摘要：簡(jiǎn)單說(shuō)明了油氣長(zhǎng)輸管道泄漏的原因和泄漏的危害，簡(jiǎn)單回顧了國(guó)內(nèi)外油氣長(zhǎng)輸管道泄漏檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的歷史，詳細(xì)介紹了熱紅外線成像、探地雷達(dá)、氣體成像、傳感器法、探測(cè)球法、半滲透檢測(cè)管檢漏法、GPS時(shí)間標(biāo)簽法、放射性示蹤劑法、體積或質(zhì)量平衡法、壓力波法、小波變換法、相關(guān)分析法、狀態(tài)估計(jì)法、系統(tǒng)辨識(shí)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、統(tǒng)計(jì)檢漏法和水力坡降法等20多種管道泄漏檢測(cè)技術(shù)方法，同時(shí)介紹了泄漏檢測(cè)方法的診斷性能指標(biāo)和綜合性能指標(biāo)，最后指出了現(xiàn)在存在的問(wèn)題和發(fā)展的趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：油氣；長(zhǎng)輸管道；泄漏；原因；檢測(cè)方法；性能指標(biāo)；問(wèn)題；發(fā)展；趨勢(shì)
    油氣長(zhǎng)輸管道發(fā)生泄漏的原因多種多樣，但大致可以分為：(1)管道腐蝕：防護(hù)層老化、陰極保護(hù)失效, 以及腐蝕性介質(zhì)對(duì)管道外壁造成的腐蝕和傳輸介質(zhì)的腐蝕成分對(duì)管道內(nèi)壁造成的腐蝕；(2)自然破壞：由于地震、滑坡等自然災(zāi)害以及氣候變化使管道發(fā)生翹曲變形導(dǎo)致應(yīng)力破壞；(3)第三方破壞：不法分子的盜竊破壞, 施工人員違章操作, 野蠻施工造成的破壞；(4)管道自身缺陷：包括管道焊接質(zhì)量缺陷, 管道連接部位密封不良, 未設(shè)計(jì)管道伸縮節(jié), 材料等原因。油氣管道泄漏不僅給生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)單位造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞、嚴(yán)重影響沿線居民的身體健康和生命安全。
1 檢漏技術(shù)發(fā)展歷史
    國(guó)外從上個(gè)世紀(jì)70年代就開(kāi)始對(duì)管道泄漏檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究。早在1976年德國(guó)學(xué)者R.Isermann和H. Siebert就提出以輸入輸出的流量和壓力信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后進(jìn)行互相關(guān)分析的泄漏檢測(cè)方法；1979年Toslhio Fukuda提出了一種基于壓力梯度時(shí)間序列的管道泄漏檢測(cè)方法；L.Billman和R.Isermann在1987年提出采用非線性模型的非線性狀態(tài)觀測(cè)器的檢漏方法；A.Benkherouf在1988年提出了卡爾曼濾波器方法；1991 年Kurmer 等人開(kāi)發(fā)了基于Sagnac 光纖干涉儀原理的管道流體泄漏檢測(cè)定位系統(tǒng)；1993年荷蘭殼牌(shell)公司的X.J.Zhang提出了統(tǒng)計(jì)檢漏法；1999年美國(guó)《管道與氣體雜志》報(bào)道了一種稱作“紋影”( Schlieren)的技術(shù)，即采用空氣中的光學(xué)折射成象原理可用于管道檢漏；2001年Witness提出了采用頻域分析的頻域響應(yīng)法，其基本思想是將管道系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位分析；2003年Marco Ferrante提出了采用小波分析的方法，利用小波技術(shù)對(duì)管道的壓力信號(hào)進(jìn)行奇異性分析，由此來(lái)檢測(cè)泄漏。
    我國(guó)對(duì)于管道泄漏技術(shù)的研究起步較晚，但發(fā)展很快。1988年方崇智提出了基于狀態(tài)估計(jì)的觀測(cè)器的方法；1989年王桂增提出了一種基于Kullback信息測(cè)度的管線泄漏檢測(cè)方法；1990年董東提出了采用帶時(shí)變?cè)肼暪烙?jì)器的推廣Kalman濾波方法；1992年提出了負(fù)壓波法泄漏檢測(cè)法；1997, 1998年天津大學(xué)分別采用模式識(shí)別、小波分析等技術(shù)對(duì)負(fù)壓波進(jìn)行了很大程度的改進(jìn)；1997年唐秀家等人首次提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道泄漏檢測(cè)模型；1999年張仁忠等提出了壓力點(diǎn)分析(PPA)法和采集數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)仿真相關(guān)分析法相結(jié)合的方法；2000年胡志新等提出了分布式光纖布拉格光柵傳感器的油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；2002年崔中興等介紹了聲波檢漏法；2003年胡志新提出了基于Sagnac 光纖干涉儀原理的天然氣管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)理論模型；2003年潘緯等利用小波分析方法來(lái)分析信號(hào)的奇異性及奇異性位置,來(lái)檢測(cè)天然氣管線泄漏；2003年夏海波等提出了基于GPS 時(shí)間標(biāo)簽的管道泄漏定位方法；2004年白莉等提出了一致最大功效檢驗(yàn)探測(cè)泄漏信號(hào)；2004年吳海霞等運(yùn)用負(fù)壓波和質(zhì)量平衡原理,采用模糊算法和邏輯判斷法,利用壓力、流量和輸差三重機(jī)制實(shí)現(xiàn)了對(duì)原油管道的泄漏監(jiān)測(cè)及定位、原油滲漏監(jiān)測(cè)和報(bào)警；2004年倫淑嫻等利用自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的去噪方法可以提高壓力信號(hào)；2005年張紅兵等介紹了根據(jù)管道的瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用特征線法求解進(jìn)行不等溫輸氣管道泄漏監(jiān)測(cè)；2005年劉恩斌等研究了一種新型的基于瞬態(tài)模型的管道泄漏檢測(cè)方法,并對(duì)傳統(tǒng)的特征線法差分格式進(jìn)行了改進(jìn),將其應(yīng)用于對(duì)管道瞬態(tài)模型的求解；2005年朱曉星等提出了將仿射變換的思想應(yīng)用到基于瞬態(tài)壓力波的管道泄漏定位算法中；2005年白莉等等將擴(kuò)展卡爾曼濾波算法,應(yīng)用于海底管道泄漏監(jiān)測(cè)與定位；2006年白莉等利用多傳感器的信息融合思想,提出分布式檢測(cè)與決策融合方法進(jìn)行長(zhǎng)距離海底管線泄漏監(jiān)測(cè)；2006年提出了一種基于Mach-Zehnder光纖干涉原理的新型分布式光纖檢漏測(cè)試技術(shù)[1-12]。
2 泄漏檢測(cè)技術(shù)方法
    對(duì)于檢漏技術(shù)的分類，現(xiàn)在沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定，根據(jù)檢測(cè)過(guò)程中所使用的測(cè)量手段不同，分為基于硬件和軟件的方法；根據(jù)測(cè)量分析的媒介不同可分為直接檢測(cè)法與間接檢測(cè)法；根據(jù)檢測(cè)過(guò)程中檢測(cè)裝置所處位置不同可分為內(nèi)部檢測(cè)法與外部檢測(cè)法；根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同可分為檢測(cè)管壁狀況和檢測(cè)內(nèi)部流體狀態(tài)的方法[1-19]。
2.1 熱紅外成像
    對(duì)于加熱輸送的液體管道，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí),土壤被泄漏的液體加熱后溫度上升，通過(guò)紅外輻射的不同來(lái)感知這種異常的溫度，將其與事先保存在計(jì)算機(jī)中的管道周圍土壤正常溫度分布圖進(jìn)行比較檢測(cè)泄漏。近年美國(guó)OIL TON公司開(kāi)發(fā)出一種機(jī)載紅外檢測(cè)技術(shù)，由直升飛機(jī)攜帶一高精度紅外攝像機(jī)沿管道飛行，通過(guò)分析輸送物資與周圍土壤的細(xì)微溫差確定管道是否泄漏。這類方法不能對(duì)管線進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，因此發(fā)現(xiàn)泄漏的實(shí)時(shí)性差而且對(duì)管道的埋設(shè)深度有一定的限制,具有關(guān)資料介紹,當(dāng)直升機(jī)的飛行高度為300m時(shí),管道的埋設(shè)深度應(yīng)當(dāng)在6m之內(nèi)。
2.2 探地雷達(dá)
    探地雷達(dá)(GPR) 將脈沖發(fā)射到地下介質(zhì)中，通過(guò)時(shí)域波形的處理和分析探知地下管道是否泄漏。當(dāng)管道內(nèi)的原油發(fā)生泄漏時(shí),管道周圍介質(zhì)的電性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化,從而反射信號(hào)的時(shí)域波形也會(huì)發(fā)生變化,根據(jù)波形的變化就可以檢測(cè)到管道是否發(fā)生了泄漏。應(yīng)用探地雷達(dá)探測(cè)時(shí),物體必須有一定的體積,因此這種方法不適用于較細(xì)的管道。而且用探地雷達(dá)探測(cè)泄漏時(shí),與管道周圍的地質(zhì)特性有關(guān),地質(zhì)特性的突變對(duì)圖象有很大的影響,這也是應(yīng)用中的一個(gè)難點(diǎn)。
2.3 氣體成像
    在輸氣管道泄漏檢測(cè)中,氣體成像技術(shù)也是一個(gè)比較有效的方法。以前氣體成像的原理主要是根據(jù)背景吸收氣體成像和紅外輻射吸收技術(shù)。設(shè)備比較笨重,需要大型的激光器。近年來(lái),開(kāi)發(fā)了一種稱之為“紋影”的技術(shù),即采用空氣中光學(xué)折射成像原理檢漏。其設(shè)備輕巧、使用方便,還能提供有關(guān)泄漏量的指示。這種光學(xué)非侵入技術(shù)，可以遠(yuǎn)距離觀測(cè)漏失量為每分鐘僅為幾毫升的輕微泄漏。泄漏到大氣中的天然氣比周圍的空氣折射率高，天然氣泄漏使光線發(fā)生折射，在攝像機(jī)和照明條件下光柵之間的泄漏，使光線到達(dá)攝像機(jī)時(shí)產(chǎn)生位移。這樣肉眼見(jiàn)不到的天然氣泄漏就變成可視的紋影圖象并可拍攝下來(lái)。利用這種技術(shù)，氧氣和氮?dú)怆y于在空氣中成象，但烴類氣體、揮發(fā)性流體的蒸氣卻容易看到；氦氣、氫氣、含氯氟烴等密度大于或小于空氣的氣體都可成象。同樣紋影攝像機(jī)也能看到冷暖氣流和超聲沖擊波。紋影成象技術(shù)不僅能發(fā)現(xiàn)氣休泄漏而且能提供信息估算泄漏量。這種技術(shù)是地面成象系統(tǒng)，但檢測(cè)來(lái)自地下的天然氣泄漏也是可行的。
2.4 傳感器法
    隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展,人們已經(jīng)制造出對(duì)某種化學(xué)物質(zhì)特別敏感的傳感器,再借助于計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)可以大大地提高檢測(cè)的靈敏度和精確度。
    (1) 嗅覺(jué)傳感器
    將嗅覺(jué)傳感器應(yīng)用于管道檢測(cè)還是一項(xiàng)不大成熟的技術(shù)。可以將嗅覺(jué)傳感器沿管道按一定的距離布置,組成傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí),對(duì)泄漏物質(zhì)非常敏感的嗅覺(jué)傳感器就會(huì)發(fā)出報(bào)警。
    (2) 分布式光纖聲學(xué)傳感器
    方法是利用Sagnac干涉儀測(cè)量泄漏所引起的聲輻射的相位變化來(lái)確定泄漏點(diǎn)的范圍，這種傳感器可以用于氣體或液體運(yùn)輸管道。這種方法是把光纖傳感器放在管道內(nèi)，通過(guò)接收到的泄漏液體或氣體的聲輻射，來(lái)確定泄漏和定位。由于是玻璃光纖，所以不會(huì)被分布沿線管道的高壓所影響，也不會(huì)影響管道內(nèi)液體的非傳導(dǎo)特性，而且光纖還不受腐蝕性化學(xué)物資的損害，壽命較長(zhǎng)。在理論上，10km管道定位精度能達(dá)到±5m，反應(yīng)也較靈敏及時(shí)，但成本較高。  
2.5 探測(cè)球法
    基于磁通、超聲、渦流、錄像等技術(shù)的探測(cè)球法是上世紀(jì)80年代末期發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)，將探測(cè)球沿管線內(nèi)進(jìn)行探測(cè)，利用超聲技術(shù)(“超聲豬”)或漏磁技術(shù)(“磁通豬”)采集大量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行事后分析，以判斷管道是否有泄漏點(diǎn)。該方法檢測(cè)準(zhǔn)確、精度較高，缺點(diǎn)是探測(cè)只能間斷進(jìn)行，易發(fā)生堵塞、停運(yùn)的事故，而且造價(jià)較高。
2.6 半滲透檢測(cè)管法
    這種檢漏管埋設(shè)在管道上方，一旦氣體管道發(fā)生泄漏，安裝在檢測(cè)管一端的抽氣泵持續(xù)地從管內(nèi)抽氣，并進(jìn)入烴類檢測(cè)器，如檢測(cè)到油氣，則說(shuō)明有泄漏發(fā)生。但這種方法安裝和維修費(fèi)用相對(duì)較高，另外，土壤中自然產(chǎn)生的氣體(如沼氣)可能會(huì)造成假指示，容易引起誤報(bào)警。美國(guó)謝夫隆管道公司在天然氣管道上安裝了這種檢測(cè)系統(tǒng)(LASP)。
2.7 檢漏電纜法
    檢漏電纜多用于液態(tài)烴類燃料的泄漏檢測(cè)。電纜與管道平行鋪設(shè)，當(dāng)泄漏的烴類物質(zhì)滲入電纜后，會(huì)引起電纜特性的變化。目前己研制的有滲透性電纜、油溶性電纜和碳?xì)浠衔锓植际絺鞲须娎|。這種方法能夠快速而準(zhǔn)確地檢測(cè)管道的微小滲漏及其滲漏位置，但其必須沿管道鋪設(shè)，施工不方便，且發(fā)生一次泄漏后，電纜受到污染，在以后的使用中極易造成信號(hào)混亂，影響檢測(cè)精度，如果重新更換電纜，將是一個(gè)不小的工程。
2.8 GPS時(shí)間標(biāo)簽法
    GPS(全球定位系統(tǒng))的基本定位原理是：衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過(guò)計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置，三維方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息。采用GPS同步時(shí)間脈沖信號(hào)是在負(fù)壓波的基礎(chǔ)上強(qiáng)化各傳感器數(shù)據(jù)采集的信號(hào)同步關(guān)系，通過(guò)采樣頻率與時(shí)間標(biāo)簽的換算分別確定管道泄漏點(diǎn)上游和下游的泄漏負(fù)壓波的速度，然后利用泄漏點(diǎn)上下游檢測(cè)到的泄漏特征信號(hào)的時(shí)間標(biāo)簽差就可以確定管道泄漏的位置。采用GPS進(jìn)行同步采集數(shù)據(jù)，泄漏定位精度可達(dá)到總管線長(zhǎng)度的1%之內(nèi)，比傳統(tǒng)方法精度提高近3倍。

2.9 放射性示蹤劑檢測(cè)
    放射性示蹤劑檢測(cè)是將放射性示蹤劑(如碘131) 加到管道內(nèi), 隨輸送介質(zhì)一起流動(dòng), 遇到管道的泄漏處, 放射性示蹤劑便會(huì)從泄漏處漏到管道外面, 并附著于泥土中。示蹤劑檢漏儀放于管道內(nèi)部, 在輸送介質(zhì)的推動(dòng)下行走。行走過(guò)程中, 指向管壁的多個(gè)傳感器可在3600 范圍內(nèi)隨時(shí)對(duì)管壁進(jìn)行監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)泄漏處時(shí), 示蹤劑檢漏儀便可感受到泄漏到管外的示蹤劑的放射性, 并記錄下來(lái)。根據(jù)記錄, 可確定管道的泄漏部位。這種方法對(duì)微量泄漏檢測(cè)的靈敏度很高。該方法優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高, 可監(jiān)測(cè)到百萬(wàn)分之一數(shù)量級(jí), 甚至十億分之一數(shù)量級(jí),但是由于放射性示蹤劑對(duì)人身安全和生態(tài)環(huán)境的影響,因此如何選擇化學(xué)和生物穩(wěn)定性好、分析操作簡(jiǎn)單、靈敏度高、無(wú)毒、應(yīng)用環(huán)境安全等特點(diǎn)的示蹤劑, 進(jìn)行示蹤監(jiān)測(cè)是亟待解決的問(wèn)題。　
2.10 體積或質(zhì)量平衡法
    管道在正常運(yùn)行狀態(tài)下，其輸入和輸出質(zhì)量應(yīng)該相等，泄漏必然產(chǎn)生量差。體積或質(zhì)量平衡法是最基本的泄漏探測(cè)方法，可靠性較高。但是管道泄漏定位算法對(duì)流量測(cè)量誤差十分敏感, 管道泄漏定位誤差為流量測(cè)量誤差的6-7 倍, 因此流量測(cè)量誤差的減小可顯著提高管道泄漏檢測(cè)定位精度。提高流量計(jì)精度是一種簡(jiǎn)便可行的方法,北京大學(xué)的唐秀家教授于1996 年首次提出了采用三次樣條插值擬合腰輪流量計(jì)誤差流動(dòng)曲線, 動(dòng)態(tài)修正以腰輪流量計(jì)滑流量為主的計(jì)量誤差的方法。此方法能顯著提高管道泄漏檢測(cè)的靈敏度和泄漏精度。
2.11 負(fù)壓波
    當(dāng)管道發(fā)生泄漏事故時(shí), 在泄漏處立即有物質(zhì)損失, 并引起局部密度減小, 進(jìn)而造成壓力降低。由于管道中流體不能立即改變流速, 會(huì)在泄漏處和其任一端流體之間產(chǎn)生壓差。該壓差引起液流自上而下流至泄漏處附近的低壓區(qū)。該液流立即擠占因泄漏而引起密度及壓力減小的區(qū)域在臨近泄漏區(qū)域和其上、下游之間又產(chǎn)生新的壓差。泄漏時(shí)產(chǎn)生的減壓波就稱為負(fù)壓波。設(shè)置在泄漏點(diǎn)兩端的傳感器根據(jù)壓力信號(hào)的變化和泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波傳播到上下游的時(shí)間差，就可以確定泄漏位置。該方法靈敏準(zhǔn)確，無(wú)需建立管線的數(shù)學(xué)模型，原理簡(jiǎn)單，適用性很強(qiáng)。但它要求泄漏的發(fā)生是快速突發(fā)性的，對(duì)微小緩慢泄漏不是很有效?；谪?fù)壓波的傳播理論, 提出了兩種定位方法：(1)設(shè)計(jì)了一種能夠快速捕捉負(fù)壓波前鋒到達(dá)壓力測(cè)量點(diǎn)的波形特征點(diǎn)的微分算法, 并基于此種算法進(jìn)行漏點(diǎn)定位；(2)將極性相關(guān)引入漏點(diǎn)定位技術(shù), 通過(guò)確定相關(guān)函數(shù)峰值點(diǎn)的方法, 進(jìn)行漏點(diǎn)定位。這兩種定位方法是對(duì)泄漏時(shí)的壓力時(shí)間序列分別從微分和積分, 從瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩方面進(jìn)行處理,提取特征值。這兩種方法配合使用, 相互參照, 能夠提高泄漏點(diǎn)定位的準(zhǔn)確度。
    目前,負(fù)壓波法在我國(guó)輸油管道上進(jìn)行了多次試驗(yàn),取得了令人滿意的效果,但在輸氣管道上的試驗(yàn)并不多。有文獻(xiàn)指出,負(fù)壓波法完全適合于氣體管道的泄漏檢測(cè), ICI 公司曾經(jīng)使用負(fù)壓波法在乙烯管道上進(jìn)行過(guò)成功的試驗(yàn)。使用壓力波法時(shí),應(yīng)當(dāng)選用只對(duì)負(fù)壓波敏感的壓力傳感器(因?yàn)樾孤┎粫?huì)產(chǎn)生正壓波) ,傳感器應(yīng)當(dāng)盡量靠近管道,而且要設(shè)定合適的閾值,這樣可以更好地抑制噪音。
2.12 壓力點(diǎn)分析法(PPA)
    PPA 法是利用壓力波原理發(fā)展的一種新型檢漏方法, 較其它方法體現(xiàn)了許多優(yōu)點(diǎn)。該方法依靠分析由單一測(cè)點(diǎn)取得數(shù)據(jù), 極易實(shí)現(xiàn)。增添測(cè)點(diǎn)可改善性能, 但在技術(shù)上不是必需的。在站場(chǎng)或干線某位置上安裝一個(gè)壓力傳感器, 泄漏時(shí)漏點(diǎn)產(chǎn)生的負(fù)壓波向檢測(cè)點(diǎn)傳播, 引起該點(diǎn)壓力(或流量) 變化, 分析比較檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)與正常工況的數(shù)據(jù), 可檢測(cè)出泄漏。再由負(fù)壓波傳播速度和負(fù)壓波到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間可進(jìn)行漏點(diǎn)定位。PPA具有使用簡(jiǎn)便、安裝迅速等特點(diǎn)。美國(guó)謝夫隆管道公司(CPL)將PPA法作為其管道數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(SCADA)的一部分，試驗(yàn)結(jié)果表明，PPA具有優(yōu)良的檢漏性能，能在10min內(nèi)確定50gal/min的漏失。但壓力點(diǎn)分析法要求捕捉初漏的瞬間信息，所以不能檢測(cè)微滲。該方法使用于檢測(cè)氣體、液體和某些多相流管道，己廣泛應(yīng)用于各種距離和口徑的管道泄漏檢測(cè)。
2.13 壓力梯度法
    壓力梯度法是上世紀(jì)80年代末發(fā)展起來(lái)的一種技術(shù)，它的原理是：當(dāng)管道正常輸送時(shí)，站間管道的壓力坡降呈斜直線，當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，漏點(diǎn)前后的壓力坡降呈折線狀，折點(diǎn)即為泄漏點(diǎn)，據(jù)此可算出實(shí)際泄漏位置。壓力梯度法只需要在管道兩端安裝壓力傳感器，簡(jiǎn)單、直觀，不僅可以檢測(cè)泄漏，而且可確定泄漏點(diǎn)的位置。但因?yàn)楣艿涝趯?shí)際運(yùn)行中，沿線壓力梯度呈非線性分布，因此壓力梯度法的定位精度較差，而且儀表測(cè)量對(duì)定位結(jié)果有很大影響。所以壓力梯度法定位可以作為一個(gè)輔助手段與其它方法一起使用。
2.14 小波變換法
    小波變換即小波分析是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來(lái)新的數(shù)學(xué)理論和方法，被稱為數(shù)學(xué)分析的“顯微鏡”，是一種良好的時(shí)頻分析工具。利用小波分析可以檢測(cè)信號(hào)的突變、去噪、提取系統(tǒng)波形特征、提取故障特征進(jìn)行故障分類和識(shí)別等。因此，可以利用小波變換檢測(cè)泄漏引發(fā)的壓力突降點(diǎn)并對(duì)其進(jìn)行消噪，以此檢測(cè)泄漏并提高檢測(cè)的精度。小波變換法的優(yōu)點(diǎn)是不需要管線的數(shù)學(xué)模型，對(duì)輸入信號(hào)的要求較低，計(jì)算量也不大，可以進(jìn)行在線實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)，克服噪聲能力強(qiáng)，是一種很有前途的泄漏檢測(cè)方法。但應(yīng)注意，此方法對(duì)山工況變化及泄漏引起的壓力突降難以識(shí)別，易產(chǎn)生誤報(bào)警。  
2.15 互相關(guān)分析法
    相關(guān)技術(shù)實(shí)質(zhì)是在時(shí)延域中考察兩個(gè)信號(hào)之間的相似性，包含自相關(guān)和互相關(guān)兩個(gè)內(nèi)容。油氣輸送管道管壁一般都是彈性體，流體發(fā)生泄漏時(shí)，流體受壓力噴射而誘發(fā)彈性波并沿管壁內(nèi)傳播。檢測(cè)管道某兩點(diǎn)處的彈性波信號(hào)，分析其互相關(guān)函數(shù),利用相關(guān)時(shí)延技術(shù)便可判定是否發(fā)生泄漏及泄漏的位置。相關(guān)檢漏技術(shù)是綜合振動(dòng)、測(cè)試、信號(hào)處理等許多學(xué)科知識(shí)的高新技術(shù)。用互相關(guān)分析法檢漏和定位靈敏、準(zhǔn)確，只需檢測(cè)壓力信號(hào)，不需要數(shù)學(xué)模型，計(jì)算量小。但它對(duì)快速突發(fā)性的泄漏比較敏感，對(duì)泄漏速度慢、沒(méi)有明顯負(fù)壓波出現(xiàn)的泄漏很難奏效。
2.16 基于瞬變流模型的檢漏法
    文獻(xiàn)[18]介紹了一種基于瞬變流模型的檢漏方法。該方法根據(jù)擬穩(wěn)態(tài)流的假設(shè)，考慮了在瞬態(tài)條件下管道的流量變化和壓力分布。對(duì)一條假設(shè)天然氣管道的研究結(jié)果表明，即使是對(duì)于瞬態(tài)條件，該方法也比以往一些未考慮管道的流量變化和壓力分布的常規(guī)方法更準(zhǔn)確地確定管道的泄漏點(diǎn)。這種方法也能應(yīng)用于設(shè)有能引起管道流量分布突變的配氣站的管道系統(tǒng)。
瞬態(tài)模型法主要針對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)泄漏,瞬時(shí)模擬管道運(yùn)行工況,它可以提供確定管道存儲(chǔ)量變化的數(shù)據(jù),為流量平衡法提供參考量。使用管道瞬變模型法的關(guān)鍵在于建立比較準(zhǔn)確的管道流體實(shí)時(shí)模型,以可測(cè)量的參數(shù)作為邊界條件,對(duì)管道內(nèi)的壓力和流量等參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。當(dāng)計(jì)算結(jié)果的偏差超過(guò)給定值時(shí),即發(fā)出泄漏報(bào)警。
2.17 應(yīng)力波法
    管線由于腐蝕、人為打孔原因破裂時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高頻的振動(dòng)噪聲，該噪聲以應(yīng)力波的形式沿管壁傳播，強(qiáng)度隨距離按指數(shù)規(guī)律衰減。在管道上安裝對(duì)泄漏噪聲敏感的傳感器，通過(guò)分析管道應(yīng)力波信號(hào)功率譜的變化，即可檢測(cè)出流體的泄漏。由于影響管道應(yīng)力波傳播的因素很多，在實(shí)際中很難用解析的方法準(zhǔn)確描述出管道振動(dòng)。有人提出使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)管道正常信號(hào)與泄漏信號(hào)，進(jìn)而對(duì)管道的泄漏進(jìn)行判斷。
2.18 基于狀態(tài)估計(jì)的方法　
    該方法根據(jù)質(zhì)量平衡方程、動(dòng)量平衡方程、能量平衡方程及狀態(tài)方程等機(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?？刹捎貌罘址ɑ蛱卣骶€法等方法將其線性化。設(shè)計(jì)狀態(tài)估計(jì)器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì),將估計(jì)值作為泄漏檢測(cè)的依據(jù),這就是基于狀態(tài)估計(jì)的方法的基本原理。其中估計(jì)器可以是觀測(cè)器,也可以是Kalman 濾波器。根據(jù)建立模型的方法,這類方法可分為不包含故障的模型法和包含故障的模型法。
    ①不包含故障的模型法。不包含故障的模型法的基本思路是,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)值與實(shí)際測(cè)量值將會(huì)產(chǎn)生殘差,可用殘差信號(hào)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)定位。當(dāng)泄漏量大時(shí),該方法不可行。另外,該方法需要設(shè)置流量計(jì),而且對(duì)于氣體管道,檢測(cè)和定位的響應(yīng)時(shí)間太慢。
    ②包含故障的模型法。包含故障的模型法的基本思路是,建立管道模型時(shí)預(yù)先假設(shè)管道有幾處指定的位置發(fā)生了泄漏, 通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)得到這幾個(gè)預(yù)先假設(shè)的泄漏點(diǎn)的泄漏量估計(jì)值, 運(yùn)用適當(dāng)?shù)呐袆e準(zhǔn)則便可進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位。該方法在長(zhǎng)90 km、內(nèi)徑785 mm 的氣體管道上,在80 min 內(nèi)可檢測(cè)出2 %的泄漏量,并在100min 內(nèi)可完成定位,定位精度比較高。但當(dāng)實(shí)際泄漏點(diǎn)不處于指定泄漏點(diǎn)之間時(shí),定位公式將無(wú)法使用。對(duì)于氣體管道,檢測(cè)速度相對(duì)較慢,仍需設(shè)置流量計(jì)。
2.19 基于系統(tǒng)辨識(shí)的方法
    通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)來(lái)建立模型是工業(yè)上經(jīng)常使用的方法,與基于估計(jì)器的方法相比,具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)和更加精確等優(yōu)點(diǎn),管道的模型也可以通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)的方法來(lái)得到。目前,采用的方法是在管道系統(tǒng)上施加M 序列信號(hào),采用線性ARMA 模型結(jié)構(gòu)增加某些非線性項(xiàng)來(lái)構(gòu)成管道的模型結(jié)構(gòu),采用辨識(shí)的方法來(lái)求解模型參數(shù),并用與估計(jì)器方法類似的原理進(jìn)行檢漏和定位。
    為了對(duì)管道的泄漏進(jìn)行檢測(cè),可以對(duì)根據(jù)管道實(shí)際情況建立“故障靈敏模型”及“無(wú)故障模型”進(jìn)行對(duì)比和計(jì)算。系統(tǒng)辨識(shí)法的局限性與不包含故障的模型法類似?；谀Ｐ头ǖ囊粋€(gè)共同的問(wèn)題在于,檢測(cè)管道泄漏時(shí)的響應(yīng)時(shí)間慢,特別是對(duì)于氣體管道。這是由于氣體的動(dòng)態(tài)特性變化比較緩慢,實(shí)際測(cè)量信號(hào)的采樣時(shí)間比較長(zhǎng)的緣故。另外,基于模型的方法無(wú)一例外,都要采用實(shí)際測(cè)量的流量信號(hào),由于流量計(jì)價(jià)格昂貴,維護(hù)起來(lái)比較困難,因此,我國(guó)多數(shù)管道沒(méi)有安裝,而且受流量測(cè)量時(shí)流體成分、溫度以及壓力等參數(shù)變化的影響,測(cè)量的準(zhǔn)確度比較低。
2.20 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法
    由于有關(guān)管道泄漏的未知因素很多,采用常規(guī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述存在較大困難,用于泄漏檢測(cè)時(shí),常因誤差很大或易漏報(bào)誤報(bào)而不能用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)管道泄漏的方法,不同于已有的基于管道準(zhǔn)確流動(dòng)模型描述的泄漏檢測(cè)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,是一種基于經(jīng)驗(yàn)的類似人類的認(rèn)知過(guò)程的方法。試驗(yàn)證明這種方法是十分靈敏和有效的。理論分析和實(shí)踐表明,這種檢漏方法能夠迅速準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出管道運(yùn)行情況,檢測(cè)管道運(yùn)行故障并且有較強(qiáng)的抗惡劣環(huán)境和抗噪聲干擾的能力。泄漏引發(fā)應(yīng)力波適當(dāng)?shù)奶卣魈崛≈笜?biāo)能顯著提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算速度?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)計(jì)算研制的管道泄漏檢測(cè)儀器簡(jiǎn)潔實(shí)用,能適應(yīng)復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)方法可推廣應(yīng)用到管道堵塞、積砂、積蠟、變形等多種故障的檢測(cè)中,對(duì)于管網(wǎng)故障診斷有廣泛的應(yīng)用前景。
2.21 統(tǒng)計(jì)檢漏法
    該方法采用一種“順序概率測(cè)試”( SequentialProbability Ratio Test) 假設(shè)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析方法,從實(shí)際測(cè)量到的流量和壓力信號(hào)中實(shí)時(shí)計(jì)算泄漏發(fā)生的置信概率。在實(shí)際統(tǒng)計(jì)上,輸入和輸出的質(zhì)量流通過(guò)流量變化( Inventory Variation) 來(lái)平衡。在輸入的流量和壓力均值與輸出的流量和壓力均值之間會(huì)有一定的偏差,但大多數(shù)偏差在可以接受的范圍之內(nèi),只有一小部分偏差是真正的異常。通過(guò)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差和檢驗(yàn)零假設(shè),對(duì)偏差的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn),來(lái)判斷是否出現(xiàn)故障。泄漏發(fā)生后,采用一種最小二乘算法進(jìn)行定位。
2.22 水力坡降線法
    水力坡降線法的技術(shù)不太復(fù)雜。這種方法是根據(jù)上游站和下游站的流量等參數(shù), 計(jì)算出相應(yīng)的水力坡降, 然后分別按上游站出站壓力和下游站進(jìn)站壓力作圖, 其交點(diǎn)就是理想的泄漏點(diǎn)。但是這種方法要求準(zhǔn)確測(cè)出管道的流量、壓力和溫度值。對(duì)于間距長(zhǎng)達(dá)幾十或百公里的長(zhǎng)輸管道, 由儀表精度造成的誤差可能使泄漏點(diǎn)偏移幾公里到幾十公里, 甚至更遠(yuǎn), 給尋找實(shí)際泄漏點(diǎn)帶來(lái)困難。因此,應(yīng)用水力坡降線法尋找長(zhǎng)輸管道泄漏點(diǎn)時(shí)應(yīng)考慮儀表精度的影響。壓力表、溫度計(jì)和流量計(jì)等的精度對(duì)泄漏點(diǎn)的判定都有直接關(guān)系。把上、下游站這3種儀表的最大和最小兩種極端情況按照排列組合方式, 可以構(gòu)成64 種組合, 其中有2 種組合決定泄漏區(qū)間的上、下游極端點(diǎn)。目前這種方法較少采用。
3 檢漏方法性能指標(biāo)
3.1 泄漏檢測(cè)性能指標(biāo)
    一個(gè)高效可靠的管道泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng)，必須在微小的泄漏發(fā)生時(shí)，在最短的時(shí)間內(nèi)，正確地報(bào)警，準(zhǔn)確地指出泄漏位置，并較好地估計(jì)出泄漏量，而且對(duì)工況的變化適應(yīng)性要強(qiáng)，也即泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng)誤報(bào)率、漏報(bào)率低，魯棒性強(qiáng)，當(dāng)然還應(yīng)便于維護(hù)。歸結(jié)起來(lái)可分為:靈敏性、定位精度、響應(yīng)時(shí)間、誤報(bào)率、評(píng)估能力、適應(yīng)能力、有效性、維護(hù)要求、費(fèi)用。
3.2 診斷性能指標(biāo)
    1) 正常工序操作和泄漏的分離能力:是指對(duì)正常的起/ 停泵、調(diào)閥、倒罐等情況和管道泄漏情況的區(qū)分能力。這種區(qū)分能力越強(qiáng),誤報(bào)率越低。
    2) 泄漏辨識(shí)的準(zhǔn)確性:指泄漏檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)泄漏的大小及其時(shí)變特性的估計(jì)的準(zhǔn)確程度。對(duì)于泄漏時(shí)變特性的準(zhǔn)確估計(jì),不僅可識(shí)別泄漏的程度,而且可對(duì)老化、腐蝕的管道進(jìn)行預(yù)測(cè)并給出一個(gè)合理的處理方法。
3.3 綜合性能指標(biāo)
    1) 魯棒性:指泄漏診斷系統(tǒng)在存有噪聲、干擾、建模誤差等情況下正確完成泄漏診斷的任務(wù),同時(shí)保證滿意的誤報(bào)率和漏報(bào)率的能力。診斷系統(tǒng)魯棒性越強(qiáng),可靠性就越高。
    2) 自適應(yīng)能力:指診斷系統(tǒng)對(duì)于變化的診斷對(duì)象具有自適應(yīng)能力,并且能夠充分利用由于變化產(chǎn)生的新的信息來(lái)改善自身。
    在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,首先要正確分析工況條件及最終性能要求,明確各性能要求的主次關(guān)系,然后從眾多的泄漏檢測(cè)方法中進(jìn)行分析,經(jīng)過(guò)適當(dāng)權(quán)衡和取舍,最后選定最優(yōu)解決方案。
4 存在問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)
    長(zhǎng)輸管道的泄漏檢測(cè)與定位具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義,盡管已經(jīng)取得很大的進(jìn)步,工程實(shí)踐中已得到應(yīng)用,取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)也暴露了許多尚需解決的問(wèn)題。例如長(zhǎng)輸管道的小泄漏檢測(cè)和定位仍是重點(diǎn)攻克問(wèn)題；如何增強(qiáng)泄漏檢測(cè)和定位系統(tǒng)的自適應(yīng)能力和自學(xué)習(xí)能力；如何將多種方法有機(jī)的結(jié)合起來(lái)進(jìn)行綜合診斷,發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),從而提高整個(gè)系統(tǒng)的綜合診斷性能；如何有效解決長(zhǎng)輸管道的非線性分布參數(shù)的時(shí)間滯后問(wèn)題等。
    目前的泄漏檢測(cè)和定位手段是多學(xué)科多技術(shù)的集成,特別是隨著傳感器技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、通信技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、粗糙集理論等人工智能技術(shù)等發(fā)展,為泄漏檢測(cè)定位方法帶來(lái)了新的活力,可對(duì)諸如流量、壓力、溫度、密度、粘度等管道和流體信息進(jìn)行采集和處理,通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型或通過(guò)信號(hào)處理,或通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式分類，或通過(guò)模糊理論對(duì)檢測(cè)區(qū)域或信號(hào)進(jìn)行模糊劃分,利用粗糙集理論簡(jiǎn)約模糊規(guī)則,從而提取故障特征等基于知識(shí)的方法進(jìn)行檢測(cè)和定位。將建立管道的數(shù)學(xué)模型和某種信號(hào)處理方法相結(jié)合、將管外檢測(cè)技術(shù)和管內(nèi)檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合、將智能方法引入檢測(cè)和定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)、機(jī)器人檢測(cè)和定位等是一研究方向[20]。
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