張凱

（沈陽(yáng)石蠟化工有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)技術(shù)和方法*

張凱

（沈陽(yáng)石蠟化工有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

燃?xì)夤艿佬孤┦侨細(xì)夤艿腊踩斔偷闹饕[患。介紹了目前國(guó)內(nèi)外燃?xì)夤艿佬孤┑闹饕獧z測(cè)方法，根據(jù)泄漏檢測(cè)原理，總結(jié)歸納了現(xiàn)有的各種檢測(cè)方式，同時(shí)指出了各種檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件。

燃?xì)?；管道；泄漏檢測(cè)；直接法；間接法

管道輸送是燃?xì)廨斉涞闹饕绞?，由于管道的生產(chǎn)制造、安裝施工、使用、安全管理等多方面的原因，都有可能使管道燃?xì)獍l(fā)生泄漏，進(jìn)而影響了人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。而我國(guó)燃?xì)夤艿来蠖嗦裼谒?、瀝青路面、田野、丘陵等多種地表下，管網(wǎng)壓力范圍大，管材規(guī)格多，這就決定了檢漏方法的復(fù)雜性，檢漏手段的多樣性。

根據(jù)泄漏檢測(cè)原理，現(xiàn)有的泄漏檢測(cè)方法可以分為直接檢測(cè)燃?xì)庑孤┑闹苯訖z測(cè)法和以檢測(cè)因泄漏而引起的流量、壓力、聲音等物理參數(shù)發(fā)生變化的間接檢測(cè)法[1]。

1 直接檢測(cè)方法

根據(jù)檢測(cè)方式的不同，目前常見的直接檢測(cè)方法可以分為如下幾類。

（1）人工巡檢法。這是目前國(guó)內(nèi)各城市燃?xì)夤境Ｓ玫囊环N泄漏檢測(cè)方法。由巡線工人手持燃?xì)鈾z漏儀或檢漏車定期沿管道敷設(shè)路徑巡視，通過看、聞、聽等多種方式來判斷是否有燃?xì)庑孤?。?duì)于泥土地面，用可調(diào)節(jié)濃度大小的氣敏檢測(cè)儀直接在地面檢測(cè)，濃度最大點(diǎn)與管線定位一致點(diǎn)即為泄漏點(diǎn)。對(duì)于城市街道常見的水泥瀝青地面，氣體泄漏后會(huì)沿著管道周圍的裂縫、空隙、疏松土壤竄流，不能穿透漏點(diǎn)上方的地表，在地面探測(cè)不到，而在遠(yuǎn)離泄漏點(diǎn)的地面裂縫中才能探到，此種情況需鉆孔探漏。對(duì)于公共管溝，包括專業(yè)管道溝、電纜溝和與裂縫相通的排水溝，泄漏氣體會(huì)沿著這些通道竄到很遠(yuǎn)的地方，此種泄漏需用風(fēng)機(jī)從管溝的泄漏點(diǎn)的一邊吹風(fēng)，另一邊放風(fēng)，保證管溝內(nèi)的泄漏氣體向另一邊冒跑，用示蹤探頭從風(fēng)機(jī)一端伸進(jìn)管溝，示蹤探頭與泄漏氣體接觸處即為泄漏點(diǎn)，或用鉆孔法配以氣敏探測(cè)儀在地面檢測(cè)，在泄漏點(diǎn)的下風(fēng)氣敏儀會(huì)報(bào)警，在上風(fēng)不報(bào)警，泄漏點(diǎn)位置就在報(bào)警與不報(bào)警兩孔之間，在此進(jìn)一步加密測(cè)點(diǎn)，即可精確定點(diǎn)。

（2）管內(nèi)智能爬機(jī)檢測(cè)法。爬機(jī)在管道工業(yè)中使用廣泛，如果配置各種傳感器，就能組成智能爬機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)[2]。目前利用爬機(jī)可以檢測(cè)管內(nèi)的壓力、流量、溫度以及管壁的完好程度。爬機(jī)可以分為2類：超聲波檢測(cè)器和漏磁通檢測(cè)器，應(yīng)用較多的是漏磁通檢測(cè)器，即將爬機(jī)放入管內(nèi)，它就會(huì)在流體的推動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到下游，同時(shí)收集有關(guān)管內(nèi)流動(dòng)和管壁完好程度的信息，對(duì)記錄在爬機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，可以得到很多信息，同時(shí)也可以判斷管道是否泄漏。國(guó)外此項(xiàng)技術(shù)己經(jīng)比較成熟，并用于各種管道當(dāng)中，它的作用不僅在于泄漏檢測(cè)，而且是綜合型的管道檢測(cè)系統(tǒng)，但是爬機(jī)只適用于那些沒有太多的彎頭和聯(lián)接處的管道，它的操作需要有豐富的經(jīng)驗(yàn)。

（3）紅外線成像法。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)周圍土壤的溫度場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化。通過紅外線遙感攝像裝置可以記錄輸氣管道周圍的地?zé)彷椛湫?yīng)，再利用光譜分析就可以檢測(cè)出泄漏位置[3]。這種方法可以較精確地定位泄漏點(diǎn)，靈敏度也較高，但不適用埋設(shè)較深的管道檢漏。

（4）分布式光纖檢漏法。在管道附近沿管道并排鋪設(shè)一條光纜，也可以利用與管道同溝敷設(shè)的通訊光纜，根據(jù)光纖的干涉原理，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，引起管道泄漏點(diǎn)附近的測(cè)試光纖產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，從而造成該處光波相位調(diào)制，產(chǎn)生相位調(diào)制的光波沿光纖分別向傳感器的兩端傳播[4]。用兩個(gè)光電檢測(cè)傳感器檢測(cè)兩端干涉信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)間差，即可精確地計(jì)算出泄漏發(fā)生的位置。分布式光纖傳感器法是在國(guó)外研究較多的一種方法[5]。

2 間接檢測(cè)方法

間接檢測(cè)法主要根據(jù)管道泄漏造成的流量、壓力、聲音等物理參數(shù)變化來檢測(cè)管道泄漏與否，并通過計(jì)算來定位泄漏位置。具體分為以下幾種。

（l）基于信號(hào)處理的方法。主要通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳回的壓力、流量信號(hào)去除干擾后，采用特殊的分析手段提取信號(hào)突變位置及突變時(shí)間而實(shí)現(xiàn)泄漏檢測(cè)及定位。此法不需要建立管道的數(shù)學(xué)模型，主要包括壓力梯度法、負(fù)壓波法、流量平衡法和聲學(xué)方法等。

①壓力梯度法。在穩(wěn)定流動(dòng)的條件下，管道泄漏點(diǎn)將導(dǎo)致管道沿線的壓力梯度分布呈折線變化，通過在泄漏點(diǎn)上游和下游分別設(shè)置兩個(gè)壓力傳感器測(cè)出它們的壓力梯度，就能算出實(shí)際泄漏位置。該方法原理簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，只要在管道兩端安裝壓力表即可。但是該方法沒有考慮溫度對(duì)管道中流體的粘度、摩阻及密度等參數(shù)的影響，而實(shí)際情況下管道沿線壓力分布是非線性的，因此該法定位精度較低。

②負(fù)壓波法。負(fù)壓波法是在國(guó)內(nèi)研究較多的一種方法，當(dāng)管道某處突然發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏處將出現(xiàn)瞬態(tài)壓力突降，形成一個(gè)負(fù)壓波，該負(fù)壓波以一定的速度向管道兩端傳播，根據(jù)負(fù)壓波傳播到上下游端壓力傳感器的時(shí)間差和負(fù)壓波的傳播速度就可以確定泄漏點(diǎn)的具體位置。目前研究的焦點(diǎn)問題是如何精確決定時(shí)間差和對(duì)傳播速度公式的修正，主要研究方法有相關(guān)分析法、小波變換法、時(shí)間序列法、模式識(shí)別法和基于圖象處理的方法等[6]。但負(fù)壓波法的缺點(diǎn)是只能檢測(cè)到大的突發(fā)性的泄漏，而對(duì)緩慢發(fā)生的小泄漏則不適用。

③流量平衡法。該方法也稱為質(zhì)量分析法，是一種最基本的檢測(cè)方法。它根據(jù)進(jìn)出口管道流體的流量差來判斷管道是否發(fā)生泄漏。這種方法簡(jiǎn)單直觀、易于實(shí)現(xiàn)，但由于流量測(cè)量受流體成分、溫度以及壓力等參數(shù)變化的影響較大，因此測(cè)量的準(zhǔn)確度比較低，同時(shí)該方法需要在管線兩端安裝高精度的流量計(jì)，成本較高，也不能實(shí)現(xiàn)泄漏位置的定位。

④聲波法。管道發(fā)生泄漏時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，泄漏產(chǎn)生的噪音強(qiáng)度及清晰度受到管內(nèi)壓力、泄漏點(diǎn)的孔尺寸及形狀、管道直徑、壁厚，以及材質(zhì)等因素的影響。通過安裝在管道外壁的聲波傳感器可監(jiān)測(cè)到泄漏聲信號(hào)的大小和位置，無泄漏時(shí)，聲波傳感器獲得的是背景噪聲信號(hào)，有泄漏時(shí)，可探測(cè)到低頻泄漏聲信號(hào)，如采用兩個(gè)以上的傳感器，通過相關(guān)分析即可對(duì)泄漏源進(jìn)行定位，其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)速度快，成本低，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，缺點(diǎn)是檢測(cè)距離短。

（2）基于模型的方法。建立管道的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模型，利用模型對(duì)管道系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行在線估算，將估算結(jié)果按照特定的算法處理來進(jìn)行泄漏故障診斷，這就是基于模型的方法的基本思想。這類方法首先需要建立管道的模型，根據(jù)建立模型的方法，可分為狀態(tài)估計(jì)法、系統(tǒng)辨識(shí)法、實(shí)時(shí)模型法等。

①基于狀態(tài)估計(jì)的方法。這類方法首先對(duì)管道內(nèi)的氣體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行機(jī)理建模，得到一個(gè)非線性的分布式參數(shù)系統(tǒng)模型，通?？梢允褂貌罘址ɑ蛱卣骶€法將其線性化;然后設(shè)計(jì)狀態(tài)估計(jì)器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，估計(jì)器可以是觀測(cè)器或Kalman濾波器。根據(jù)建立的模型的特征，又可分為不包含故障的模型法和包含故障的模型法。不包含故障的模型法首先建立管道模型并設(shè)計(jì)估計(jì)器，模型中不含有泄漏的信息;當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)模型估計(jì)值會(huì)和實(shí)際測(cè)最值產(chǎn)生偏差，用偏差信號(hào)來進(jìn)行檢測(cè)定位。包含故障的模型法建立的管道模型預(yù)先假定管道有幾處指定的位置發(fā)生了泄漏，通過狀態(tài)估計(jì)得到這幾個(gè)預(yù)先假定的泄漏點(diǎn)的泄漏量估計(jì)值，運(yùn)用適當(dāng)?shù)乃惴ū憧蛇M(jìn)行泄漏檢測(cè)與定位[7]。

②基于系統(tǒng)辨識(shí)的方法。其基本原理是描述系統(tǒng)工作過程的數(shù)學(xué)模型反映了決定系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律的物理定理，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型中的各種方程的系數(shù)實(shí)際上就是許多物理參數(shù)的函數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，描述系統(tǒng)工作過程的物理規(guī)律就會(huì)發(fā)生變化。在通常情況下，這些變化表現(xiàn)在物理參數(shù)的變化上，物理參數(shù)的變化引起數(shù)學(xué)模型方程中的系數(shù)的改變，從而影響系統(tǒng)的輸出。因此，由系統(tǒng)輸人輸出數(shù)據(jù)對(duì)模型方程系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識(shí)，再由辨識(shí)得到的方程系數(shù)求解出各物理參數(shù)的真實(shí)值，通過對(duì)物理參數(shù)的異常狀況的檢驗(yàn)，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障狀況的檢測(cè)與診斷。該法需在管道上施加M序列激勵(lì)信號(hào)，并假設(shè)兩站的壓力不受泄漏量的影響，也僅適于小泄漏量情形。

③實(shí)時(shí)模型法。即利用流體的質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程等建立管內(nèi)流體動(dòng)態(tài)模型，此模型與實(shí)際管道同步執(zhí)行，定時(shí)采集管道上的一組實(shí)際值，如管道首末端的壓力和流量，運(yùn)用這些測(cè)量值，由模型觀測(cè)管道中流體的壓力和流量值，然后將這些觀測(cè)值與實(shí)測(cè)值作比較來檢漏，若二者不一致，則說明管道發(fā)生泄漏。泄漏檢測(cè)和定位分三步，首先根據(jù)管道人口端的壓力傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算管道各處壓力;然后根據(jù)管道出口端的壓力傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算管道各處壓力;再將計(jì)算出的兩條管道壓力曲線進(jìn)行比較，其交點(diǎn)即為漏點(diǎn)位置。

（3）基于知識(shí)的方法。主要有模式識(shí)別法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、統(tǒng)計(jì)決策法等。

①模式識(shí)別法。結(jié)構(gòu)模式識(shí)別是依據(jù)一定的句法規(guī)則剖析模式的結(jié)構(gòu)，確定模式的性質(zhì)?？梢酝ㄟ^試驗(yàn)為管道運(yùn)行的各種狀態(tài)（包括穩(wěn)態(tài)、調(diào)泵、調(diào)閥、泄漏等）建立模式庫(kù)，通過對(duì)輸人的模式進(jìn)行匹配，就可以判斷管道運(yùn)行狀態(tài)。為了簡(jiǎn)化模式識(shí)別的過程，必須消除信號(hào)模式中的冗余信息和干擾信息，目前采用較多的方法有小波算法、微分算法、分段積分算法等。

②基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)管道泄漏的方法。能夠運(yùn)用自適應(yīng)能力學(xué)習(xí)管道的各種工況，對(duì)管道運(yùn)行狀況進(jìn)行分類識(shí)別，采用基于LABVIEW等虛擬儀器技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，是一種基于經(jīng)驗(yàn)的類似人類的認(rèn)知過程的方法，但此方法需要大最的實(shí)際歷史數(shù)據(jù)。

③統(tǒng)計(jì)決策法是殼牌公司開發(fā)的一種具有圖形識(shí)別功能的新型管道檢漏方法。根據(jù)實(shí)測(cè)的管道進(jìn)出口的流量和壓力，使用序貫概率比檢測(cè)（SPRT）的方法分析側(cè)量值，連續(xù)計(jì)算發(fā)生泄偏的概率，并利用最小二乘法進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位。該方法不需建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算量較小，能較好地解決實(shí)時(shí)模型法的誤報(bào)。另外，還具有在線學(xué)習(xí)能力，可以適應(yīng)管道參數(shù)的變化。但該方法要求檢測(cè)儀器精確或能夠修正測(cè)量數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

泄漏是燃?xì)夤艿腊踩斔偷闹饕[患，如何預(yù)防泄漏事故的發(fā)生，保證全線安全穩(wěn)定運(yùn)行是一個(gè)綜合性課題。管道泄漏檢測(cè)是多領(lǐng)域、跨學(xué)科的課題，涉及到流體力學(xué)、傳感技術(shù)、微弱信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理等多個(gè)學(xué)科，世界上對(duì)管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究已經(jīng)有幾十年的歷史，但由于管道運(yùn)行過程的復(fù)雜因素，使得至今沒有一種權(quán)威通用并且簡(jiǎn)單可靠的泄漏監(jiān)測(cè)辦法。當(dāng)泄漏過程緩慢時(shí)，無論是泄漏信號(hào)的提取還是泄漏點(diǎn)的定位，都是人們致力于研究解決的問題[8]。同時(shí)，要保證燃?xì)夤艿赖陌踩\(yùn)行不僅需要選擇經(jīng)濟(jì)合適的泄漏檢測(cè)方法，還需要從管道設(shè)計(jì)、工程施工和日常運(yùn)行管理等多方面加以重視，以最大程度地減小泄漏事故的發(fā)生。

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Detection Technique and Methods of Fuel Gas Pipe Leakage

ZHANG Kai
（Shenyang Paraffin Wax Chemical Co.，Ltd.，Liaoning Shenyang 110141，China）

Fuel gas pipe leakage is a major threat for fuel gas transfer safety.In this paper，main detection methods of fuel gas pipe leakage at home and abroad were introduced.Based on leakage detection principle，current detection methods were summed up，and their advantages and disadvantages were discussed as well as application conditions for various methods.

Fuel gas；Pipe；Leakage test；Direct method；Indirect method

TE 863

A

1671-0460（2010）03-0275-03

2010-01-29

張 凱（1977-），男，遼寧沈陽(yáng)人，工程師，1999年畢業(yè)于遼寧工學(xué)院化工設(shè)備與機(jī)械專業(yè)，目前從事企業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理工作，已公開發(fā)表論文1篇。電話：024-25390067，E-mail：sypc-zk@163.com。