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嘉峪檢測網 2025-03-12 15:52
管道運輸作為五大重要的運輸方式之一，具有運輸量大、運輸距離長、可持續運輸、不受地域與氣候條件的影響、成本低等優點，在油氣輸運、供水供熱等多行業領域占據主導地位。為滿足經濟發展過程中對油氣資源的需求，各國均在不斷擴大對于油氣管道的建設投入，油氣管道工程規模和里程都在不斷增加。
然而，由敷設年限長導致的管道破損老化、開裂、腐蝕，地質條件發生變化，以及第三方施工破壞等原因，管道泄漏事故頻繁發生。輸氣管道以開裂與穿孔為主，而輸油管道以穿孔泄漏形式為主。
另外，管道周圍環境、流動介質、泄漏發生的情況不同，導致目前尚未有檢測方便、適合不同場景工況下的泄漏檢測方法。因此，開展針對管道泄漏檢測與定位技術的研究具有重要的現實意義。
根據管道泄漏信號的獲取方法與信號處理方式的不同，管道泄漏檢測方法可分為基于硬件與軟件的兩大類方法，如圖1所示。其中，基于硬件的檢測方法主要包括光學法、聲學法、光纖光纜法等；基于軟件的檢測方法包括體積質量平衡法、實時瞬變模型法、神經網格法等。
圖1 管道泄漏檢測方法分類
不同的管道泄漏檢測方法根據設備成本、算法準確性、操作方便性等方面的不同，具有各自的優缺點。據了解，目前現場管道泄漏檢測主要采用以硬件設備檢測采集數據，數據算法進行分析，以及人工實施判斷相結合的方法。
1.基于硬件的檢測方法
光學方法
1.激光雷達系統
激光雷達系統基于光譜吸收原理，氣體分子可選擇性地吸收光，并且氣體濃度可通過激光設定功率與回聲功率來分析確定。
由ITT機構研制的ANTM GEL系統可實現160 km/h的檢測速度，Bridger Photonics公司研制的檢測設備可獲得高清三維氣體云圖，方便精準地檢測泄漏。由Ball Aerospace機構研發的飛行檢測器提高了檢測設備分辨率與定位精度。
2.激光二極管吸收法
激光二極管吸收法的檢測原理與雷達系統的相似，可近距離手持設備進行檢測。當二極管激光束靠近待測泄漏管道時，部分光束將被吸收，為了確定被測物體的甲烷濃度，光譜信號被探測器接收并進行解調與分析。
LIANG利用可調諧激光二極管吸收光譜儀（TDLAS）測量了低濃度下氫氣的泄漏情況。
3.毫米波雷達檢測
毫米波雷達檢測是一種利用30~300 GHz頻段的毫米波進行無線電波探測的雷達技術。相較于傳統雷達技術，毫米波雷達具有更高的分辨率和更強的穿透力，可以對目標進行更為精確地探測和識別。由于甲烷密度比空氣密度要小，故毫米級雷達系統可利用甲烷/空氣密度差進行甲烷泄漏的檢測。
Argonne國家實驗室開發應用的毫米波雷達檢測系統包括高分辨率攝像機、攝影跟蹤儀、識別系統和毫米波檢測器等。
4.熱成像法
熱成像法是利用紅外探測器和光學成像物鏡，接收被測目標的紅外輻射能量分布圖形，并反映在紅外探測器的光敏元件上從而獲得紅外熱像圖，可用于檢測管線上的介質熱輻射變化。當介質流體發生泄漏進而出現噴射時，流體會引起周圍土壤溫度變化。因此，該方法可借助移動交通工具，實現長距離管線泄漏檢測。
目前，具有代表性的熱成像設備包括美國GasFindIR系列、Bertin技術公司研制的氣體視覺成像儀。
5.成像光譜法
成像光譜法是一種應用于光譜分析的成像技術。相比于傳統的光譜分析技術主要關注光的頻率或波長分布，成像光譜法可以同時提供光譜信息和空間位置信息，從而實現對物體或樣品的成像分析。
根據光譜波段數的不同，光譜成像技術可分成多波段成像技術與高光譜成像技術，也分為吸收模式和放射模式。多波長放射技術認為泄漏氣體溫度比周圍空氣的溫度要高，多波長吸收技術利用背景輻射可直接用于天然氣濃度測量。
目前，具有代表性的磁共振成像系統（AIRIS）應用包括美國PSI公司、加拿大可攜帶式成像放射性光譜儀（FIRST）。
聲學方法
1.聲波法
聲波法是利用聲波在不同介質中傳播速度不同的特性，通過檢測管內介質泄漏傳播產生的聲波信號，用于泄漏分析與泄漏點定位，此方法的關鍵是聲波傳播速度的準確性。
此外，對于聲波檢測信號，如何選擇有效的濾波降噪方法，是該方法的研究重點。
由于以壓力波與聲波為代表的彈性波在天然氣中比在油中的傳播速度小，所以氣體管道的泄漏檢測比油管泄漏的檢測精度高。
2.聲發射法
聲發射技術具有實時性強、非接觸檢測、定位精度高等優勢，被廣泛應用于管網系統泄漏的定位。
聲發射是指材料局部因能量的快速釋放而發出瞬態彈性波的現象。流體噪聲和結構變形聲發射是聲發射泄漏檢測的主要影響因素。當管道發生泄漏時，泄漏點產生的噪聲通過傳播被聲音傳感器所捕獲放大，再通過信號算法將噪聲轉化為全波形式來定位泄漏源。
此技術適合于低流速與低壓管道泄漏檢測。泄漏信號的時差定位技術是聲發射泄漏檢測技術研究的熱點，可以較為準確地確定泄漏源位置。
然而，仍有以下兩個問題需要深入研究：管道泄漏產生的聲發射應力在傳播過程中存在頻散現象；管網泄漏檢測成本與精度之間的矛盾。
3.超聲波法
當管道發生泄漏時，氣體通過泄漏孔產生渦流，且超聲波在交界面處發生反射，導致波形發生轉換與交互干擾，而通過超聲波檢測儀能夠識別超聲波，并用于泄漏分析。
根據管道超聲波檢測儀器的不同，可分為模擬單波與多模式導波法。此方法可實時監測、響應快速，并具有高靈敏度，可用于長距離油氣管線，節約檢測時間、縮短工作強度，并且能夠檢測管道截面缺陷。
當管道發生泄漏，管內流體受到干擾從而接收壓力傳感器發生明顯變化時，可通過檢測泄漏點與壓力變化的關系，來確定泄漏點位置。
4.聲吶法
聲吶技術利用自身裝置向水中發射聲波，通過接收反射回波來確定泄漏點，距離可通過發射脈沖和回波到達的時間差進行測算，經過計算機專業聲吶軟件處理后可形成管道的截面圖，并以此準確判斷管徑和泄漏點等管道情況。
聲吶可采用快速、高帶寬超聲脈沖對水中遇到的障礙物進行回聲檢測。一旦發生管道泄漏，系統將自動產生視覺/聽覺警報，并可通過監測儀顯示泄漏狀況與位置。
分布式光纖檢測法
分布式光纖檢測法以光纖為傳感敏感元件和傳輸信號介質，對沿線管道的溫度變化進行檢測。
管道發生泄漏時會引起管壁與周圍土壤的振動、介質與溫度的變化。當纖維管貼于管線上，物理參數的變化將導致光學纖維發生溫度與應力的變化。因此，分布式光學纖維可用于檢測應力與溫度的異常現象，從而實時監測管線泄漏情況。
光纖傳感器具有防腐蝕、重量輕體積小、每個感應點均無需電能、免疫電磁干擾、靈敏度高等優勢。如何進一步提高光纖測溫技術的檢測精度、降低成本、實現長距離大范圍的管道泄漏檢測是光纖測溫系統在未來發展中面臨的挑戰。
動態壓力變送法
動態壓力變送法是通過動態壓力變送器獲取管道的動態壓力信號，提取信號的特征向量，來實現管道泄漏識別的，并采用相關時延估計算法獲得管道泄漏點位置。
動態壓力傳感器易于安裝、維護，具有較高檢測靈敏度與分辨率。通過調節信號放大倍率，由泄漏引起的壓力變化可被敏感地捕捉。
ZHANG利用動態壓力傳感器，提出了一種泄漏判別的波包熵法，用于長距離油氣管道泄漏檢測。
探地雷達法
探地雷達法（GPR）常用于地下設施與油氣工廠管道泄漏的檢測，地面穿透雷達也可用于油氣管道泄漏檢測。
當管道發生泄漏時，覆蓋管道的土壤的透氣率、飽和濕度等參數將發生變化。地面穿透雷達對土壤濕度敏感，故可用來檢測泄漏源。當采用GPR檢測法時，目標必須具有一定容積，所以其適合于大管徑管道的檢測。
另外，當利用地面穿透雷達檢測管道時，管道周圍的地質特性對于檢測的準確程度具有重要影響。突變的地質特性會對圖像的形成有較大影響，這是其應用中的難點。
智能小球法
智能球是安裝有聲音傳感器的專門用來檢測泄漏點的球體，包括聲波檢測器、加速度儀、磁力計、超聲波傳感器、溫度傳感器等，可在油氣管道及水管內隨介質向前移動，并在行進過程中記錄所有因為泄漏而發出的聲音異常，可用于管道泄漏定位與泄漏點大小評估的綜合性檢測。
為了適用于長距離檢測，Pure Technologies公司開發了智能小球分析軟件以及蓄電和數據儲存功能，該設備作業可達110小時，并具有16 GB和32 GB的數據存儲能力。
超聲流量計法
超聲流量計在增加流量信號后，可以利用瞬時流量的對比區分管道泄漏與管道正常工況的變化。當管道發生泄漏時，管道上游端瞬時流量上升、壓力下降，管道泄漏端瞬時流量下降、壓力下降。
超聲流量計由流量表、溫度計和數據處理單元組成，可分別用于體積流量、流體與環境溫度、聲速的測量。所有的測量數據通過調度分析中心處理分析后，可用于計算流量平衡分析。越大的泄漏需要越短的積分時間，反之亦然。
2.基于軟件的檢測方法
信號處理方法
No.1 體積/質量平衡法
根據質量守恒平衡定律，當管內未發生泄漏時，管道進口流體的質量流量應等于管道出口的質量流量。一旦發生泄漏，且泄漏達到一定量時，進出口流量將產生較大差異。因此，在管道多點處檢測進出口流量，或檢測管道末端面泵站，從而依據檢測信號可匯總形成質量平衡圖。通過質量平衡圖可確定泄漏程度和泄漏位置。
為了提高油氣管道泄漏檢測的精度和靈敏度，技術人員常利用動態體積/質量平衡法。管道中的流體物質沿管道運行時，其溫度、壓力、密度、黏度可能發生變化，需要根據具體情況進行修正，故該方法較為復雜，計算量大。
No.2 負壓波法
當管道某處突然發生泄漏時，泄漏點處將產生瞬時壓降，從而產生負壓波。采用負壓波法檢測時，布置于管道兩端的傳感器通過計算壓力信號和時間差的變化，確定檢測泄漏點位置。
小波變換技術可用于去除瞬態負壓波信號，兩終端的檢測信號特征將被捕捉，從而提高了檢測精度。
基于負壓波檢測技術，有以下兩種定位方法：快速捕捉波形特征點差分算法和確定相差函數最大峰值法。兩種方法的結合可提高泄漏檢測精度。
WANG利用多種壓力傳感器獲取了負壓波信號，通過記錄泵站中兩組負壓波序列，來確定負壓波的產生原因，可有效減少誤報率和提高定位精度。
ZHANG提出了一種實時瞬態模型與負壓波組合的技術，試驗證明該技術可有效地從正常工況中辨別出泄漏工況。
No.3 互相關分析法
油氣管道壁面均為彈性體，當發生泄漏時，流體引起的壓力噴射將導致彈性波沿著管壁傳播，故在管道兩端可檢測到彈性波，然后通過互相關函數進行泄漏分析。
相關延遲技術可用于確定是否發生泄漏，根據最大延遲時間和管道聲波傳播速度，計算出泄漏點距兩測量點的長度。互相關分析的關鍵之處在于得到由泄漏與管道振動引起的聲波。
此外，壓電陶瓷加速度傳感器可拓展檢測范圍，通過廣義互相關技術與多譜信號分析可提高信噪比和檢測精度。
實時模型方法
No.1 狀態評估法
狀態評估法主要適合于管道小流量泄漏檢測與定位。基于質量、動量、能量守恒定律和流體狀態方程，可以得到非線性分布參數模型，再通過差分法進行線性處理。狀態評估器可用于評估系統狀態和泄漏量。
No.2 系統分辨法
系統分辨法通過ARMA模型與管道結構模型進行非線性構建，計算得到預測值與管道實際值并對比以判斷泄漏。建立管道故障敏感模型與故障自由模型，用于檢測與滿足不同的泄漏工況檢測與定位。
基于故障敏感模型，利用互相關分析方法可實現泄漏檢測；基于故障自由模型，近似算法可評估泄漏定位。
No.3 神經網絡算法
在現實情況中導致管道泄漏的因素較多，且各因素之間的耦合關系復雜，建立的剛性數學模型無法求解多因素影響的泄漏工況。
神經網絡具有良好的學習能力和自適應能力，可以模擬任何連續非線性函數，通過樣本學習，利用泄漏信號特征指數構建神經網絡輸入矩陣，區分管道運行狀況的神經網絡模型可檢測泄漏。
適應性的神經網絡算法可以在線學習故障，無需從實現泄漏的訓練數據中進行學習，可適應于動態背景噪聲環境，彌補了傳統神經網絡算法的不足。
No.4 諧波分析法
諧波分析法可用于泄漏檢測瞬時流量的計算，壓力瞬時流量的控制方程可通過脈沖響應進行求解；并可推導在管道任意位置的瞬時壓力響應函數表達式，管道終端瞬時壓力分析表達式。
通過瞬時壓力值的分析，可比較和分析管道泄漏和不同位置泄漏的轉換函數曲線，其能用于檢測長距離管道的泄漏。
3.檢測技術對比分析
選擇合適的檢測技術與檢測指標，對精準、及時、低成本的管道泄漏檢測至關重要。選擇檢漏方法時，除了要考慮其經濟性外，還必須對靈敏度、響應時間、檢測要求等作全面評價，使所選的檢漏方法既滿足檢漏要求，又經濟合理。各種泄漏檢測技術的對比如下：
結語
1.每種管道泄漏識別方法均有其特點與適用范圍，不同的識別方法之間可進行優勢互補。實際操作過程中，需要融合多種管道泄漏檢測識別與定位方法來提供管道狀況信息，從而獲得更加準確的管道運行工況。
2.對于沿線密集排列的傳感器檢測方式，管道需要解決供電、低功耗問題和無線遠程傳輸問題。
3.天然氣管道和石油管道泄漏檢測原理相同或相近，不同介質輸運管道的泄漏檢測方法在一定情況下可以通用。
作者：白燁，張云鵬，彭爍，周學鵬，蔡浩飛（中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司）
張威（北京建筑大學 環境與能源工程學院）
第一作者簡介：白燁，博士，工程師，主要從事智慧供熱、管網漏損檢測等方面的研究工作。
來源：節選自《無損檢測》2025年2期
來源：無損檢測NDT
