管道運(yùn)輸作為五大重要的運(yùn)輸方式之一,具有運(yùn)輸量大、運(yùn)輸距離長(zhǎng)、可持續(xù)運(yùn)輸、不受地域與氣候條件的影響、成本低等優(yōu)點(diǎn),在油氣輸運(yùn)、供水供熱等多行業(yè)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位[1-2]。為滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中對(duì)油氣資源的需求,各國(guó)均在不斷擴(kuò)大對(duì)于油氣管道的建設(shè)投入。油氣管道工程規(guī)模和里程都在不斷增加,據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2021年底,全球在役管道總里程約202×104km,其中天然氣管道占67%。2022年中國(guó)新建成油氣管道里程約4 668 km,油氣管道總里程累計(jì)達(dá)到15.5×104km。

然而,由敷設(shè)年限長(zhǎng)導(dǎo)致的管道破損老化、開裂、腐蝕,地質(zhì)條件發(fā)生變化,以及第三方施工破壞等原因,管道泄漏事故頻繁發(fā)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[3-6]。另外,管道周圍環(huán)境、流動(dòng)介質(zhì)、泄漏發(fā)生的情況不同,導(dǎo)致目前尚未有檢測(cè)方便、適合不同場(chǎng)景工況下的泄漏檢測(cè)方法。因此,開展針對(duì)管道泄漏檢測(cè)與定位技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

利用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)能夠從宏觀角度直觀分析目前“管道泄漏檢測(cè)”研究方向的文獻(xiàn)信息,可為相關(guān)研究提供參考,以便讀者明晰當(dāng)前研究現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)?；谥袊?guó)知網(wǎng)、Web of Science等文獻(xiàn)資源庫(kù),以“管道泄漏”、“檢測(cè)定位”、“定位方法”等為關(guān)鍵詞檢索發(fā)表時(shí)間為1994年1月至2023年12月的文獻(xiàn),可得到近30年關(guān)于“管道泄漏檢測(cè)”的國(guó)內(nèi)外發(fā)文情況與研究現(xiàn)狀。關(guān)于管道泄漏檢測(cè)以不同關(guān)鍵詞發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量如圖1所示,可見(jiàn),以“管道泄漏”、“定位方法”、“泄漏檢測(cè)”關(guān)鍵詞使用頻次高,以“天然氣管道”、“輸油管道”、“輸氣管道”、“供水管道”均有采用。

圖 1關(guān)于管道泄漏檢測(cè)以不同關(guān)鍵詞發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量

圖2所示為依據(jù)年份的“管道泄漏檢測(cè)研究”相關(guān)論文發(fā)表量,可見(jiàn),2000—2010年間論文發(fā)表量呈指數(shù)上升,與國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、油氣能量利用以及基礎(chǔ)建設(shè)有緊密相關(guān)。與此同時(shí),2012—2018年間論文發(fā)表量也有一定程度的增長(zhǎng)。整體來(lái)看,近10年此類論文熱度持續(xù)呈上升趨勢(shì)。

圖 2關(guān)于管道泄漏檢測(cè)不同年份的發(fā)文量

通過(guò)VOSviewer軟件繪制管道泄漏檢測(cè)技術(shù)關(guān)鍵詞的氣泡云圖,其結(jié)果如圖3所示。氣泡的大小代表對(duì)應(yīng)關(guān)鍵詞使用頻率及關(guān)注熱度,氣泡之間的連接線代表關(guān)鍵詞之間的連接關(guān)系。由此可見(jiàn),研究使用最多的關(guān)鍵詞為“泄漏檢測(cè)”、“管道泄漏”?；诼暡ǚ?、小波變換、漏點(diǎn)定位、分布式光纖傳感器等方法的研究居多,相關(guān)分析法是針對(duì)聲波的傳播速度與到達(dá)時(shí)間差兩方面的估計(jì)來(lái)定位泄漏點(diǎn),因此與其關(guān)聯(lián)密切的關(guān)鍵詞是漏點(diǎn)定位。

圖 3基于VOSviewer的管道泄漏檢測(cè)技術(shù)關(guān)鍵詞氣泡云圖

根據(jù)管道泄漏信號(hào)的獲取方法與信號(hào)處理方式的不同,可分為基于硬件與軟件的檢測(cè)方法。其中,基于硬件的檢測(cè)方法主要包括光學(xué)法、聲學(xué)法、光纖光纜法等；基于軟件的檢測(cè)方法包括體積質(zhì)量平衡法、實(shí)時(shí)瞬變模型法、神經(jīng)網(wǎng)格法等。不同的管道泄漏檢測(cè)方法根據(jù)設(shè)備成本、算法準(zhǔn)確性、操作方便性等方面的不同,具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。據(jù)了解,目前現(xiàn)場(chǎng)管道泄漏檢測(cè)主要采用以硬件設(shè)備檢測(cè)采集數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)算法進(jìn)行分析,以及人工實(shí)施判斷相結(jié)合的方法。管道泄漏檢測(cè)方法分類如圖4所示。

圖 4管道泄漏檢測(cè)方法分類

1. 基于硬件的檢測(cè)方法

1.1 光學(xué)方法

1.1.1 激光雷達(dá)系統(tǒng)

激光雷達(dá)系統(tǒng)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(guò)激光設(shè)定功率與回聲功率來(lái)分析確定[7]。由ITT機(jī)構(gòu)研制的ANTM GEL系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)160 km·h−1的檢測(cè)速度,Bridger Photonics公司研制的檢測(cè)設(shè)備可獲得高清三維氣體云圖,方便精準(zhǔn)地檢測(cè)泄漏[8]。由Ball Aerospace機(jī)構(gòu)研發(fā)的飛行檢測(cè)器提高了檢測(cè)設(shè)備分辨率與定位精度。

1.1.2 激光二極管吸收法

激光二極管吸收法的檢測(cè)原理與雷達(dá)系統(tǒng)的相似,可近距離手持設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)二極管激光束靠近待測(cè)泄漏管道時(shí),部分光束將被吸收,為了確定被測(cè)物體的甲烷濃度,光譜信號(hào)被探測(cè)器接收并進(jìn)行解調(diào)與分析[9]。LIANG[10]利用可調(diào)諧激光二極管吸收光譜儀（TDLAS）測(cè)量了低濃度下氫氣的泄漏情況。

1.1.3 毫米波雷達(dá)檢測(cè)

毫米波雷達(dá)檢測(cè)是一種利用30~300 GHz頻段的毫米波進(jìn)行無(wú)線電波探測(cè)的雷達(dá)技術(shù)。相較于傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù),毫米波雷達(dá)具有更高的分辨率和更強(qiáng)的穿透力,可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行更為精確地探測(cè)和識(shí)別。由于甲烷密度比空氣密度要小,故毫米級(jí)雷達(dá)系統(tǒng)可利用甲烷/空氣密度差進(jìn)行甲烷泄漏的檢測(cè)[11]。Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)應(yīng)用的毫米波雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)包括高分辨率攝像機(jī)、攝影跟蹤儀、識(shí)別系統(tǒng)和毫米波檢測(cè)器等。

1.1.4 熱成像法

熱成像法是利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡,接收被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形,并反映在紅外探測(cè)器的光敏元件上從而獲得紅外熱像圖,可用于檢測(cè)管線上的介質(zhì)熱輻射變化[12]。當(dāng)介質(zhì)流體發(fā)生泄漏進(jìn)而出現(xiàn)噴射時(shí),流體會(huì)引起周圍土壤溫度變化。因此,該方法可借助移動(dòng)交通工具,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離管線泄漏檢測(cè)[13]。目前,具有代表性的熱成像設(shè)備包括美國(guó)GasFindIR系列、Bertin技術(shù)公司研制的氣體視覺(jué)成像儀[14]。

1.1.5 成像光譜法

成像光譜法是一種應(yīng)用于光譜分析的成像技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的光譜分析技術(shù)主要關(guān)注光的頻率或波長(zhǎng)分布,成像光譜法可以同時(shí)提供光譜信息和空間位置信息,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體或樣品的成像分析。根據(jù)光譜波段數(shù)的不同,光譜成像技術(shù)可分成多波段成像技術(shù)與高光譜成像技術(shù),也分為吸收模式和放射模式。多波長(zhǎng)放射技術(shù)認(rèn)為泄漏氣體溫度比周圍空氣的溫度要高,多波長(zhǎng)吸收技術(shù)利用背景輻射可直接用于天然氣濃度測(cè)量。目前,具有代表性的磁共振成像系統(tǒng)（AIRIS）應(yīng)用包括美國(guó)PSI公司、加拿大可攜帶式成像放射性光譜儀（FIRST）[14]。

1.2 聲學(xué)法

1.2.1 聲波法

聲波法是利用聲波在不同介質(zhì)中傳播速度不同的特性,通過(guò)檢測(cè)管內(nèi)介質(zhì)泄漏傳播產(chǎn)生的聲波信號(hào),用于泄漏分析與泄漏點(diǎn)定位,此方法的關(guān)鍵是聲波傳播速度的準(zhǔn)確性[15]。此外,對(duì)于聲波檢測(cè)信號(hào),如何選擇有效的濾波降噪方法,是該方法的研究重點(diǎn)。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(cè)比油管泄漏的檢測(cè)精度高[16]。

1.2.2 聲發(fā)射法

聲發(fā)射技術(shù)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、非接觸檢測(cè)、定位精度高等優(yōu)勢(shì)[17-18],被廣泛應(yīng)用于管網(wǎng)系統(tǒng)泄漏的定位。聲發(fā)射是指材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。流體噪聲和結(jié)構(gòu)變形聲發(fā)射是聲發(fā)射泄漏檢測(cè)的主要影響因素。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí),泄漏點(diǎn)產(chǎn)生的噪聲通過(guò)傳播被聲音傳感器所捕獲放大[18-19],再通過(guò)信號(hào)算法將噪聲轉(zhuǎn)化為全波形式來(lái)定位泄漏源。此技術(shù)適合于低流速與低壓管道泄漏檢測(cè)。泄漏信號(hào)的時(shí)差定位技術(shù)是聲發(fā)射泄漏檢測(cè)技術(shù)研究的熱點(diǎn),可以較為準(zhǔn)確地確定泄漏源位置。然而,仍有以下兩個(gè)問(wèn)題需要深入研究[20]：管道泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射應(yīng)力在傳播過(guò)程中存在頻散現(xiàn)象；管網(wǎng)泄漏檢測(cè)成本與精度之間的矛盾。

1.2.3 超聲波法

當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí),氣體通過(guò)泄漏孔產(chǎn)生渦流,且超聲波在交界面處發(fā)生反射,導(dǎo)致波形發(fā)生轉(zhuǎn)換與交互干擾[21],而通過(guò)超聲波檢測(cè)儀能夠識(shí)別超聲波,并用于泄漏分析。根據(jù)管道超聲波檢測(cè)儀器的不同,可分為模擬單波與多模式導(dǎo)波法。此方法可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、響應(yīng)快速,并具有高靈敏度[22],可用于長(zhǎng)距離油氣管線,節(jié)約檢測(cè)時(shí)間、縮短工作強(qiáng)度,并且能夠檢測(cè)管道截面缺陷[23]。當(dāng)管道發(fā)生泄漏,管內(nèi)流體受到干擾從而接收壓力傳感器發(fā)生明顯變化時(shí),可通過(guò)檢測(cè)泄漏點(diǎn)與壓力變化的關(guān)系,來(lái)確定泄漏點(diǎn)位置。

1.2.4 聲吶法

聲吶技術(shù)利用自身裝置向水中發(fā)射聲波,通過(guò)接收反射回波來(lái)確定泄漏點(diǎn),距離可通過(guò)發(fā)射脈沖和回波到達(dá)的時(shí)間差進(jìn)行測(cè)算,經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)專業(yè)聲吶軟件處理后可形成管道的截面圖,并以此準(zhǔn)確判斷管徑和泄漏點(diǎn)等管道情況[15]。聲吶可采用快速、高帶寬超聲脈沖對(duì)水中遇到的障礙物進(jìn)行回聲檢測(cè)。一旦發(fā)生管道泄漏,系統(tǒng)將自動(dòng)產(chǎn)生視覺(jué)/聽覺(jué)警報(bào),并可通過(guò)監(jiān)測(cè)儀顯示泄漏狀況與位置[13]。

1.3 分布式光纖檢測(cè)法

分布式光纖檢測(cè)法以光纖為傳感敏感元件和傳輸信號(hào)介質(zhì),對(duì)沿線管道的溫度變化進(jìn)行檢測(cè)。管道發(fā)生泄漏時(shí)會(huì)引起管壁與周圍土壤的振動(dòng)、介質(zhì)與溫度的變化。當(dāng)纖維管貼于管線上,物理參數(shù)的變化將導(dǎo)致光學(xué)纖維發(fā)生溫度與應(yīng)力的變化。因此,分布式光學(xué)纖維可用于檢測(cè)應(yīng)力與溫度的異?，F(xiàn)象,從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管線泄漏情況。光纖傳感器具有防腐蝕、重量輕體積小、每個(gè)感應(yīng)點(diǎn)均無(wú)需電能、免疫電磁干擾、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)[24]。如何進(jìn)一步提高光纖測(cè)溫技術(shù)的檢測(cè)精度、降低成本、實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離大范圍的管道泄漏檢測(cè)是光纖測(cè)溫系統(tǒng)在未來(lái)發(fā)展中面臨的挑戰(zhàn)。

1.4 動(dòng)態(tài)壓力變送法

動(dòng)態(tài)壓力變送法是通過(guò)動(dòng)態(tài)壓力變送器獲取管道的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào),提取信號(hào)的特征向量,來(lái)實(shí)現(xiàn)管道泄漏識(shí)別的,并采用相關(guān)時(shí)延估計(jì)算法獲得管道泄漏點(diǎn)位置。動(dòng)態(tài)壓力傳感器易于安裝、維護(hù),具有較高檢測(cè)靈敏度與分辨率。通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)放大倍率,由泄漏引起的壓力變化可被敏感地捕捉。ZHANG[25]利用動(dòng)態(tài)壓力傳感器,提出了一種泄漏判別的波包熵法,用于長(zhǎng)距離油氣管道泄漏檢測(cè)。

1.5 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)法（GPR）常用于地下設(shè)施與油氣工廠管道泄漏的檢測(cè),地面穿透雷達(dá)也可用于油氣管道泄漏檢測(cè)。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí),覆蓋管道的土壤的透氣率、飽和濕度等參數(shù)將發(fā)生變化[26]。地面穿透雷達(dá)對(duì)土壤濕度敏感,故可用來(lái)檢測(cè)泄漏源。當(dāng)采用GPR檢測(cè)法時(shí),目標(biāo)必須具有一定容積,所以其適合于大管徑管道的檢測(cè)。另外,當(dāng)利用地面穿透雷達(dá)檢測(cè)管道時(shí),管道周圍的地質(zhì)特性對(duì)于檢測(cè)的準(zhǔn)確程度具有重要影響。突變的地質(zhì)特性會(huì)對(duì)圖像的形成有較大影響,這是其應(yīng)用中的難點(diǎn)[16]。

1.6 智能小球法

智能球是安裝有聲音傳感器的專門用來(lái)檢測(cè)泄漏點(diǎn)的球體,包括聲波檢測(cè)器、加速度儀、磁力計(jì)、超聲波傳感器、溫度傳感器等,可在油氣管道及水管內(nèi)隨介質(zhì)向前移動(dòng),并在行進(jìn)過(guò)程中記錄所有因?yàn)樾孤┒l(fā)出的聲音異常,可用于管道泄漏定位與泄漏點(diǎn)大小評(píng)估的綜合性檢測(cè)[27]。為了適用于長(zhǎng)距離檢測(cè),Pure Technologies公司開發(fā)了智能小球分析軟件以及蓄電和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能,該設(shè)備作業(yè)可達(dá)110 h,并具有16 GB、32 GB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。

1.7 超聲流量計(jì)法

超聲流量計(jì)在增加流量信號(hào)后,可以利用瞬時(shí)流量的對(duì)比區(qū)分管道泄漏與管道正常工況的變化。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí),管道上游端瞬時(shí)流量上升、壓力下降,管道泄漏端瞬時(shí)流量下降、壓力下降。超聲流量計(jì)由流量表、溫度計(jì)和數(shù)據(jù)處理單元組成,可分別用于體積流量、流體與環(huán)境溫度、聲速的測(cè)量。所有的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)度分析中心處理分析后,可用于計(jì)算流量平衡分析。越大的泄漏需要越短的積分時(shí)間,反之亦然[28]。

2. 基于軟件的檢測(cè)方法

2.1 信號(hào)處理方法

2.1.1 體積/質(zhì)量平衡法

根據(jù)質(zhì)量守恒平衡定律,當(dāng)管內(nèi)未發(fā)生泄漏時(shí),管道進(jìn)口流體的質(zhì)量流量應(yīng)等于管道出口的質(zhì)量流量。一旦發(fā)生泄漏,且泄漏達(dá)到一定量時(shí),進(jìn)出口流量將產(chǎn)生較大差異。因此,在管道多點(diǎn)處檢測(cè)進(jìn)出口流量,或檢測(cè)管道末端面泵站,從而依據(jù)檢測(cè)信號(hào)可匯總形成質(zhì)量平衡圖。通過(guò)質(zhì)量平衡圖可確定泄漏程度和泄漏位置[29-30]。為了提高油氣管道泄漏檢測(cè)的精度和靈敏度,技術(shù)人員常利用動(dòng)態(tài)體積/質(zhì)量平衡法。管道中的流體物質(zhì)沿管道運(yùn)行時(shí)其溫度、壓力、密度、黏度可能發(fā)生變化,需要根據(jù)具體情況進(jìn)行修正,故該方法較為復(fù)雜,計(jì)算量大[30]。

2.1.2 負(fù)壓波法

當(dāng)管道某處突然發(fā)生泄漏時(shí),泄漏點(diǎn)處將產(chǎn)生瞬時(shí)壓降,從而產(chǎn)生負(fù)壓波。采用負(fù)壓波法檢測(cè)時(shí),布置于管道兩端的傳感器通過(guò)計(jì)算壓力信號(hào)和時(shí)間差的變化,確定檢測(cè)泄漏點(diǎn)位置。小波變換技術(shù)可用于去除瞬態(tài)負(fù)壓波信號(hào),兩終端的檢測(cè)信號(hào)特征將被捕捉,從而提高了檢測(cè)精度。

基于負(fù)壓波檢測(cè)技術(shù),有以下兩種定位方法：快速捕捉波形特征點(diǎn)差分算法和確定相差函數(shù)最大峰值法。兩種方法的結(jié)合可提高泄漏檢測(cè)精度[31]。WANG[32]利用多種壓力傳感器獲取了負(fù)壓波信號(hào),通過(guò)記錄泵站中兩組負(fù)壓波序列,來(lái)確定負(fù)壓波的產(chǎn)生原因,可有效減少誤報(bào)率和提高定位精度。ZHANG[33]提出了一種實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型與負(fù)壓波組合的技術(shù),試驗(yàn)證明該技術(shù)可有效地從正常工況中辨別出泄漏工況。

2.1.3 互相關(guān)分析法

油氣管道壁面均為彈性體,當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí),流體引起的壓力噴射將導(dǎo)致彈性波沿著管壁傳播,故在管道兩端可檢測(cè)到彈性波,然后通過(guò)互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行泄漏分析。相關(guān)延遲技術(shù)可用于確定是否發(fā)生泄漏,根據(jù)最大延遲時(shí)間和管道聲波傳播速度,計(jì)算出泄漏點(diǎn)距兩測(cè)量點(diǎn)的長(zhǎng)度[34]?；ハ嚓P(guān)分析的關(guān)鍵之處在于得到由泄漏與管道振動(dòng)引起的聲波。此外,壓電陶瓷加速度傳感器可拓展檢測(cè)范圍,通過(guò)廣義互相關(guān)技術(shù)與多譜信號(hào)分析可提高信噪比和檢測(cè)精度[28]。

2.2 實(shí)時(shí)模型方法

2.2.1 狀態(tài)評(píng)估法

狀態(tài)評(píng)估法主要適合于管道小流量泄漏檢測(cè)與定位[35]?；谫|(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒定律和流體狀態(tài)方程,可以得到非線性分布參數(shù)模型,再通過(guò)差分法進(jìn)行線性處理。狀態(tài)評(píng)估器可用于評(píng)估系統(tǒng)狀態(tài)和泄漏量[23]。

2.2.2 系統(tǒng)分辨法

系統(tǒng)分辨法通過(guò)ARMA模型與管道結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行非線性構(gòu)建,計(jì)算得到預(yù)測(cè)值與管道實(shí)際值并對(duì)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(cè)與滿足不同的泄漏工況檢測(cè)與定位?；诠收厦舾心Ｐ?利用互相關(guān)分析方法可實(shí)現(xiàn)泄漏檢測(cè)；基于故障自由模型,近似算法可評(píng)估泄漏定位[35]。

2.2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

在現(xiàn)實(shí)情況中導(dǎo)致管道泄漏的因素較多,且各因素之間的耦合關(guān)系復(fù)雜,建立的剛性數(shù)學(xué)模型無(wú)法求解多因素影響的泄漏工況[36]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)能力,可以模擬任何連續(xù)非線性函數(shù),通過(guò)樣本學(xué)習(xí),利用泄漏信號(hào)特征指數(shù)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入矩陣,區(qū)分管道運(yùn)行狀況的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可檢測(cè)泄漏[37]。適應(yīng)性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以在線學(xué)習(xí)故障,無(wú)需從實(shí)現(xiàn)泄漏的訓(xùn)練數(shù)據(jù)中進(jìn)行學(xué)習(xí),可適應(yīng)于動(dòng)態(tài)背景噪聲環(huán)境,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的不足[38]。

2.2.4 諧波分析法

諧波分析法可用于泄漏檢測(cè)瞬時(shí)流量的計(jì)算,壓力瞬時(shí)流量的控制方程可通過(guò)脈沖響應(yīng)進(jìn)行求解；并可推導(dǎo)在管道任意位置的瞬時(shí)壓力響應(yīng)函數(shù)表達(dá)式,管道終端瞬時(shí)壓力分析表達(dá)式。通過(guò)瞬時(shí)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(zhuǎn)換函數(shù)曲線,其能用于檢測(cè)長(zhǎng)距離管道的泄漏[39-40]。

3. 管道泄漏檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

管道泄漏檢測(cè)除了技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范也尤為重要。國(guó)內(nèi)外管道泄漏檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示,通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研,現(xiàn)有的通用標(biāo)準(zhǔn)共16項(xiàng)。根據(jù)功能可將標(biāo)準(zhǔn)分為：工作流程（用于檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的準(zhǔn)備與運(yùn)行指導(dǎo)）、技術(shù)說(shuō)明（介紹相關(guān)技術(shù)規(guī)則）與管理規(guī)定。根據(jù)油氣水管道泄漏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),可以看到,自2015年之后油氣管道泄漏的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)明顯增加,大部分標(biāo)準(zhǔn)由API（美國(guó)石油協(xié)會(huì)）和ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）發(fā)布。

4. 管道安全評(píng)估

1980年開始,美國(guó)風(fēng)險(xiǎn)分析協(xié)會(huì)針對(duì)輸送管道進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究。與此同時(shí),國(guó)際管道研究委員會(huì)開始研究歐美部分國(guó)家的供熱管道事故,對(duì)歷史事故數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并歸納管道失效的主要原因。1985年,Battelle Columbus研究院首次在管道安全風(fēng)險(xiǎn)分析中引入評(píng)分法進(jìn)行評(píng)價(jià)。此后,《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》中介紹的管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的專家評(píng)分模型及評(píng)估方法被廣泛接受[41]。20世紀(jì)90年代初,管道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論不斷發(fā)展,并拓展了管道數(shù)據(jù)庫(kù)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估教育等課題。另外,英國(guó)健康與安全委員會(huì)研制的MISHAP與TRANSPIPE軟件包,也應(yīng)用于計(jì)算管線的失效風(fēng)險(xiǎn)與評(píng)估某地區(qū)的個(gè)體及公共風(fēng)險(xiǎn)。

我國(guó)針對(duì)管道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究工作也日益充實(shí),2000年西南石油學(xué)院和中國(guó)石油西南分公司聯(lián)合研發(fā)的“輸氣管線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件”,在實(shí)際管線上成功進(jìn)行了全線風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估,標(biāo)志著目前國(guó)際上通用的評(píng)分法已經(jīng)在我國(guó)現(xiàn)役長(zhǎng)輸管線上達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平[42]。由于國(guó)外輸送管道、介質(zhì)和我國(guó)的有較大差別,我國(guó)輸送管道安全風(fēng)險(xiǎn)管理并不與國(guó)外相一致,我國(guó)管道分析人員也正在向管道風(fēng)險(xiǎn)的定量化方向發(fā)展[43]。

管道安全評(píng)價(jià)方法根據(jù)用途不同,可分為定性評(píng)價(jià)法、半定量評(píng)價(jià)法與定量評(píng)價(jià)法。但每種方法都有其局限性,都不能涉及所有方面,這就需要在評(píng)價(jià)過(guò)程中,根據(jù)歷史評(píng)估經(jīng)驗(yàn),對(duì)地域和自然環(huán)境人文因素各方面的要求綜合考慮,找到影響管道安全運(yùn)行的主要因素,做到最大化的安全評(píng)價(jià)。

5. 討論與展望

選擇合適的檢測(cè)技術(shù)與檢測(cè)指標(biāo),對(duì)精準(zhǔn)、及時(shí)、低成本的管道泄漏檢測(cè)至關(guān)重要。根據(jù)不同的文件和標(biāo)準(zhǔn),管道泄漏工況及其相應(yīng)特點(diǎn)如表2所示。針對(duì)某種檢測(cè)技術(shù)的評(píng)價(jià)可歸納為適應(yīng)性、魯棒性、耐久性、靈敏性、精確度、有效性、誤報(bào)率、響應(yīng)時(shí)間、定位精度、經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)性與識(shí)別能力。管道泄漏檢測(cè)/檢測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)如表3所示。選擇檢漏方法時(shí),除了要考慮其經(jīng)濟(jì)性外,還必須對(duì)靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、檢測(cè)要求等作全面評(píng)價(jià),使所選的檢漏方法既滿足檢漏要求,又經(jīng)濟(jì)合理。各種泄漏檢測(cè)技術(shù)的對(duì)比如表4所示。

近年來(lái)管道泄漏檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)日益完善。然而,在目前來(lái)看,標(biāo)準(zhǔn)的建立仍然存在檢測(cè)技術(shù)單一、覆蓋范圍窄等問(wèn)題。隨著越來(lái)越多的管道進(jìn)入老化階段,對(duì)于管道的泄漏檢測(cè)與定位技術(shù)提出了更高要求。因此,筆者預(yù)測(cè)未來(lái)檢測(cè)技術(shù)有以下發(fā)展趨勢(shì)。

（1）從近年來(lái)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展來(lái)看,更多的檢測(cè)技術(shù)不限于使用單一方法。因此,未來(lái)泄漏檢測(cè)技術(shù)將是多領(lǐng)域、多技術(shù)的相互補(bǔ)充結(jié)合,需要結(jié)合兩種或多種檢測(cè)方法（如基于硬件的方法和軟件的組合）。

（2）隨著計(jì)算機(jī)水平的不斷提高和人工智能的不斷發(fā)展,檢測(cè)技術(shù)將更加智能化和自動(dòng)化,檢測(cè)數(shù)據(jù)可以自動(dòng)判斷和預(yù)警泄漏故障。

（3）提高小泄漏檢出率仍是泄漏檢測(cè)技術(shù)的難點(diǎn),因此提高設(shè)備的靈敏度和泄漏檢測(cè)技術(shù)的準(zhǔn)確性仍然是主流方向。

（4）分布式光纖檢測(cè)技術(shù)具有良好的應(yīng)用效果。然而,在多點(diǎn)檢測(cè)、耐環(huán)境性、提高定位精度和自動(dòng)識(shí)別等方面仍有改進(jìn)空間。

（5）管道檢測(cè)是管道安全體系的重要組成部分,應(yīng)盡快采取有效措施,制定管道檢測(cè)規(guī)范,建立完整的管道安全保證體系,并依此有計(jì)劃有步驟地對(duì)管道實(shí)施智能內(nèi)檢測(cè),保證管道安全平穩(wěn)運(yùn)行。

6. 結(jié)語(yǔ)

介紹了不同介質(zhì)管道的泄漏檢測(cè)技術(shù),可分為基于硬件與基于軟件的方法,分別介紹了各種檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)、適用場(chǎng)景及性能,同時(shí)給出了國(guó)內(nèi)外管道泄漏的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與政策。通過(guò)各技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的比較和性能評(píng)估,得到如下主要結(jié)論。

（1）每種管道泄漏識(shí)別方法均有其特點(diǎn)與適用范圍,不同的識(shí)別方法之間可進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。實(shí)際操作過(guò)程中,需要融合多種管道泄漏檢測(cè)識(shí)別與定位方法來(lái)提供管道狀況信息,從而獲得更加準(zhǔn)確的管道運(yùn)行工況。

（2）對(duì)于沿線密集排列的傳感器檢測(cè)方式,管道需要解決供電、低功耗問(wèn)題和無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸問(wèn)題。

（3）天然氣管道和石油管道泄漏檢測(cè)原理相同或相近,不同介質(zhì)輸運(yùn)管道的泄漏檢測(cè)方法在一定情況下可以通用。

文章來(lái)源——材料與測(cè)試網(wǎng)