摘要：簡單說明了油氣長輸管道泄漏的原因和泄漏的危害，簡單回顧了國內外油氣長輸管道泄漏檢測技術發(fā)展的歷史，詳細介紹了熱紅外線成像、探地雷達、氣體成像、傳感器法、探測球法、半滲透檢測管檢漏法、GPS時間標簽法、放射性示蹤劑法、體積或質量平衡法、壓力波法、小波變換法、相關分析法、狀態(tài)估計法、系統(tǒng)辨識法、神經網絡法、統(tǒng)計檢漏法和水力坡降法等20多種管道泄漏檢測技術方法，同時介紹了泄漏檢測方法的診斷性能指標和綜合性能指標，最后指出了現(xiàn)在存在的問題和發(fā)展的趨勢。
關鍵詞：油氣；長輸管道；泄漏；原因；檢測方法；性能指標；問題；發(fā)展；趨勢
??? 油氣長輸管道發(fā)生泄漏的原因多種多樣，但大致可以分為：(1)管道腐蝕：防護層老化、陰極保護失效, 以及腐蝕性介質對管道外壁造成的腐蝕和傳輸介質的腐蝕成分對管道內壁造成的腐蝕；(2)自然破壞：由于地震、滑坡等自然災害以及氣候變化使管道發(fā)生翹曲變形導致應力破壞；(3)第三方破壞：不法分子的盜竊破壞, 施工人員違章操作, 野蠻施工造成的破壞；(4)管道自身缺陷：包括管道焊接質量缺陷, 管道連接部位密封不良, 未設計管道伸縮節(jié), 材料等原因。油氣管道泄漏不僅給生產、運營單位造成巨大的經濟損失，而且會對環(huán)境造成破壞、嚴重影響沿線居民的身體健康和生命安全。
1 檢漏技術發(fā)展歷史
??? 國外從上個世紀70年代就開始對管道泄漏檢測技術進行了研究。早在1976年德國學者R.Isermann和H. Siebert就提出以輸入輸出的流量和壓力信號經過處理后進行互相關分析的泄漏檢測方法；1979年Toslhio Fukuda提出了一種基于壓力梯度時間序列的管道泄漏檢測方法；L.Billman和R.Isermann在1987年提出采用非線性模型的非線性狀態(tài)觀測器的檢漏方法；A.Benkherouf在1988年提出了卡爾曼濾波器方法；1991 年Kurmer 等人開發(fā)了基于Sagnac 光纖干涉儀原理的管道流體泄漏檢測定位系統(tǒng)；1993年荷蘭殼牌(shell)公司的X.J.Zhang提出了統(tǒng)計檢漏法；1999年美國《管道與氣體雜志》報道了一種稱作“紋影”( Schlieren)的技術，即采用空氣中的光學折射成象原理可用于管道檢漏；2001年Witness提出了采用頻域分析的頻域響應法，其基本思想是將管道系統(tǒng)的模型轉換到頻域進行泄漏檢測和定位分析；2003年Marco Ferrante提出了采用小波分析的方法，利用小波技術對管道的壓力信號進行奇異性分析，由此來檢測泄漏。
??? 我國對于管道泄漏技術的研究起步較晚，但發(fā)展很快。1988年方崇智提出了基于狀態(tài)估計的觀測器的方法；1989年王桂增提出了一種基于Kullback信息測度的管線泄漏檢測方法；1990年董東提出了采用帶時變噪聲估計器的推廣Kalman濾波方法；1992年提出了負壓波法泄漏檢測法；1997, 1998年天津大學分別采用模式識別、小波分析等技術對負壓波進行了很大程度的改進；1997年唐秀家等人首次提出基于神經網絡的管道泄漏檢測模型；1999年張仁忠等提出了壓力點分析(PPA)法和采集數據與實時仿真相關分析法相結合的方法；2000年胡志新等提出了分布式光纖布拉格光柵傳感器的油氣管道監(jiān)測系統(tǒng)；2002年崔中興等介紹了聲波檢漏法；2003年胡志新提出了基于Sagnac 光纖干涉儀原理的天然氣管道泄漏檢測系統(tǒng)理論模型；2003年潘緯等利用小波分析方法來分析信號的奇異性及奇異性位置,來檢測天然氣管線泄漏；2003年夏海波等提出了基于GPS 時間標簽的管道泄漏定位方法；2004年白莉等提出了一致最大功效檢驗探測泄漏信號；2004年吳海霞等運用負壓波和質量平衡原理,采用模糊算法和邏輯判斷法,利用壓力、流量和輸差三重機制實現(xiàn)了對原油管道的泄漏監(jiān)測及定位、原油滲漏監(jiān)測和報警；2004年倫淑嫻等利用自適應模糊神經網絡系統(tǒng)的去噪方法可以提高壓力信號；2005年張紅兵等介紹了根據管道的瞬態(tài)數學模型，并應用特征線法求解進行不等溫輸氣管道泄漏監(jiān)測；2005年劉恩斌等研究了一種新型的基于瞬態(tài)模型的管道泄漏檢測方法,并對傳統(tǒng)的特征線法差分格式進行了改進,將其應用于對管道瞬態(tài)模型的求解；2005年朱曉星等提出了將仿射變換的思想應用到基于瞬態(tài)壓力波的管道泄漏定位算法中；2005年白莉等等將擴展卡爾曼濾波算法,應用于海底管道泄漏監(jiān)測與定位；2006年白莉等利用多傳感器的信息融合思想,提出分布式檢測與決策融合方法進行長距離海底管線泄漏監(jiān)測；2006年提出了一種基于Mach-Zehnder光纖干涉原理的新型分布式光纖檢漏測試技術^[1-12]。
2 泄漏檢測技術方法
??? 對于檢漏技術的分類，現(xiàn)在沒有統(tǒng)一的規(guī)定，根據檢測過程中所使用的測量手段不同，分為基于硬件和軟件的方法；根據測量分析的媒介不同可分為直接檢測法與間接檢測法；根據檢測過程中檢測裝置所處位置不同可分為內部檢測法與外部檢測法；根據檢測對象的不同可分為檢測管壁狀況和檢測內部流體狀態(tài)的方法^[1-19]。
2.1 熱紅外成像
??? 對于加熱輸送的液體管道，當管道發(fā)生泄漏時,土壤被泄漏的液體加熱后溫度上升，通過紅外輻射的不同來感知這種異常的溫度，將其與事先保存在計算機中的管道周圍土壤正常溫度分布圖進行比較檢測泄漏。近年美國OIL TON公司開發(fā)出一種機載紅外檢測技術，由直升飛機攜帶一高精度紅外攝像機沿管道飛行，通過分析輸送物資與周圍土壤的細微溫差確定管道是否泄漏。這類方法不能對管線進行連續(xù)檢測，因此發(fā)現(xiàn)泄漏的實時性差而且對管道的埋設深度有一定的限制,具有關資料介紹,當直升機的飛行高度為300m時,管道的埋設深度應當在6m之內。
2.2 探地雷達
??? 探地雷達(GPR) 將脈沖發(fā)射到地下介質中，通過時域波形的處理和分析探知地下管道是否泄漏。當管道內的原油發(fā)生泄漏時,管道周圍介質的電性質會發(fā)生變化,從而反射信號的時域波形也會發(fā)生變化,根據波形的變化就可以檢測到管道是否發(fā)生了泄漏。應用探地雷達探測時,物體必須有一定的體積,因此這種方法不適用于較細的管道。而且用探地雷達探測泄漏時,與管道周圍的地質特性有關,地質特性的突變對圖象有很大的影響,這也是應用中的一個難點。
2.3 氣體成像
??? 在輸氣管道泄漏檢測中,氣體成像技術也是一個比較有效的方法。以前氣體成像的原理主要是根據背景吸收氣體成像和紅外輻射吸收技術。設備比較笨重,需要大型的激光器。近年來,開發(fā)了一種稱之為“紋影”的技術,即采用空氣中光學折射成像原理檢漏。其設備輕巧、使用方便,還能提供有關泄漏量的指示。這種光學非侵入技術，可以遠距離觀測漏失量為每分鐘僅為幾毫升的輕微泄漏。泄漏到大氣中的天然氣比周圍的空氣折射率高，天然氣泄漏使光線發(fā)生折射，在攝像機和照明條件下光柵之間的泄漏，使光線到達攝像機時產生位移。這樣肉眼見不到的天然氣泄漏就變成可視的紋影圖象并可拍攝下來。利用這種技術，氧氣和氮氣難于在空氣中成象，但烴類氣體、揮發(fā)性流體的蒸氣卻容易看到；氦氣、氫氣、含氯氟烴等密度大于或小于空氣的氣體都可成象。同樣紋影攝像機也能看到冷暖氣流和超聲沖擊波。紋影成象技術不僅能發(fā)現(xiàn)氣休泄漏而且能提供信息估算泄漏量。這種技術是地面成象系統(tǒng)，但檢測來自地下的天然氣泄漏也是可行的。
2.4 傳感器法
??? 隨著傳感器技術的發(fā)展,人們已經制造出對某種化學物質特別敏感的傳感器,再借助于計算機和現(xiàn)代信號處理技術可以大大地提高檢測的靈敏度和精確度。
??? (1) 嗅覺傳感器?
??? 將嗅覺傳感器應用于管道檢測還是一項不大成熟的技術?？梢詫⑿嵊X傳感器沿管道按一定的距離布置,組成傳感器網絡對管道進行實時監(jiān)控。當發(fā)生泄漏時,對泄漏物質非常敏感的嗅覺傳感器就會發(fā)出報警。
??? (2) 分布式光纖聲學傳感器
??? 方法是利用Sagnac干涉儀測量泄漏所引起的聲輻射的相位變化來確定泄漏點的范圍，這種傳感器可以用于氣體或液體運輸管道。這種方法是把光纖傳感器放在管道內，通過接收到的泄漏液體或氣體的聲輻射，來確定泄漏和定位。由于是玻璃光纖，所以不會被分布沿線管道的高壓所影響，也不會影響管道內液體的非傳導特性，而且光纖還不受腐蝕性化學物資的損害，壽命較長。在理論上，10km管道定位精度能達到±5m，反應也較靈敏及時，但成本較高。???
2.5 探測球法
??? 基于磁通、超聲、渦流、錄像等技術的探測球法是上世紀80年代末期發(fā)展起來的一項技術，將探測球沿管線內進行探測，利用超聲技術(“超聲豬”)或漏磁技術(“磁通豬”)采集大量數據，并進行事后分析，以判斷管道是否有泄漏點。該方法檢測準確、精度較高，缺點是探測只能間斷進行，易發(fā)生堵塞、停運的事故，而且造價較高。
2.6 半滲透檢測管法
??? 這種檢漏管埋設在管道上方，一旦氣體管道發(fā)生泄漏，安裝在檢測管一端的抽氣泵持續(xù)地從管內抽氣，并進入烴類檢測器，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用相對較高，另外，土壤中自然產生的氣體(如沼氣)可能會造成假指示，容易引起誤報警。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)。
2.7 檢漏電纜法
??? 檢漏電纜多用于液態(tài)烴類燃料的泄漏檢測。電纜與管道平行鋪設，當泄漏的烴類物質滲入電纜后，會引起電纜特性的變化。目前己研制的有滲透性電纜、油溶性電纜和碳氫化合物分布式傳感電纜。這種方法能夠快速而準確地檢測管道的微小滲漏及其滲漏位置，但其必須沿管道鋪設，施工不方便，且發(fā)生一次泄漏后，電纜受到污染，在以后的使用中極易造成信號混亂，影響檢測精度，如果重新更換電纜，將是一個不小的工程。
2.8 GPS時間標簽法
??? GPS(全球定位系統(tǒng))的基本定位原理是：衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數和時間信息，用戶接收到這些信息后，經過計算求出接收機的三維位置，三維方向以及運動速度和時間信息。采用GPS同步時間脈沖信號是在負壓波的基礎上強化各傳感器數據采集的信號同步關系，通過采樣頻率與時間標簽的換算分別確定管道泄漏點上游和下游的泄漏負壓波的速度，然后利用泄漏點上下游檢測到的泄漏特征信號的時間標簽差就可以確定管道泄漏的位置。采用GPS進行同步采集數據，泄漏定位精度可達到總管線長度的1%之內，比傳統(tǒng)方法精度提高近3倍。