波變換即小波分析是20世紀80年代中期發(fā)展起來新的數(shù)學理論和方法，被稱為數(shù)學分析的“顯微鏡”，是一種良好的時頻分析工具。利用小波分析可以檢測信號的突變、去噪、提取系統(tǒng)波形特征、提取故障特征進行故障分類和識別等。因此，可以利用小波變換檢測泄漏引發(fā)的壓力突降點并對其進行消噪，以此檢測泄漏并提高檢測的精度。小波變換法的優(yōu)點是不需要管線的數(shù)學模型，對輸入信號的要求較低，計算量也不大，可以進行在線實時泄漏檢測，克服噪聲能力強，是一種很有前途的泄漏檢測方法。但應(yīng)注意，此方法對山工況變化及泄漏引起的壓力突降難以識別，易產(chǎn)生誤報警。???
2.15 互相關(guān)分析法
??? 相關(guān)技術(shù)實質(zhì)是在時延域中考察兩個信號之間的相似性，包含自相關(guān)和互相關(guān)兩個內(nèi)容。油氣輸送管道管壁一般都是彈性體，流體發(fā)生泄漏時，流體受壓力噴射而誘發(fā)彈性波并沿管壁內(nèi)傳播。檢測管道某兩點處的彈性波信號，分析其互相關(guān)函數(shù),利用相關(guān)時延技術(shù)便可判定是否發(fā)生泄漏及泄漏的位置。相關(guān)檢漏技術(shù)是綜合振動、測試、信號處理等許多學科知識的高新技術(shù)。用互相關(guān)分析法檢漏和定位靈敏、準確，只需檢測壓力信號，不需要數(shù)學模型，計算量小。但它對快速突發(fā)性的泄漏比較敏感，對泄漏速度慢、沒有明顯負壓波出現(xiàn)的泄漏很難奏效。
2.16 基于瞬變流模型的檢漏法
??? 文獻[18]介紹了一種基于瞬變流模型的檢漏方法。該方法根據(jù)擬穩(wěn)態(tài)流的假設(shè)，考慮了在瞬態(tài)條件下管道的流量變化和壓力分布。對一條假設(shè)天然氣管道的研究結(jié)果表明，即使是對于瞬態(tài)條件，該方法也比以往一些未考慮管道的流量變化和壓力分布的常規(guī)方法更準確地確定管道的泄漏點。這種方法也能應(yīng)用于設(shè)有能引起管道流量分布突變的配氣站的管道系統(tǒng)。
瞬態(tài)模型法主要針對動態(tài)檢測泄漏,瞬時模擬管道運行工況,它可以提供確定管道存儲量變化的數(shù)據(jù),為流量平衡法提供參考量。使用管道瞬變模型法的關(guān)鍵在于建立比較準確的管道流體實時模型,以可測量的參數(shù)作為邊界條件,對管道內(nèi)的壓力和流量等參數(shù)進行估計。當計算結(jié)果的偏差超過給定值時,即發(fā)出泄漏報警。
2.17 應(yīng)力波法
??? 管線由于腐蝕、人為打孔原因破裂時，會產(chǎn)生一個高頻的振動噪聲，該噪聲以應(yīng)力波的形式沿管壁傳播，強度隨距離按指數(shù)規(guī)律衰減。在管道上安裝對泄漏噪聲敏感的傳感器，通過分析管道應(yīng)力波信號功率譜的變化，即可檢測出流體的泄漏。由于影響管道應(yīng)力波傳播的因素很多，在實際中很難用解析的方法準確描述出管道振動。有人提出使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習管道正常信號與泄漏信號，進而對管道的泄漏進行判斷。
2.18 基于狀態(tài)估計的方法　
??? 該方法根據(jù)質(zhì)量平衡方程、動量平衡方程、能量平衡方程及狀態(tài)方程等機理建模。得到一個非線性的分布式參數(shù)系統(tǒng)模型, 通?？刹捎貌罘址ɑ蛱卣骶€法等方法將其線性化。設(shè)計狀態(tài)估計器對系統(tǒng)狀態(tài)進行估計,將估計值作為泄漏檢測的依據(jù),這就是基于狀態(tài)估計的方法的基本原理。其中估計器可以是觀測器,也可以是Kalman 濾波器。根據(jù)建立模型的方法,這類方法可分為不包含故障的模型法和包含故障的模型法。
??? ①不包含故障的模型法。不包含故障的模型法的基本思路是,建立管道模型并設(shè)計估計器,模型中不含有泄漏的信息。當泄漏發(fā)生時,模型估計值與實際測量值將會產(chǎn)生殘差,可用殘差信號來進行檢測定位。當泄漏量大時,該方法不可行。另外,該方法需要設(shè)置流量計,而且對于氣體管道,檢測和定位的響應(yīng)時間太慢。
??? ②包含故障的模型法。包含故障的模型法的基本思路是,建立管道模型時預(yù)先假設(shè)管道有幾處指定的位置發(fā)生了泄漏, 通過對系統(tǒng)的狀態(tài)估計得到這幾個預(yù)先假設(shè)的泄漏點的泄漏量估計值, 運用適當?shù)呐袆e準則便可進行泄漏檢測和定位。該方法在長90 km、內(nèi)徑785 mm 的氣體管道上,在80 min 內(nèi)可檢測出2 %的泄漏量,并在100min 內(nèi)可完成定位,定位精度比較高。但當實際泄漏點不處于指定泄漏點之間時,定位公式將無法使用。對于氣體管道,檢測速度相對較慢,仍需設(shè)置流量計。
2.19 基于系統(tǒng)辨識的方法
??? 通過系統(tǒng)辨識來建立模型是工業(yè)上經(jīng)常使用的方法,與基于估計器的方法相比,具有實時性強和更加精確等優(yōu)點,管道的模型也可以通過系統(tǒng)辨識的方法來得到。目前,采用的方法是在管道系統(tǒng)上施加M 序列信號,采用線性ARMA 模型結(jié)構(gòu)增加某些非線性項來構(gòu)成管道的模型結(jié)構(gòu),采用辨識的方法來求解模型參數(shù),并用與估計器方法類似的原理進行檢漏和定位。
??? 為了對管道的泄漏進行檢測,可以對根據(jù)管道實際情況建立“故障靈敏模型”及“無故障模型”進行對比和計算。系統(tǒng)辨識法的局限性與不包含故障的模型法類似?；谀Ｐ头ǖ囊粋€共同的問題在于,檢測管道泄漏時的響應(yīng)時間慢,特別是對于氣體管道。這是由于氣體的動態(tài)特性變化比較緩慢,實際測量信號的采樣時間比較長的緣故。另外,基于模型的方法無一例外,都要采用實際測量的流量信號,由于流量計價格昂貴,維護起來比較困難,因此,我國多數(shù)管道沒有安裝,而且受流量測量時流體成分、溫度以及壓力等參數(shù)變化的影響,測量的準確度比較低。
2.20 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法
??? 由于有關(guān)管道泄漏的未知因素很多,采用常規(guī)數(shù)學模型進行描述存在較大困難,用于泄漏檢測時,常因誤差很大或易漏報誤報而不能用于工業(yè)現(xiàn)場?；谌斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測管道泄漏的方法,不同于已有的基于管道準確流動模型描述的泄漏檢測法,能夠運用自適應(yīng)能力學習管道的各種工況,對管道運行狀況進行分類識別,是一種基于經(jīng)驗的類似人類的認知過程的方法。試驗證明這種方法是十分靈敏和有效的。理論分析和實踐表明,這種檢漏方法能夠迅速準確預(yù)報出管道運行情況,檢測管道運行故障并且有較強的抗惡劣環(huán)境和抗噪聲干擾的能力。泄漏引發(fā)應(yīng)力波適當?shù)奶卣魈崛≈笜四茱@著提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運算速度。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習計算研制的管道泄漏檢測儀器簡潔實用,能適應(yīng)復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測方法可推廣應(yīng)用到管道堵塞、積砂、積蠟、變形等多種故障的檢測中,對于管網(wǎng)故障診斷有廣泛的應(yīng)用前景。
2.21 統(tǒng)計檢漏法
??? 該方法采用一種“順序概率測試”( SequentialProbability Ratio Test) 假設(shè)檢驗的統(tǒng)計分析方法,從實際測量到的流量和壓力信號中實時計算泄漏發(fā)生的置信概率。在實際統(tǒng)計上,輸入和輸出的質(zhì)量流通過流量變化( Inventory Variation) 來平衡。在輸入的流量和壓力均值與輸出的流量和壓力均值之間會有一定的偏差,但大多數(shù)偏差在可以接受的范圍之內(nèi),只有一小部分偏差是真正的異常。通過計算標準偏差和檢驗零假設(shè),對偏差的顯著性進行檢驗,來判斷是否出現(xiàn)故障。泄漏發(fā)生后,采用一種最小二乘算法進行定位。
2.22 水力坡降線法
??? 水力坡降線法的技術(shù)不太復(fù)雜。這種方法是根據(jù)上游站和下游站的流量等參數(shù), 計算出相應(yīng)的水力坡降, 然后分別按上游站出站壓力和下游站進站壓力作圖, 其交點就是理想的泄漏點。但是這種方法要求準確測出管道的流量、壓力和溫度值。對于間距長達幾十或百公里的長輸管道, 由儀表精度造成的誤差可能使泄漏點偏移幾公里到幾十公里, 甚至更遠, 給尋找實際泄漏點帶來困難。因此,應(yīng)用水力坡降線法尋找長輸管道泄漏點時應(yīng)考慮儀表精度的影響。壓力表、溫度計和流量計等的精度對泄漏點的判定都有直接關(guān)系。把上、下游站這3種儀表的最大和最小兩種極端情況按照排列組合方式, 可以構(gòu)成64 種組合, 其中有2 種組合決定泄漏區(qū)間的上、下游極端點。目前這種方法較少采用。
3 檢漏方法性能指標
3.1 泄漏檢測性能指標
??? 一個高效可靠的管道泄漏檢測與定位系統(tǒng)，必須在微小的泄漏發(fā)生時，在最短的時間內(nèi)，正確地報警，準確地指出泄漏位置，并較好地估計出泄漏量，而且對工況的變化適應(yīng)性要強，也即泄漏檢測與定位系統(tǒng)誤報率、漏報率低，魯棒性強，當然還應(yīng)便于維護。歸結(jié)起來可分為:靈敏性、定位精度、響應(yīng)時間、誤報率、評估能力、適應(yīng)能力、有效性、維護要求、費用。
3.2 診斷性能指標
??? 1) 正常工序操作和泄漏的分離能力:是指對正常的起/ 停泵、調(diào)閥、倒罐等情況和管道泄漏情況的區(qū)分能力。這種區(qū)分能力越強,誤報率越低。
??? 2) 泄漏辨識的準確性:指泄漏檢測系統(tǒng)對泄漏的大小及其時變特性的估計的準確程度。對于泄漏時變特性的準確估計,不僅可識別泄漏的程度,而且可對老化、腐蝕的管道進行預(yù)測并給出一個合理的處理方法。
3.3 綜合性能指標
??? 1) 魯棒性:指泄漏診斷系統(tǒng)在存有噪聲、干擾、建模誤差等情況下正確完成泄漏診斷的任務(wù),同時保證滿意的誤報率和漏報率的能力。診斷系統(tǒng)魯棒性越強,可靠性就越高。
??? 2) 自適應(yīng)能力:指診斷系統(tǒng)對于變化的診斷對象具有自適應(yīng)能力,并且能夠充分利用由于變化產(chǎn)生的新的信息來改善自身。
??? 在實際工程設(shè)計中,首先要正確分析工況條件及最終性能要求,明確各性能要求的主次關(guān)系,然后從眾多的泄漏檢測方法中進行分析,經(jīng)過適當權(quán)衡和取舍,最后選定最優(yōu)解決方案。
4 存在問題及發(fā)展趨勢
??? 長輸管道的泄漏檢測與定位具有十分重要的現(xiàn)實意義,盡管已經(jīng)取得很大的進步,工程實踐中已得到應(yīng)用,取得了一定的經(jīng)濟效益,同時也暴露了許多尚需解決的問題。例如長輸管道的小泄漏檢測和定位仍是重點攻克問題；如何增強泄漏檢測和定位系統(tǒng)的自適應(yīng)能力和自學習能力；如何將多種方法有機的結(jié)合起來進行綜合診斷,發(fā)揮各自的優(yōu)勢,從而提高整個系統(tǒng)的綜合診斷性能；如何有效解決長輸管道的非線性分布參數(shù)的時間滯后問題等。
??? 目前的泄漏檢測和定位手段是多學科多技術(shù)的集成,特別是隨著傳感器技術(shù)、模式識別技術(shù)、通信技術(shù)、信號處理技術(shù)和模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、粗糙集理論等人工智能技術(shù)等發(fā)展,為泄漏檢測定位方法帶來了新的活力,可對諸如流量、壓力、溫度、密度、粘度等管道和流體信息進行采集和處理,通過建立數(shù)學模型或通過信號處理,或通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式分類，或通過模糊理論對檢測區(qū)域或信號進行模糊劃分,利用粗糙集理論簡約模糊規(guī)則,從而提取故障特征等基于知識的方法進行檢測和定位。將建立管道的數(shù)學模型和某種信號處理方法相結(jié)合、將管外檢測技術(shù)和管內(nèi)檢測技術(shù)相結(jié)合、將智能方法引入檢測和定位技術(shù)實現(xiàn)智能檢測、機器人檢測和定位等是一研究方向^[20]。
參考文獻
[1] 朱蕓.天然氣長輸管道泄漏檢測與定位方法研究[D].蘭州.2005,5.
[2] 潘緯,李煒.信號奇異性檢測在輸氣管線泄漏檢測中的應(yīng)用[J].計算技術(shù)與自動化,2003,22(2)：71-73.
[3] 夏海波.基于GPS 時間標簽的管道泄漏定位方法[J]. 計算機測量與控制, 2003,11(3) :161-176.
[4] 白 莉,岳前進,李洪升.噪聲干擾條件下長輸管道檢漏的一致最大功效檢驗[[J].石油學報,2004,25(2)：115-117.
[5] 吳海霞,蔣耘晨,趙顯利.運用虛擬儀器實現(xiàn)輸油管道泄漏監(jiān)測和定位[J].北京理工大學學報,2004,24(2)：174-177.
[6] 倫淑嫻,張化光,馮 健.自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在管道泄漏檢測中的應(yīng)用[J].石油學報,2004,25(4)：101-104.
[7] 張紅兵,李長俊.不等溫輸氣管道泄漏監(jiān)測技術(shù)[J].石油工程建設(shè),2005,31(1)：25-27.
[8] 劉恩斌,彭善碧,李長俊,等.基于瞬態(tài)模型的油氣管道泄漏檢測[J].天然氣工業(yè),2005,25(6)：67-69.
[9] 朱曉星,陳悅,王桂增,等.仿射變換在管道泄漏定位中的應(yīng)用[J].山東大學學報,2005,35(3)：32-35.
[10] 白 莉,李洪升,賈 旭,等. 基于瞬變流和故障檢測的管線泄漏監(jiān)測試驗分[J].大連理工大學學報,2005.45(1)：8-11.
[11] 白 莉,岳前進,崔 莉.基于分布式檢測與決策融合的海底油氣管線檢漏[J].海洋工程,2006,24(1)：55-59.
[12] 周琰,勒世久,張昀超,等.分布式光纖管道泄漏檢測和定位技術(shù)[J].石油學報,2006,27(2)：122-124.
[13] 趙福麟, 孫銘勤, 楊庭秀, 等.埕東油田西區(qū)南塊整體堵水中示蹤劑的選擇和應(yīng)用[J].油田化學,1991,8(2):124- 130
[14] 蔣仕章，蒲家寧.用動態(tài)質(zhì)量平衡原理進行管道檢漏的精度分析[J].油氣儲運,2000,19(2)：12-l 3
[15] 趙堂玉:基于軟件的輸油氣管道泄漏檢測技術(shù)[J].油氣儲運,2004 ,23 (9)：1-7.
[16] Edward J. Farmer管道泄漏檢測的新方法[J].自動化儀表,1992,10(3)：11-14.
[17] 周俊,李永強,王占宇,等.利用壓力趨勢圖判斷管道盜油點[J].油氣儲運,2002,21(7)：28-29.
[18] 蘇欣,袁宗明,范小霞,等.油氣長輸管道檢漏技術(shù)綜述[J].石油化安全技術(shù),2005,21(4)：14-17：26.
[19] 劉恩斌,彭善碧,李長俊.現(xiàn)代管道泄漏檢測技術(shù)探討[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2004(5): 17- 19.
[20] 付道明,孫軍,賀志剛,等.國內(nèi)外管道泄漏檢測技術(shù)研究進展[J].石油機械,2004,32(3): 48- 51.

?