长输油管道泄漏检测与定位技术研究进展.pdf
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1、投稿网址:2023 年 第23 卷 第24 期2023,23(24):10177-13科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-11-03修订日期:2023-05-26基金项目:国家自然科学基金面上项目(62173049,61772086)第一作者:蔡昌新(1974),男,汉族,湖北松滋人,博士,副教授,研究方向:智能仪器设计。E-mail:.通信作者:易康(1997),男,汉族,湖北荆州人,硕士研究生。研究方向:物联网与智能检测技术。E-mail:871238245 。引用
2、格式:蔡昌新,易康,廖锐全.长输油管道泄漏检测与定位技术研究进展J.科学技术与工程,2023,23(24):10177-10189.Cai Changxin,Yi Kang,Liao Ruiquan.Research progress on leak detection and location technology for long-distance oil pipelineJ.Sci-ence Technology and Engineering,2023,23(24):10177-10189.石油、天然气工业长输油管道泄漏检测与定位技术研究进展蔡昌新1,易康1,廖锐全2(1.长江大学电子
3、信息学院,荆州 434023;2.长江大学石油工程学院,武汉 430000)摘 要 长输油管道泄漏事故不仅会造成重大经济损失,而且会给生态环境带来灾难性的破坏,因此对长输油管道进行在线实时监测与快速精准定位是保障管道安全运行的核心要素。首先对目前中外常用的泄漏检测技术进行了分类总结,其次详细论述了长输油管道泄漏检测技术原理、性能及其优缺点,并对长输油管道泄漏检测中存在的微小泄漏、缓泄漏等难点问题进行了重点评述。最后在全面总结现有研究成果的基础上,对长输油管道泄漏检测技术的发展潜力、应用前景、目前存在的问题以及如何进行下一步研究进行了深刻的分析和展望,认为干涉型分布式光纤传感法联合深度学习模式识
4、别技术可以更好地实现远距离输油管道泄漏检测领域的智能化、高效化,并在未来的泄漏检测领域具有良好的应用前景。关键词 泄漏检测;输油管道;定位技术中图法分类号 TE832;文献标志码 AResearch Progress on Leak Detection and LocationTechnology for Long-distance Oil PipelineCAI Chang-xin1,YI Kang1,LIAO Rui-quan2(1.School of Electronic Information,Yangtze University,Jingzhou 434023,China;2.Sch
5、ool of Petroleum Engineering,Yangtze University,Wuhan 430000,China)Abstract Long-distance pipeline leaks not only cause significant economic losses,but also bring catastrophic damage to the ecolog-ical environment,so online real-time monitoring and rapid and accurate positioning of long-distance pip
6、elines are the core elements toensure safe operation of pipelines.Firstly,the commonly used leak detection technologies at home and abroad were classified and sum-marized.Secondly,the principles,performance and advantages and disadvantages of the long-distance pipeline leak detection technolo-gies w
7、ere discussed in detail,and the difficult problems such as tiny leaks and slow leaks in long-distance pipeline leak detection werehighlighted in the review.Finally,on the basis of a comprehensive summary of existing research results,the development potential oflong-distance pipeline leak detection t
8、echnology,application prospects,current problems and how to carry out the next step of researchwere profoundly analyzed and prospected.It is concluded that the interferometric distributed fiber optic sensing method combined withdeep learning pattern recognition technology can better achieve intellig
9、ence and efficiency in the field of long-distance oil pipeline leakdetection,and has good application prospects in the future leak detection field.Keywords leak detection;oil pipeline;location technology 油气资源的主要运输方式是管道运输。相比于其他运输方式,管道运输具有安全、经济、高效的优势。随着管道运营里程不断增加,管道的安全运行也面临着巨大的考验。引发管道泄漏事故的主要因素有:管道内部流体
10、介质的腐蚀、管道自然老化、自然灾害等1。近年来,世界上已经发生了多起管道泄漏事故。2013 年 11 月 22 日,中国青岛市某地的输油管道与排水暗渠交汇处由于管道的自然腐蚀、道路承重、长期振动等原因,导致原油管道泄漏。在处理事故的过程中,由于处置工人操作不当,产生撞击火花,从而引发暗渠内油气爆炸。该事故造成多人受伤,直接经济损失高达近 8 亿元。2021 年 10 月,美国加利福尼亚南部海岸发生严重原油管道泄漏事故,事故的主要原因是原油管道遭投稿网址:到船锚撞击而破裂。事故造成近 48 104L 原油被排入太平洋,并在海面上产生了 35 km2的浮油,给当地海洋生态环境带来了灾难性的影响。泄
11、漏事故不仅会影响管道的正常运行,而且会严重威胁人类生存环境,其造成的后果是难以估量的,因此建立长输油管道在线实时监测系统具有重大的现实意义。纵观目前中外相关文献,对管道泄漏检测技术进行系统评述的研究尚鲜见报道。鉴于此对目前常用的长输油管道泄漏检测技术的最新研究成果和存在的问题进行分析总结,并对长输油管道泄漏检测技术的应用前景和下一步研究方向进行分析和展望,以期为后续中国长输油管道泄漏检测技术的发展提供参考。1 管道泄漏检测主要方法及分类管道泄漏检测技术经过数十年的发展,形成了多种管道泄漏检测与定位方法。按照检测对象可分为直接检漏法和间接检漏法;按照检测部位可分为管道内部检测法和管道外部检测法;
12、按照检测原理及测量手段可分为人工巡检法、基于硬件检测方法和基于软件检测方法2。从第三种分类角度对各种管道泄漏检测方法进行详细的分析论述,管道泄漏检测方法分类如图 1 所示。2 基于人工巡检的管道泄漏检测法人工巡检法是通过巡检人员手持便捷式的高精度检测设备沿管道逐段进行巡查,然后利用检测设备的反馈信息和人体相应的感觉器官来判定管道泄漏点的位置。该方法的优点在于简单直接,在检测管道泄漏的同时也能防止违规施工的情况发生。但该方法需要耗费较大的人力成本,并且仅限于对地面的管道进行检测,而对埋在地下的管道以及人力所不能及的地方无法进行有效的巡检。因此人工巡检法无法对复杂的管道环境进行实时监测,会被自动实
13、时监测系统所取代。3 基于硬件的管道泄漏检测法3.1 负压波法由于管道内的液体处在高温高压的状态下,当管道发生泄漏时,泄漏点处的压力会发生突变,并且与相邻区域形成压力差。泄漏产生的压力差会以一定的速度从漏点处向管道两端传播,进而形成负压波3。负压波检漏法的定位原理是根据管道两端压力传感器获取的负压波信号时间差和负压波波速进行泄漏点的定位4。其定位原理如图 25所示。影响负压波检漏法定位精度的主要因素有:一方面是由于管道的材质、传输介质对负压波信号强度和负压波波速会产生极大的干扰;另一方面是所采集到的原始压力信号包含大量高频噪声,使得压力传感器无法准确获取负压波信号时间差。经过数十年的发展,学者
14、们在提高定位精度、降低误报警率等方面进行了大量的研究。王正等6提出了一种基于多压力传感器负压波的管道泄漏检测方法,其检测原理如图 36所示。该方法通过分析压力传感器接收到负压波的先后顺序来判断引起压力突变的原因是管道泄漏还是工况调整。并且针对泄漏点在同一端两个压力传感器之间的特殊情况,设计了一种多压力传感器的结构来解决上述问题,检测原理如图 46所示。L 为首末站压力传感器之间的距离;X 为泄漏点到首站压力传感器之间的距离;L-X 为泄漏点到末站压力传感器之间的距离图 2 基于负压波泄漏检测定位原理图5Fig.2 Schematic diagram of leak detection and
15、locationbased on negative pressure wave5图 1 管道泄漏检测方法分类图Fig.1 Classification diagram of pipeline leakage detection methods87101科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(24)投稿网址: 仿真实验表明,该方法能准确地辨别管道的运行工况,从而降低系统的误报警率。但该模型的缺点是安装成本高、维护难度大、结构复杂,若将此多传感器负压波泄漏检测模型应用到实际的长输油管道中还需进一步优化。随着管道泄漏检测技术不断发
16、展,涌现出一些将物理方法、优良的降噪算法与负压波法相结合的泄漏检测技术。Jia 等7将研制的光纤光栅(fiberbragg grating,FBG)环向应变传感器与负压波检漏法进行结合,并用于管道的泄漏检测与定位中,新型 FBG 环向应变传感器灵敏度极高、检测范围广、不需要穿透管道。该技术充分研究了负压波能量衰减对 FBG 环向应变传感器性能的影响,通过物理手段来提高管道泄漏检测系统的整体性能,在未来的管道泄漏检测领域中具有一定的应用前景。Liu等8提出了一种基于变分模态分解(variationalmode decomposition,VMD)的自适应降噪方法来提高漏点定位的精度。该方法利用信
17、息熵理论来优化 VMD 算法的分解层数,再利用互相关系数筛选出有效的本征模态分量(intrinsic mode function,IMF),最后对这些分量进行重构,得到降噪后的信号。该方法的优势在于经过降噪后能保留原始信号的特征并且能明显地识别出负压波信号的拐点。A1 为泵 1 站近端压力传感器;A2 为泵 1 站远端压力传感器;B1 为泵 2 站远端压力传感器;B2 为泵 2 站近端压力传感器图 3 双传感器负压波检测原理图6Fig.3 Schematic diagram of double sensor negativepressure wave detection6C1 为泵 1 站站前
18、远端压力传感器;C2 为泵 1 站站前近端压力传感器;A1 为泵 1 站站后近端压力传感器;A2 为泵 1 站站后远端压力传感器;B1 为泵 2 站站前远端压力传感器;B2 为泵 2站站前近端压力传感器;D1 为泵 2 站站后近端压力传感器;D2 为泵 2 站站后远端压力传感器图 4 多传感器负压波检测原理图6Fig.4 Schematic diagram of multi-sensor negativepressure wave detection6但其检测的长度较短,并未在实际的长输油管道上进行泄漏检测的定位实验。负压波检漏法对于突发且泄漏量较大的泄漏事故具有反应时间短、灵敏度高、定位精准
19、的优势9。但进行管道工况的调整时,会发生误报的情况,且对微小泄漏、缓慢泄漏的检测效果并不理想;也存在因外部噪声的干扰使得压力信号的拐点难以获取的问题10。在后续的研究工作中,如何有效区分管道工况的调整,降低误报警率是负压波检漏法亟需突破的关键问题。3.2 声波检测法声波检测法与负压波检漏法的原理基本类似。当管道发生泄漏时,泄漏处与管壁相互作用产生声波并向管壁两侧传播,根据声波在不同介质中的传播速度、管道上下两端声波传感器接收到声波信号的时间差以及相关信号处理方法进行泄漏点的精准定位。声波泄漏检测系统结构如图511所示。利用声波检测法进行漏点定位的关键在于如何在外部环境干扰的情况下准确的检测出声
20、波信号以及如何利用高效的信号处理方法求出不同声波传感器捕获到声波信号的时间差。汪建新等12针对管道声波法泄漏检测噪声干扰大的问题,提出一种基于最优小波基的信号降噪方法。该方法根据小波变换求出声波信号的频率分布来确定最优小波基,再通过信号重构滤除噪声信号。其优势在于可以根据实际条件来选择小波变换系数,从而达到理想的降噪效果。何佳霖等13研制出一种采用新型柔性压电薄膜材质的声发射传感器,并成功应用到管道的泄漏检测中。新型柔性压电薄膜传感器比传统压电陶瓷式传感器的灵敏度更高、响应幅值更大,并且能安图 5 声波泄漏检测系统原理图11Fig.5 Schematic diagram of acoustic
21、 leakagedetection system11971012023,23(24)蔡昌新,等:长输油管道泄漏检测与定位技术研究进展投稿网址:装在复杂的管道环境中。该新型声发射传感器突破性地解决了传统传感器的测量精度问题,对声波法在管道泄漏检测领域中的应用具有重要的意义。声波检测法也是中外应用较为广泛的管道泄漏检测方法。在管道上布置一定数量的声波传感器,就可以满足远距离输油管道泄漏检测的相关需求。该方法安装简单,适用性强,但声波检漏法对于自然腐蚀、打孔等缺陷引起的微泄漏并不适用,时常出现漏报现象。随着高精度新型声发射传感器的成功研制,在后阶段的研究工作中,可以考虑将新型的声发射传感器和高效率的
22、降噪算法进行联合使用,以便能尽快地实现管道微小泄漏检测方面的突破。3.3 漏磁内检法漏磁内检法是一种管道内部无损探伤检测技术,漏磁检测不需要耦合剂,抗干扰性强,检测速度快,适用于长距离管道的快速检测14。漏磁内检法的基本原理是利用永久磁铁对具有铁磁性的管壁进行充分磁化,当管道发生泄漏时,原先平行于管道的磁力线会通过缺陷处漏出管道表面,产生漏磁通15,再通过磁敏传感器检测相应的漏磁信号,进一步对所检测的漏磁信号进行分析,从而判断出缺陷的大小和位置。漏磁内检法的原理如图 616所示。影响漏磁内检法性能的关键因素是如何在实际环境中实现磁化饱和或者近似饱和。因此目前的攻克方向主要集中在磁化技术的改进和
23、非饱和磁化状态下的特性研究17。冯庆善18详细地介绍了一种三轴漏磁内检技术,该技术可以分别检测沿管道的周向方向、半径方向以及平行于管道中心轴向的漏磁分量,其三维分量示意图如图 718所示。该技术解决了传统漏磁内检测器只能检测单一方向的磁力线强度变化问题,在管道泄漏检测领域中具有一定的前瞻性,可以应用于管道裂缝、腐蚀穿孔等微小泄漏的情况中。Singh 等19从传感器技术方面对磁化检测技术图 6 管道漏磁内检法原理图16Fig.6 Schematic diagram of pipeline magnetic leakageinternal inspection method16图 7 漏磁检测三维
24、分量示意图18Fig.7 Schematic diagram of three-dimensionalcomponents of magnetic flux leakage detection18进行了改进,开发出了一款高灵敏度的漏磁检测仪,用于对铁磁管道的缺陷进行高清成像。该仪器便于携带,不仅能够检测出大孔径泄漏的漏磁信号,也能检测微小泄漏孔径的弱磁性信号,十分适应于铁磁管道微小泄漏的检测。刘桐等20提出了一种基于 J-A(Jiles-Atherton)理论的应力-磁荷模型。该模型深入研究了管道内压对漏磁信号的强度以及泄漏孔径对漏磁信号轴向和径向分量的影响规律。其研究成果对建立实时管道漏磁内
25、检模型具有一定的参考价值。由于管道周围环境以及漏磁信号的复杂性,泄漏反演目前已成为漏磁内检法的研究热点。卢森骧等21提出了一种基于三轴融合的漏磁内检反演方法研究,解决了传统单轴反演方法存在的估计尺寸精度低、模型复杂等问题。该方法先利用加权随机森林算法分别实现各单轴漏磁的信号的缺陷反演,再采用模糊推理算法对各单轴反演结果进行融合,最终得到准确的泄漏预测尺寸。对比传统的单轴反演方法,该方法能大幅地提升漏磁缺陷的反演精度。同时该方法为人工智能算法在漏磁缺陷检测中的应用提供了事实依据。漏磁内检法可以检测出管壁的破损程度和裂痕情况,具有定位精准、灵敏度高的优点,对微小孔径泄漏、缓泄漏均适用。但该方法关于
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