燃气管道泄漏检测定位技术

王严

【摘 要】燃气管道泄漏定位技术是管道管理工作人员关注度最高的一个问题，管道泄漏定位系统也是管道泄漏检测系统的重要组成部分。本文介绍了一些国内外用于燃气管道泄漏检测定位的方法以及一些新的其它方法，并分析了各种方法的利弊。指出只有快速准确地确定漏点位置，才能及时采取措施，减少损失。

【关键词】燃气管道；泄漏检测；泄漏定位

管道输送具有成本低，节省能源，安全性高及供给稳定等优点。我国的管道运输业发展的很快，但由于不可避免的腐蚀、自然或第三方损坏等因素，管道泄漏事故频繁发生。如果泄露后不采取及时的措施，不仅对能源造成极大的浪费、经济损失，而且会导致环境污染。由于管道泄漏后可能带来严重后果，管道泄漏的预防及泄漏发生后的及时报警、定位，对重大事故的预防具有极为重要的现实意义。因此，燃气管道泄漏定位技术在实际工作中有着非常重要的作用，在已检测出管道发生泄漏的基础上，只有快速准确地确定漏点位置，才能及时采取措施，减少损失。

1管道泄漏检测定位的主要方法

泄漏点定位是管道泄漏检测中一项关键技术，如何快速准确地确定泄漏点的位置是管道泄漏检测系统的重要组成部分。目前已有的检漏方法中，流量平衡法、压力突变法和温度监测法等泄漏检测方法不能用于确定泄漏点的位置。基于硬件的方法，如检漏电缆法、光纤传感器等价格昂贵，不适于长输管道的泄漏检测定位。下面介绍工程实际中常用的一些方法。

1.1管内检测法

这类方法是通过漏磁技术、超声波技术、涡流技术、录像技术等投球技术将探测球从管道的一端放入，该探测球在管道内部借助流动介质的推动顺流而下，利用各种技术采集管道内的各种信息，然后从管道的另一端将探测球取出，最后进行数据分析和处理，确定漏点位置。此检测法能够比较准确地进行泄漏点的定位，但是容易发生堵塞停运等严重事故，而且造价很高，对管道条件要求严格，不适合进行长时间监测。

1.2负压波定位技术

负压波法是目前国内外应用比较多的管道泄漏检测和泄漏定位的方法。当管道发生泄漏后，在泄漏点的周围会产生一个负压，该负压会沿着管道的上下游传播，称之为负压波。该负压的大小与泄漏孔和泄漏量的大小有关。同时由于负压到达安装在管道两端的压力传感器的时间不同，可以通过测量该时间差并利用信号相关处理方法来确定泄漏点的位置。负压传播的速度与在管道内介质中传播的声速相同。这就是用压力波进行泄漏诊断的原理。图中，

L为管道长度，x为泄漏点，t1和t2为负压波传播到上下游的时间。

定位公式为：

（1）

式中：XL — 泄漏点距首端测压点的距离，m；

L — 管道全长，m；

a—负压波在管道流体介质中的传播速度，m/s；

△t—上下游传感器接收到压力波的时间差△t=t1-t2，s。

如何检测到并识别泄漏引发的负压波是提高负压波法检测定位准确性和灵敏度的关键。所以，应区分由泄漏引起的负压波和操作中因改变操作条件（如泵的启、停，阀门的开、闭）引起的压力波动。由于由泵、阀引起的负压波与泄漏产生的负压波方向不同，靳世久等人[1]提出利用模式识别技术，在管道的每一端仅需一个压力传感器，进行泄漏的检测与定位。管道发生泄漏后，要及时发现泄漏位置就必须精确地获得泄漏引发的压力波传播到上下游传感器的时间差，这就必须准确地捕捉到泄漏压力波信号序列的对应特征点。而由于燃气管道敷设环境复杂，不可避免的電磁干扰、震动等因素，使得采集到的压力波信号序列附加了大量噪声，所以定位的关键就是如何从噪声中准确地提取出信号的特征点。蔡正敏等人[2]提出了利用小波变换进行滤噪。小波分析能同时反映出信号在时域和频域的局部的和整体的信息，并能随信号频率的变化自动地调整时间一频率窗，实验证明了小波变换作为一种新的信号处理技术，在管道泄漏的在线监测中除噪是十分有效的。

管内压力波的传播速度决定于液体的弹性、密度和管材的弹性。常温输送的原油一般压力波取为一常数，但是国内的原油大多属于高凝、高粘原油，随着管道中流体温度的变化，密度和液体的压缩性也会有所变化，所以压力波并不是一个常数。考虑温度的瞬变压力波传播速度的计算公式如下：

（2）

式中： t—为温度，℃；

K—为液体体积弹性系数，Pa；

ρ—为液体的密度，kg/m3；

E—为管材的弹性模量，Pa；

D—为管道的直径，m；

e—为管壁厚度，m；

C1—为与管道约束条件有关的修正系数。

该方法具有很快的响应速度和较高的定位精度，可迅速检测出大的泄漏，自动化程度高，但是对于比较小的泄漏或已经发生的泄漏效果不佳。不过随着新型高精度传感器和高速计算机的使用，随着信号检测和信号处理技术的发展，尤其是人工神经网络和模式识别技术的开发研究，通过不断改进算法和动力模型，负压波管道泄漏检测定位方法可进一步提高其性能。

1.3 基于软件的定位方法

（1）统计决策法

在众多的泄漏检测方法中，由壳牌公司开发的统计决策法是一种比较新的检测方法。它使用统计学方法，对管道的入、出口实测的压力、流量值进行分析，连续计算发生泄漏的概率。在泄漏确定以后，可以通过实测的压力、流量值计算泄漏量的大小，并使用最小二乘法进行泄漏定位。对于单管，可用最小二乘法按下式进行泄漏的定位计算：

（3）

式中：XL —为泄漏点距离管道首端的距离；

、 、 和 —分别为管道入口和出口处的压力和流量的样本

平均值；

L—为管长；

K—是由摩擦系数、流体密度和管径决定的常数。

统计学方法不需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。而且该方法可以发现较小的泄漏点，可对管道进行长时间监测。统计检漏系统比常规方法投入费用更低，而且更易维护，由于仅需很少的计算量，使得有可能实现在PC机上运行该系统。在实际管道泄漏检测中取得了良好的效果。

（2）压力梯度泄漏定位方法

压力梯度法是一种技术上不太复杂，常被使用的一种泄漏定位方法。管道发生泄漏时会在漏失点产生额外的压力损失，使其上游的压力梯度较陡，而下游的压力梯度较为平缓，根据上游站和下游站的流量等参数，计算出相应的水力坡降，然后分别对上游站出站压力和下游站进站压力作图，其交点就是理想的泄漏点，原理图如图1所示。P1、P2分别为上游端的两个压力测点，用以测得上游段的压力梯度，P3、P4分别为下游端的两个压力测点，用以测得下游段的压力梯度。

可采用如下管道泄漏压力梯度定位方法：

（4）

式中：XL—上游站到泄漏点的距离；

Pi（P0）—上游站（下游站）测量的释放（吸入）压力；

— 上游站与下游站之间流体的平均密度；

hi，h0 — 分别为上游站和下游站的压头；

C — 系数；

ρ1、ρ2—分别为上游和下游到泄漏点之间流体平均密度；

f 1和f2—分别为上游和下游的流体平均摩擦系数；

L—泵站间管道长度；

Qi和Q0—分别为管道上游和下游的体积流量；

D—管道直径。

其它很多管道泄漏检测方法中，很多检漏法都是利用压力梯度法进行泄漏定位。如实时模型法，利用该法检测到管道泄漏后，使用稳态模型，根据管道内的压力梯度变化即可确定泄漏点的位置。

1.4 其它方法

基于神经网络的管道泄漏检测定位方法已初露端倪，它是一种基于经验的类似人类的认知过程的方法。能够运用自适应能力学习管道的各种工况，对泄漏进行分类识别，而且具有一定的抗干扰能力。随着高速计算机、通讯技术和数学的发展，基于神经网络的的检测定位方法有着广阔的应用前景。

另外，在应用负压波法进行泄漏定位时，为了精确测量时间差，可以采用基于GPS（Global Positioning System）时间标签的管道泄漏定位方法。GPS输出标准秒脉冲和含有时间信息的数据流强化各传感器采集的信号同步，通过采集频率与时间标签的换算可以分别确定管道泄漏点上游和下游的泄漏负压波的速度，然后再利用泄漏点上下游检测到的泄漏特征信号的时间标签差值就可以确定管道泄漏的位置。基于GPS时间标签的管道泄漏检测系统泄漏定位精度较高。

2结束语

随着管道工业的不断发展，对管道泄漏检测定位的要求也越来越高，单一的检测定位方法已不能满足实际工作的需要。目前，计算机技术、控制理论、信号处理、模式识别、人工智能等学科的发展以及SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統的大量应用，基于软件的管道泄漏检测方法为各种现代测量技术的应用提供了平台，将有着良好的发展前景。研究适合我国燃气管道实际情况的泄漏检测定位系统是一个非常有实际意义的课题。

参考文献：

[1]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科[J].电子测量与仪器学报，1998，12（1）：59-64.

[2]蔡正敏、吴浩江、黄上恒、胡时岳.小波变换在管道泄漏在线监测中去噪的应用[J].机械科学与技术.2001，20（2）：253-256.

（作者单位：新疆燃气集团有限公司）