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[1-2]。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,據統計,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年中國新建成油氣管道里程約4 668 km,油氣管道總里程累計達到15.5×104km。

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[3-6]。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。

利用文獻計量學能夠從宏觀角度直觀分析目前“管道泄漏檢測”研究方向的文獻信息,可為相關研究提供參考,以便讀者明晰當前研究現狀及未來發展趨勢。基于中國知網、Web of Science等文獻資源庫,以“管道泄漏”、“檢測定位”、“定位方法”等為關鍵詞檢索發表時間為1994年1月至2023年12月的文獻,可得到近30年關于“管道泄漏檢測”的國內外發文情況與研究現狀。關于管道泄漏檢測以不同關鍵詞發表的文獻數量如圖1所示,可見,以“管道泄漏”、“定位方法”、“泄漏檢測”關鍵詞使用頻次高,以“天然氣管道”、“輸油管道”、“輸氣管道”、“供水管道”均有采用。

圖 1關于管道泄漏檢測以不同關鍵詞發表的文獻數量

圖2所示為依據年份的“管道泄漏檢測研究”相關論文發表量,可見,2000—2010年間論文發表量呈指數上升,與國家經濟的快速發展、油氣能量利用以及基礎建設有緊密相關。與此同時,2012—2018年間論文發表量也有一定程度的增長。整體來看,近10年此類論文熱度持續呈上升趨勢。

圖 2關于管道泄漏檢測不同年份的發文量

通過VOSviewer軟件繪制管道泄漏檢測技術關鍵詞的氣泡云圖,其結果如圖3所示。氣泡的大小代表對應關鍵詞使用頻率及關注熱度,氣泡之間的連接線代表關鍵詞之間的連接關系。由此可見,研究使用最多的關鍵詞為“泄漏檢測”、“管道泄漏”。基于聲波法、小波變換、漏點定位、分布式光纖傳感器等方法的研究居多,相關分析法是針對聲波的傳播速度與到達時間差兩方面的估計來定位泄漏點,因此與其關聯密切的關鍵詞是漏點定位。

圖 3基于VOSviewer的管道泄漏檢測技術關鍵詞氣泡云圖

根據管道泄漏信號的獲取方法與信號處理方式的不同,可分為基于硬件與軟件的檢測方法。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。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。管道泄漏檢測方法分類如圖4所示。

圖 4管道泄漏檢測方法分類

1. 基于硬件的檢測方法

1.1 光學方法

1.1.1 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[7]。由ITT機構研制的ANTM GEL系統可實現160 km·h−1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[8]。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。

1.1.2 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[9]。LIANG[10]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。

1.1.3 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[11]。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。

1.1.4 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[12]。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[13]。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[14]。

1.1.5 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）[14]。

1.2 聲學法

1.2.1 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[15]。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[16]。

1.2.2 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[17-18],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[18-19],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[20]：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。

1.2.3 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[21],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[22],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[23]。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。

1.2.4 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[15]。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[13]。

1.3 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[24]。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。

1.4 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[25]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。

1.5 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[26]。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[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[27]。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 h,并具有16 GB、32 GB的數據存儲能力。

1.7 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[28]。

2. 基于軟件的檢測方法

2.1 信號處理方法

2.1.1 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[29-30]。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[30]。

2.1.2 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[31]。WANG[32]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[33]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。

2.1.3 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[34]。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[28]。

2.2 實時模型方法

2.2.1 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[35]。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[23]。

2.2.2 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[35]。

2.2.3 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[36]。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[37]。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[38]。

2.2.4 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[39-40]。

3. 管道泄漏檢測的相關標準

管道泄漏檢測除了技術與設備的發展,相關標準與規范也尤為重要。國內外管道泄漏檢測相關標準如表1所示,通過文獻調研,現有的通用標準共16項。根據功能可將標準分為：工作流程（用于檢測技術領域的準備與運行指導）、技術說明（介紹相關技術規則）與管理規定。根據油氣水管道泄漏相關標準,可以看到,自2015年之后油氣管道泄漏的檢測標準明顯增加,大部分標準由API（美國石油協會）和ISO（國際標準化組織）發布。

4. 管道安全評估

1980年開始,美國風險分析協會針對輸送管道進行安全風險評估研究。與此同時,國際管道研究委員會開始研究歐美部分國家的供熱管道事故,對歷史事故數據進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險分析中引入評分法進行評價。此后,《管道風險管理手冊》中介紹的管道風險評估的專家評分模型及評估方法被廣泛接受[41]。20世紀90年代初,管道安全風險評估理論不斷發展,并拓展了管道數據庫、風險評估教育等課題。另外,英國健康與安全委員會研制的MISHAP與TRANSPIPE軟件包,也應用于計算管線的失效風險與評估某地區的個體及公共風險。

我國針對管道安全風險評估的研究工作也日益充實,2000年西南石油學院和中國石油西南分公司聯合研發的“輸氣管線風險評估軟件”,在實際管線上成功進行了全線風險分析與評估,標志著目前國際上通用的評分法已經在我國現役長輸管線上達到實際應用水平[42]。由于國外輸送管道、介質和我國的有較大差別,我國輸送管道安全風險管理并不與國外相一致,我國管道分析人員也正在向管道風險的定量化方向發展[43]。

管道安全評價方法根據用途不同,可分為定性評價法、半定量評價法與定量評價法。但每種方法都有其局限性,都不能涉及所有方面,這就需要在評價過程中,根據歷史評估經驗,對地域和自然環境人文因素各方面的要求綜合考慮,找到影響管道安全運行的主要因素,做到最大化的安全評價。

5. 討論與展望

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。根據不同的文件和標準,管道泄漏工況及其相應特點如表2所示。針對某種檢測技術的評價可歸納為適應性、魯棒性、耐久性、靈敏性、精確度、有效性、誤報率、響應時間、定位精度、經濟性、維護性與識別能力。管道泄漏檢測/檢測系統的性能指標如表3所示。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表4所示。

近年來管道泄漏檢測的相關標準日益完善。然而,在目前來看,標準的建立仍然存在檢測技術單一、覆蓋范圍窄等問題。隨著越來越多的管道進入老化階段,對于管道的泄漏檢測與定位技術提出了更高要求。因此,筆者預測未來檢測技術有以下發展趨勢。

（1）從近年來檢測技術的發展來看,更多的檢測技術不限于使用單一方法。因此,未來泄漏檢測技術將是多領域、多技術的相互補充結合,需要結合兩種或多種檢測方法（如基于硬件的方法和軟件的組合）。

（2）隨著計算機水平的不斷提高和人工智能的不斷發展,檢測技術將更加智能化和自動化,檢測數據可以自動判斷和預警泄漏故障。

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

（4）分布式光纖檢測技術具有良好的應用效果。然而,在多點檢測、耐環境性、提高定位精度和自動識別等方面仍有改進空間。

（5）管道檢測是管道安全體系的重要組成部分,應盡快采取有效措施,制定管道檢測規范,建立完整的管道安全保證體系,并依此有計劃有步驟地對管道實施智能內檢測,保證管道安全平穩運行。

6. 結語

介紹了不同介質管道的泄漏檢測技術,可分為基于硬件與基于軟件的方法,分別介紹了各種檢測技術的特點、適用場景及性能,同時給出了國內外管道泄漏的相關標準與政策。通過各技術優缺點的比較和性能評估,得到如下主要結論。

（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。

文章來源——材料與測試網