1、输油管线泄漏检测和定位的主要方法

泄漏检测与定位技术从不同的侧重点出发，可以有不同的分类方法。对检测和定位方法采用的分类，如图。下面对主要方法分别加以介绍。

监测管壁状况的泄漏检测和定位方法泄漏检测和定位的直观方法就是检测管壁是否出现损坏。最初人们采用沿管分段巡视的方法进行泄漏检测；但这种方法不能及时发现泄漏。为了提高检测效率，人们研制了各种可携带的检测仪表和设备。管内探测球是一类基于超声技术或漏磁技术的检测工具。它的优点是检测准确，缺点是探测只能间断进行。由于探测球在管内随介质漂流，容易发生堵塞停运的事故，而且探测球工程造价高。分布式碳氢化合物传感器电缆，通过沿管道外壁敷设对油、气敏感的特殊线缆来进行泄漏检测和定位。这种检测方法非常灵敏，对于其他方法无能为力的小泄漏和缓慢泄漏有很好的效果。但是，该线缆造价昂贵，施工费用高；而且一旦沾染上了石油产品或溶剂后，就得进行更换。因此，不适合我国的管线应用。全自动的机器人进行泄漏检测和定位。这种机器人携带传感器沿管壁爬行，可以爬过凸缘；但它只适于敷设在地面上的管道

现在出现的在线实时检测技术。这类检测方法以软件为主，软硬结合，实时采集管线中输送流体的压力、流量等信号并进行分析处理，以此进行泄漏检测和定位。这类方法正逐步成为泄漏检测和定位的主流和趋势。

 

2、监测管内流体状态的泄漏检测和定位方法
2.1基于模型的检测方法
为了提高泄漏检测和定位的准确性，建立管道的实时模型。用模型在线估计管线的压力和流量，并与压力或流量的实测值相比较来进行泄漏故障诊断，这就是模型法的基本思想。主要方法有：系统辨识，状态估计和kalman滤波器等。
（1）以估计器为基础的实时模型法
基于状态估计的管道泄漏检测方法可由图

 

建立管道估计器。在泄漏量较小的情况下，假定上、下游泵站入口压力不受泄漏量的影响，可估计出上游站出口和下游站入口的流量。而实际测量值q0，将因泄漏而变大，qn将因泄漏而变小。对实测值与估计值的偏差信号采用适当的算法即可进行泄漏检测和定位，这种方法的不足和局限是h0和hn的假设在泄漏量大时不成立；2）定位公式建立在稳定流基础上，可能引起较大的误差；3）需要设置流量计。管线属于一类时变非线性系统，给出了一种自适应状态估计器，可以较好地解决管道各物理参数随时间变化的问题。给出了一种非线性观测器设计方法———将非线性观测器的设计转化为非线性优化问题，并给出了其在流体管线状态观测上的应用。
（2）以系统辨识为基础的实时模型法
管道系统的模型可以通过辨识得到。用线性=GH= 模型结构增加某些非线性项来构成管道的模型结构，用辨识的方法求解模型参数，采用和估计器方法类似的原理进行检漏和定位。

此方法的局限性与估计器方法类似。

（3）基于扩展kalman滤波器的实时模型法

这种方法不需要像前两种方法那样假定不受泄漏的影响。1）定位算法仍需假定流动是稳定的；2)）检测与定位精度与等分段数! 有关；3）需要设置流量计。参数，采用和估计器方法类似的原理进行检漏和定

 

2.2 基于信号处理的泄漏检测和定位方法
由于流量计造价高且不易维护，我国输油管线中间站上大多没有安装，实时模型法无法应用。基于信号处理的方法无需建立管线数学模型，而且大多只用压力信号，所以特别适合我国管线应用。信号处理的方法主要有负压波法和压力梯度法。
（1）负压波法
当管道上某处突然发生泄漏时，在泄漏处将产生瞬态压力突降，形成一个负压波。该波以一定的速度自泄漏点向两端传播，经过若干时间后，分别传到上下游，上下游压力传感器捕捉到特定的瞬态压力降的波形就可以进行泄漏判断。根据上下游压力传感器接收到此压力信号的时间差和负压波的传播速度就可以定出泄漏点。基于负压波进行检测和定位的主要方法有相关分析法、时间序列分析法和小波变换法。

相关分析法
相关分析法对上下游的压力信号去除均值并求取差分信号后，实时计算其相关函数。当没有泄漏时，相关函数的值在零附近。发生泄漏后，相关函数值将显著变化，以此检测泄漏。并根据相关函数极值点位置进行泄漏点定位。为了消除上下游启停泵对泄漏检测的干扰、增强算法的抗扰性，可以在上下游各增加一个压力测点。用相关分析法检漏和定位灵敏、准确，只需检测压力信号，不需要数学模型，计算量小，因此是一种有效而可行的方法。但它要求泄漏的发生是快速的、突发性的。如果泄漏速度很慢、没有明显的负压波出现，则此方法失效。
时间序列分析方法
系统实时检测到的压力信号构成时间序列，对这两对时间序列进行分析，可以进行检测泄漏。其中较为成功的方法是基于信息测度的泄漏检测方法。它的基本思想是：通过管线两端的+ 个压力信号得到的两个压力梯度构造两个时间序列———分别对应管道正常状态和泄漏状态，用 信息测度对这两个时间序列进行分析，根据预先确定好的阈值按照一定的策略进行预警和故障报警，从而实现对管道的泄漏检测。
这种方法不需流量传感器，只需测量两个端点附近的压力信号，计算量小，泄漏检测灵敏度高，可迅速检漏并报警。但它不能对漏点定位，而且抗干扰性能差，因此可作为一种辅助的测漏方法，与其他方法结合起来使用。
小波变换法
小波变换是一种时间———尺度分析方法，在时、频域中均具有表征信号局部特征的能力。利用小波变换的极值可以检测信号的边沿，并且可以抑制噪声。因此，可以通过小波变换检测瞬态负压波方法的下降沿进行泄漏检测，通过确定负压波到达上下游压力测点的时间差来进行泄漏点定位。小波变换法也是一种灵敏准确的泄漏检测和定位方法，不需流量信号，不用建立管线的数学模型。它的局限性体现在：它要求泄漏的发生是快速的、突发性的；抗干扰能力差，对于工况扰动易误报警。
（)）压力梯度法
理想情况下，管线压力沿管线线性变化，当发生泄漏并且再次稳定后。因此若用和上游端两个压力测点）计算出上游管段的压力梯度，用和下游端两个压力测点）计算出下游管段的压力梯度，二者在泄漏点处应有相同的边界条件，由此不难计算出泄漏点位置。其示意图如下。

压力梯度法只需要在管道两端安装压力测点，简单、直观；不仅可以检测泄漏，而且可确定泄漏点的位置。但因为实际中沿线压力梯度呈非线性分布，压力梯度法的定位精度较差；而且仪表测量对定位结果有很大影响，对此进行了分析。

压力梯度法定位可以作为一个辅助手段与其他方法一起使用。

 

针对线性压力梯度法定位精度差的问题，提出了不等温长输管道泄漏定位的方法。通过建立反映管道沿程热力变化的水力和热力综合模型，找到更能反映实际情况的非线性压力梯度分布，进行泄漏定位。此方法对于原油（或其他流体）在粘度、密度、热容等特性随着沿程温度下降有较大变化的管道显示出很大的优越性，但该方法需要流量信号，而且需要建立较复杂的数学模型，增加了计算量。

 

2.3   基于知识的方法
基于知识的泄漏检测主要有人工神经元网络、统计学和模式识别的方法。
人工神经元网络由于可以具有模拟任何连续非线性函数的能力和从样本学习的能力，在故障诊断中受到广泛的重视。它也被用于输油管线泄漏的检测。用泄漏信号特征指标构造神经元网络输入矩阵，建立对管道运行状况进行分类的神经元网络模型以检测泄漏故障。但由于所获得的训练数据难以包含所有故障模式，离线训练的神经元网络模型在线应
用时能够识别的故障非常有限。针对这一困难，提出了一种自适应神经元网络的算法来在线学习过程故障，取得了更好的应用效果。提出了一种基于统计学假设检验的泄漏检测方法。统计上，输入和输出的质量流满足一定的平衡关系。在输入
的流量和压力均值与输出的流量和压力均值之间会有一定的偏差，但大多数偏差在可以接受的范围之内，只有一小部分偏差是真正的异常。通过计算标准偏差和检验零假设，对偏差的显著性进行检验，来判断是否出现故障。对泄漏产生的瞬态负压波进行特征提取和结构模式识别，以此进行泄漏检测和定位。

 

总的来说，基于知识的泄漏检测和定位方法仍处于试验阶段，还有很多待解决的问题。

2.4  其他方法
除了上述方法外，还有传统的流量平衡法、温度监测法等泄漏检测方法。这些方法原理简单，但作用有限，不能定位；而且检测灵敏度低，抗干扰能力差，只适合大泄漏量和快泄漏。因此基本上已被新的方法所取代。

 

 

 

近年来，计算机技术、控制理论、信号处理、模式识别、人工智能等学科的发展促进了以软件为主的输油管线实时泄漏检测技术的发展。可以设想，这方面的检测技术仍将是研究的热点和趋势。而且，作为非线性时变参数的管道系统，自适应的思想在检测和定位算法中也将发挥越来越重要的作用。泄漏检测和定位研究的难点依然是小泄漏量检测和泄漏点定位。
另外一个值得注意的问题是：实际管线中的压力信号中混杂有大量的噪声，主要来自于仪器仪表的测量噪声，输送过程中的随机噪声和外界干扰，噪声和干扰信号的幅度甚至可以将泄漏引发的有用信号淹没。如果不能对原始压力信号进行有效的滤波，基于信号处理的泄漏检测方法将严重失效。因此，有效的滤波技术也是管道泄漏检测和定位方法研究的一个
重要内容。
我国油田系统对于管线泄漏监控系统的需求很迫切，但成功应用的实例却很少。因此，研究符合我国输油管线实际情况的泄漏检测和定位方法，研制开发计算机实时泄漏检测和定位系统是一个非常有前景和实际意义的课题。

我国油田系统对于管线泄漏监控系统的需求很迫切，但成功应用的实例却很少。因此，研究符合我国输油管线实际情况的泄漏检测和定位方法，研制开发计算机实时泄漏检测和定位系统是一个非常有前景和实际意义的课题。

一、管道泄漏检测与定位的意义：

　　 管道运输已经是我国的主要运输手段之一，目前全国各地建成的各类输送管道长度已超过70 000 km。但是由于管道设备老化（腐蚀）和人为原因(施工、盗油和破坏等)还有防腐失效的影响 ,管道泄漏事故经常发生。比如最近发生的大连新港输油管道爆炸带来重大污染；英国石油公司可能在墨西哥湾出现的海底管道渗漏都是不仅造成大量的损失而已造成了严重的污染。。因此，及时对流体输送管道的泄漏进行检测和泄漏点的定位 ,防止泄漏事故进一步扩大 ,具有重要的经济效益和社会效益。

二、泄漏点检测常用方法和评测手段：

(1) 目前广泛应用的是基于负压波和基于声波信号的泄漏检测与定位方法。当管道某处突然发生泄漏时 ,在泄漏处将产生瞬态压力下降 ,形成一个负压波 ,该波以1 000 m/ s的速度从泄漏点向两端传播然后根据压力信号分析，但是基于负压波的有几类共性的问题：

① 由于管道都是高压1—5 MP，所以对小泄露量和缓慢泄露（压力变化0.01MPa左右）不够灵敏和漏报比较普遍。

② 这类系统抗工况绕道能力比较差，系统误报比较多。

如果一味的提高对小泄流量检测的灵敏度，会导致更多的误报，所以需要寻找一种更好的方法。

(2) 常用的检测方法。一类是外部环境检测，早期就是用人员的外部巡视法（比较原始）、油气敏线缆、检测光纤（PCS和光纤温度传感器）。另一类是管内流动状态检测，有基于模型、基于信号处理、基于模式和人工神经元网络的方法.

(3)常用的评测方法  

对一个实际的故障诊断系统，可以用以下性能指标加以评价：泄漏检测的灵敏度、泄漏点的定位精度、抗工况扰动能力、系统响应时间。

三、声发射检测技术的原理和优点：

（1）声发射检测的原理   众所周知物体间的相互碰撞均会产生振动发出声音形成声波，声波不但能在空气中传播而且能在液体和固体中传播，声波在空气中传播时其传播速度仅为340m/s， 而声波在钢管中传播时其传播速度高达5000m/s以上 。通常，当管道内液体发生泄漏的瞬间，管道内的压力平衡被破坏，造成系统流体弹性压力的释放，引起瞬间声波震荡，在管道内 形成声场。泄漏产生的声波具有较宽的频谱，分布 在6-80k Hz之间。声波法是将泄漏时产生的噪声作为信号源，由声波传感器采集该信号，从而确定泄 漏位置和泄漏程度。 

（2） 声发射检测法的优点

① 在管道流量不稳定及停输等状态下，测漏性能不变，误漏报率低，适用于两相（油、水）或三相（油、气、水）流体。这一点就明显好于以广泛应用的负压波，它会造成压强的不稳定而出现过多的信号早上而极容易产生误报。

②由于声波在钢管中的5000m/s以上的速度决定了这中检测方法的实时性，能在泄露或者是盗油才开始就可以发现，最大程度了保证损失的最小发生。

③稍加改造可以实施监控，为了保证声波（应力波）信号的强度，可以在长距离管道上设置多分站，数据通过无线电传输，和GPS定位系统，数据经过定向天线处理后可以很容易的传入件事网络（这只是在交通部发达，偏僻的山村）可以不用电缆及光缆，还可以满足现场随时都可以有数据可以分析。可以节约大量的人力，财力，物力。

④ 主要的设施安装在站内，安全性好，维护费用低， 操作简单，便于管理。而且准确率很高，高达90%，是公认的一种很好的微泄露检测方法。

（3）声发射检测技术的发展

前期声波法因监控距离短，管道泄漏时间和发现时间不同步， 定位误差较大， 难以确定泄漏的程度。另外，操作中需要较多的工作人员，在实际应用中受到很多限制。经改进后的声波法监控长度为60 km ，使用的GPS接受器具备发现时间和泄漏时间同步的功能。随着传感器灵敏度的提高，定位精度已达到30m 以内。该技术使用类似 “指纹识别” 的方式， 可将现场采集的各项参数与真实泄漏信号相对比，大幅度地减少误漏报率。改进后的声波测漏系统具有较高的测漏灵敏性和定位精度，所有参数可先行设定或自动校正得出，而且比前期声波法需用的人员少。

四、声发射检测系统的组成：

（1）系统的体系结构

①系统的拓扑结构：由检测仪表、信号的采集与传输装置（RTU）、GPS装置、通信网络、主计算机和客户端这五大部分构成。这样就把下游油泵站和上游油泵站和传感器以及客户控制端连接成了一个统一的整体

②系统的网络结构：a.服务器不在操作站上时采用光纤局域网和无线电话网；电台、微波、和电话线点对点通信。

                  b. 服务器在操作站上时采用光纤局域网和无线电话网，用串口直接（232或者485协议）与服务器的RTU连接。

（2）系统的软件构架

①RTU程序  先有采样程序实时采集各声音信号，然后用RTU通信程序将信号按照传输协议送到服务器程序，

②服务器程序  由主控模块、数据库模块、客户端模块、通信模块、组态功能模块、泄漏检测与定位算法模块构成

③远程客户端程序    远程客户端上程序功能和主机服务器上的界面程序一样，可以在主机服务器允许的情况下通过ie浏览器直接访问服务器，可以实现远程控制和实现客户端界面程序所具有的一切功能。

（3）远程数据单元 

远程数据单元RTU安装在油泵的两端。远程数据单元RTU主要有3个功能：多任务处理、信号采集和通信、对时。

（4）数据通信和GPS对时   管道泄漏定位的关键之一是将上下游同时刻的数据汇集到一起，用以得到声波信号的上下沿的准确的时间差，同步程度在一定程度上决定了定位的精度。所以GPS对时的主要目的是为了使上下游的数据得到很好的同步，这也是这一套检测系统比较精确的原因之一。

五、信号的采集、分析和准确的定位：

(1)泄漏信号的产生   管道受内力或外力作用产生形变或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射。弹性波在结构中传播时携带有大量结构或材料缺陷处的信息，用仪器检测、分析声发射信号和利用声发射信号可以对结构或材料中的缺陷进行检测和定位。从严格意义上来说，泄漏所激发的应力波并不是声发射现象。因为在泄漏过程中，管壁本身不释放能量，但由于泄漏时，泄漏的液体与泄漏孔之间的相互作用也会在管道中激发出应力波，通过该应力波可以描述材料结构上的某种状况。所以从这个意义上说，管道泄漏在管道中激励出应力波也可以认为是一种声发射现象。

声发射信号具有很大的动力学范围，其位移幅度可以从10到10，拥有10的六次方量级的变化范围。声发射信号产生的形式也是多种多样的，一般人为地将声发射信号分为突发型和连续型两类。如果信号是由区别于背景噪音的脉冲组成，且在时间上可以分开，那么这种信号就称为突发型信号；如果信号的单个脉冲不可分辨，这些信号就称为连续声发射信号。充液管道泄漏时将在管道上激发连续的声发射信号。

（2）信号的传播   

①信号在管道壁中的传播可以用圆管中的声波导波理论来描述：Pornloff和Sondhis根据质量、动量和能量守恒定律证明了圆管中声波的传播满足下述偏导方程组：

以上方程是在假设管壁上都不存在热传导和粘滞带来的损耗的前提下成立，但实际上管道泄漏时，产生的声波不光有轴向(纵向)模式的振波，还包括圆振和横振模式的波动；并且在液体或气体的流动过程中，不但有热能的损失，也有动能的损失，因此需要对方程进行修正。

  ②均匀无损管道泄漏模型可简化成图2—3，当泄漏孔发生泄漏时，声信号分别向泄漏

孔的两端传播。

绝大多数对管道泄漏的试验研究都是在这种均匀管上进行的。实际上即便是绝对均匀的圆管，在使用过程中，也会由于压力变形、腐蚀不均等原因而变成非均匀的管，因而，这种模型对等截面的管道泄漏也并非完全的适用，但是我们可以用这种模型去近似实际的管道模型。

由此可见：理想的圆管泄漏模型可近似为时变的线性系统。在实际的检测中，理想的圆管并不存在，由于噪声、圆管的变形、泄漏孔型等因素的影响，使实际的管道模型非常复杂，很难建立其数学形式的模型，因此，现有的泄漏检测与定位方法几乎都是建立在信号的分析与处理基础上。

(3)信号的采集   信号采集也就是把声音信号转换为电信号。在声学测量中测量精度较高的通常是压强式，压强式传声器对声压的压强发生响应。它的结构很简单：在一密封腔上固定一个受声振膜 。空腔上有一小孔，它使腔内平均压强与周围大气压强保持平衡。当此装置放于空间时，如果声场不存在则腔内外压强相同，作用在膜片上的合力等于零，如有声波入射，则振膜在腔外的一面受到声压 p的作用，假设振膜的面积为 S，接收时对声场扰动不大，而膜片上声压是均匀分布的，则振膜上就产生合力：

下面是个示意图：

由下面的公式来完成信号的转换工作

 其中J是一阶贝塞尔函数，这就完成了泄漏信号的采集。

(4)信号的分析

对采集到的信号准确的分析是判断泄漏是不是发生了的最重要依据。

4.1  对采集到的信息有以下两种最基本的内容要进行分析：

①声发射信号的参数分析（以前使用，现在不常用）      声发射信号简化波形特征参数分析方法目前广泛应用于声发射检测技术。对连续型声发射信号，能量测量是定量研究声发射信号的主要方法之一。声发射信号的能量通常用均方电压Vm。或均方根电压Vm来表征。一个信号V(t)的均方电压Vm。和均方根电压Vm。定义如下：

② 声发射信号的波形分析（现在主要使用）    声发射信号的特征参数分析方法不能充分利用声发射信号中包含的信息。随着计算机技术和传感器技术的发展，声发射检测己经由早期简单参数分析发展到今天的波形分析。波形分析是通过分析所记录的信号的时域波形来获取声发射信号所蕴含信息的一种方法，它能提供更全面更详尽的声发射信号特征信息。从理论上讲，波形分析应当能给出任何所需的信息，因而也是最精确的分析方法，可实现对声发射信号的定量分析。目前人们常用现代信号处理的一些方法对声发射信号的波形进行分析，如小波分析方法、相关分析、频谱分析方法、AR谱分析方法、神经网络识别分析方法等。

4.2  信号分析具体的手段：

声发射检测目前主要用波形分析。波形分析是通过分析所记录的信号时域波形来获取声发射信号中所蕴涵信息的一种方法。在波形分析中，信号处理方法是提取波形信息的重要手段，因此声发射信号的分析是声发射检测方法中重要的一个环节，其目的是获得声发射源的有关信息(如声发射源的特征、位置)。关于声发射信号的分析，近年来学术界发表了大量的论文。内容主要集中在神经元网络、小波分析、相关分析等几个方面。

①  神经网络

唐秀家、颜大椿研究了管道泄漏后形成多相湍流所引发的应力波在管道中的传播机理，分析了泄漏引发的管道横振、纵振和圆环振动，提出了一系列应力波提取指标及离散数据算法。首次提出了以泄漏信号特征指标构造神经网络输入矩阵，建立对管道运行状况进行分类的神经网络模型以检测管道泄漏事故的发生。Igor Grabec，Tadc!j Kosel等人对声发射中的声源定位这类逆问题的经验处理办法进行了阐述，并将其应用到连续声发射信号的源定位中。将连续声发射现象当作一个随机过程处理，这个随机过程可以通过声源坐标和声发射的相关函数来描述。由一系列样本所得到的数据形成声发射现象的经验模型。模型的形成过程中，声发射信号由位于试件特定位置的声源发出，记录的超声信号与声源坐标一起输入到神经网络中，神经网络的第一层决定信号与信号的形式以及源坐标数据向量的相关函数，在网络的第二层，利用输入的数据向量并通过自组织学习过程形成一系列原形向量。为了在学习过程完成之后，网络可以通过检测到的声波信号确定声源位置，传感器提供声发射信号，由神经网络确定相应的相关函数并使之与声源坐标相联系，这种相互关系通过网络第三层的非参数归一化分析方法来实现。根据自适应滤波器的特点以及BP网络的工作原理及应用过程中存在的一些问题，将传统的BP算法进行了适当的改进，用训练好的神经网络对声发射信号进行剔噪处理，效果比较理想。

②小波分析

小波变换是近20年来发展起来的一种信号处理方法，与信号的时域分析和频域分析不同的是，小波变换具有同时在时域和频域表征信号局部特征的能力，既能够刻划某个局部时间段信号的频谱能力，又可以描述某一频谱信息对应的时域信息。这对于分析含有瞬态信息的声发射信号是最合适的。张平、刘时风、庚荣生、沈功田在综合描述声发射信号的特点和小波变换的基本原理基础上，结合实例介绍了小波变换在声发射信号的特征提取，时域分析和噪声去除等三个方面的应用。李录平、邹新元、刘镇清、黄瑞菊、杨建波等给出了小波分析技术在声波信号分析中的应用，王健等将小波分析技术与人工神经网络技术相结合用于复合材料中波形的模式识别，具有较高的正确识别率。蔡正敏、吴浩江味日用小波变换的方法对泄漏信号进行去噪处，提高了管道泄漏的检测精度。

例如，经过处理后能得到如下的图，就可以知道的确是发生了泄漏。

总之，对信号进行以上分析其目的是获得声发射源的有关声发射源的特征、位置和过滤噪声的相关信息。

（5）泄漏源的定位

当将信号经过以上步骤处理，滤波后可以确认是真实的有管道发生泄漏，接下来就是要进行精确的定位。

常用的声发射源定位方法分为时差定位和区域定位两类。在实际工作中最常用的是时差定位，声发射源的定位需要由多通道的声发射仪器来实现。时差定位方法的基本原理为：首先将几个声发射换能器按一定的几何关系放置在固定点上，组成换能器阵列，测量并计算同一个声发射源发射的声波传播到各换能器的相对时差，将这些相对时差代入满足该换能器阵列几何关系的一组方程中求解，便可得到声源的位置坐标。由于声发射波在传播过程中会有能量损失，即声发射信号的强度随测量点与声发射源距离的增加而衰减。根据这一现象，通过分析换能器接收到声发射信号的强度，可以粗略确定声发射源所在区域；通过分析衰减特性，可以实现声发射源的精确定位。

在时差定位方法中，常用的定位技术有：一维定位技术(也叫线定位技术)，二维定位

技术(包括平面定位，柱面定位，球面定位)，三维定位技术。当被检测物体的第三个方向上的尺寸远大于其他两个方向上的尺寸时，可采用线定位进行声发射检测，如管道、棒材以及钢梁等。

时差线定位时至少需要两个声发射换能器，其定位原理如下图所示。如在传感器l和传感器2之间有一个声发射远产生声发射信号，到达传感器l的时间为t1，到达传感器2的时间为t2，因此，该信号到达两个传感器的时差t1-t2。两如果声波在试件中传播的速度为c，则声发射源距传感器的距离：

d可以由以下公式确定：

这个一般可以精确到30m以内，有了这个范围到现场简单的通过一些现场的手段就可以很精确的定位了，如DCVG、CIPS、PCM法等，反正可以在很短的时间内确定泄漏的位置。

当声发射源在两个传感器之外时，此定位技术失效。声发射源线定位技术的关键是确定两个量：声波在试件中传播的速度C和信号到达两个传感器的时间差△t。其中，速度C一般可通过测量的方法或查阅有关资料可以得到。对于时差△t的确定则要视情况而定。当声发射信号为突发声发射信号时，时差△t可通过多通道声发射仪器的各通道记录信号的到达时间确定。当声发射信号为连续声发射信号时，时差△t一般通过相关分析的方法确定。实际情况中，由于声发射信号的衰减、声发射信号在结构传播中的频散现象，△t的确定更为困难。

（6）试验仿真

试验仿真可以有自建模型模拟和用仿真软件

①自建模型仿真    如下图建立石油管道泄漏声发射检测系统示意图，检测系统主要包括管道泄漏模型和声发射检测装置两个部分。

管道泄漏孔径：1.0mm，1.5mm，2.0mm，2.5mm。管道一端与扬程为55m的自吸泵相连，管道两端进出口处装有球阀，与进、出水管道相连。通过调节球阀开口大小，实现管道内水压的调节。

传感器到泄漏孔的距离：50cm、l00cm、150cm、200cm、300cm。

  有了以上试验装置，发射信号收集→信号放大→A／D采样输入计算机→进行波形分析（小波或者神经网络）→滤除杂波、噪声→统计出概率直方图→做出功率谱→泄漏信号时域波形图→泄漏信号奇异性定位→评价正确性。

然后通过以上的数据处理的方法，检测一些是不是能都由波形准确的定位出泄漏的位置以及泄流量的大小，让后一此数据为准慢慢修正，找到最合适的数据处理方法。由于没有试验，就不分析了，这本文献上做的是清清楚楚。

②SCADA系统   模拟仿真系统作为输油管道控制和管理的工具，应完成准确地评价管道的过去、解释管道当前发生的事件、预测管道的未来等任务。采用的软件是专用于管道的实时模拟仿真软件，为操作调度人员提供调度和操作参考，并可为操作员的培训提供平台，以保证管道安全、平稳、高效、经济运行。该系统将在北京调度控制中心和廊坊备用调控中心的一台专用的服务器中运行。本工程中采用一套在线模拟仿真软件，它通过接口直接获取SCADA系统数据库中的实时数据，经计算将结果输出到SCADA系统数据库中，为调度及操作人员和SCADA系统提供所需的数据

（7）实际管道检测   可以选择实际情况进行检测，这是每一种方法必须要经历的过程，因为最后总是要用到生产实际中去的，要选择一段输油管道，本方法不会对管道造成任何形式的伤害，所以比较容易的做到，可以积累一定数量的数据，来评价系统的可行性。

（8）其他定位方法：当然进行准确定位的不止是线定位一种，还有很多种，1基于信号幅度或功率衰减的定位、互相关定位、干涉式定位、神经网络定位、BP网络定位。后面两种都是才研究不久，是运用了人工智能方面的一些技术与成果，因成在智能化、自动化、等等方面有无可比拟的优势，但是稳定性有待提高，在日本、美国进展的比较迅速，在我国步伐比较的慢一点，不过的确是比较有前途的方法。

五、结论：

 通过对管道泄漏检测技术现状进行了综合分析，得出以下结论：

1．目前管道泄漏的声发射检测方法难以实现现场检测较高的灵敏度和定位精度。

2．管道泄漏检测技术呈现以软件方法为主，硬件方法为辅的发展方向。近些年，随着计算机技术、信号处理、控制理论、模式识别、人工智能等学科的飞速发展，以软件方法为主的管道泄漏声发射检测技术得到飞速发展，并能实现实时在线监测，及时给出报警信号，这方面将是研究的重点和趋势。

3．声发射泄漏检测技术在管道检测方面具有实时连续长期监控、定位较准确的优点，并且能检测微量泄漏，受到了国内外企业及相关研究人员的重视。我国已经开始在这方面的探索研究，但是研究的理论和成果距现场实际应用还有一定距离，还没有形成自主的检测仪器产品。

4.管道泄漏检测与定位技术也要与科技与时俱进，尤其是在信号的采集与处理上，采集依赖新的原理和高灵敏度的传感器；同时信号的处理要依靠高的智能化处理理念，比如像炙手可热的人工智能中的神经网络及有限元分析法，这写新的手段在别的方面已经有的长足的进步，也可以引入到管道泄漏检测中来，与以比较传统的原理比如，本文的声发射检测相结合，也算是一种新鲜的血液。

安控在管道监控领域做得不错！

自上世纪70 年代以来，在管道泄漏检测技术方面的研究工作不断进行，尝试各种新的方法和手段。从简单的人工分段沿管线巡视发展到较为复杂的软硬件相结合的方法，提高了管线泄漏检测的灵敏度和准确定位。

 

1.1流量平衡法
该方法基于管道流体流动的质量守恒关系，根据管道进出口的流量测量值，结合管道中原油的流量分析，确定管道中是否发生泄漏。该方法简单、直观，但对于任何一个扰动或管线本身的动力变化都是敏感的，容易造成误检。为了提高检测精度和灵敏度，人们改进了基于时点分析的流量平衡法，改进后的动态流量平衡法在检测精度和灵敏度上比一般的流量平衡法有所提高，但它需要建立管线的动态模型，而且这种方法确定泄漏位置对少量泄漏的敏感性差，不能及时发现泄漏。

 1.2压力坡降检漏法是上世纪+& 年代末发展起来的一种技术，它的原理是：正常输送时站间管道的压力坡降呈斜直线，当发生泄漏时，漏点前的流量变大，坡降变陡，漏点后，则流量变小，坡降变平，沿线的压力坡降呈折线状，折点即为泄漏点，据此可算出实际泄漏位置。压力坡降检漏法以上下游压力梯度信号构成时间序列模型，该时间序列模型的统计特性对泄漏量敏感

1.3  压力波检漏法（瞬变流动检漏法、负压波法、波敏法）
当管道上某处突然泄漏，在泄漏处将引起瞬态压突降，类似于分支管线上的阀门开启，会产生一个负压波，从漏点开始，该波以一定速度分别向上、下游传播。管壁象一个波导管，压力波可以传播相当远，分别传到上、下游，上下游压力传感器捕捉到特定的瞬态压力波形就可以进行泄漏判断，如果能够准确确定上、下游端压力及接收到信号的时间差，那么根据负压波的传播速度就可以检测出泄漏点的位置

该方法需要在沿线设置能连续测量压力、流量、温度的检测点，记录并远传到主控室建一个检测点，而且对传感器精度、传输电路、计算机及配套仿真软件要求很高。压力波检漏法的特点是能迅速地检测出泄漏量少的漏点。

1.4 探测球法
基于磁通、超声、涡流、录像等技术的探测法是上世纪80年代末期发展起来的一项技术，将探测球沿管线内进行探测，利用超声技术或漏磁技术采集大量数据，并将探测所得数据存在内置的专用数据存储器中进行事后分析，以判断管道是否被腐蚀、穿孔等情况，即是否有泄漏点。该方法检测准确，精度较高，缺点是探测只能间断进行，易发生堵塞、停运的事故，而且造价较高。

1.5  以估时器为基础的实时模拟法
该方法是上世纪80 年代中期发展起来的一项技术，由于管道内流动的各物理参数都可能随时间变化，属于一类时变的非线性系统，因而运用估时器能较好地处理上述问题。在泄漏量较小的情况下，可以假定上、下游入口压力不受泄漏的影响，只是压力梯度呈折线分布，因此，估计器的输出也不受泄漏的影响。由实测值与估计值得出偏差信号，通过对偏差信号做相关分析，便可得到定位结果

1.6 以系统辨识为基础的实时模型法
该方法分别建立“故障灵敏模型”及“无故障模型”进行检测和定位，以满足泄漏和定位对模型的不同要求，在管道完好的条件下，建立其无故障模型和故障灵敏模型，然后，基于故障灵敏模型，用自相关分析算法实现泄漏检测；基于无故障模型，用适当的算法进行定位，最后进行漏量估计

1.7 kalman滤波器实时模型法
该方法将管道等分成1 段，假定中间分段点上的泄漏量分别为去去q1，q2，qn然后，建立包括上述泄漏在内的状态空间离散模型，用kalman滤波器来估计这些泄漏量，运用适当的判别准则，便可进行泄漏点的检测和定位

1.8  统计学和模式识别方法
统计学和模式识别方法是1996年开发的一个用统计学方法检测泄漏的软件，该方法对进入计算机的采样数据进行原重守恒的概率计算和假设检验，除非发生泄漏，否则在输入和输出之间在考虑了一定波动的情况下，质量应是平衡的，偏差的检测是通过一个称为“序列概率检验”的方法进行的

泄漏检测与定位技术已进入到了软硬件结合为主的新时代，运用现代控制理论和信号处理技术研究泄漏检测定位是当前的热点研究领域，无论何种方法，面临的最大挑战与研究目标都是要提高对微小的缓慢泄漏量检测的灵敏度以及对泄漏点定位的精度。

           

1、泄漏产生的原因及危害

泄漏是影响油气管道安全的主要因素。管道的腐蚀穿孔、突发性的自然灾害(如地震、滑坡、河流冲刷)以及人为破坏等都会造成管道泄漏乃至破裂，威胁到长输管道的安全运行。

按损失程度的不同，泄漏可分为小漏(低于正常流量的3％)、中漏(在正常流量的3％～10％以内)、和大漏(超过正常流量的10％)三种。
产生泄漏的原因可能千差万别。例如，小漏(或称为“砂眼”)通常发生于管道金属被周围介质腐蚀破坏时。埋地管线由于受土壤中电化学过程的作用，金属逐渐受到破坏，导致管壁上出现锈点和蜂窝，逐渐扩展到管道的全部壁厚。在土壤腐蚀的情况下，管壁穿孔速度可达6～7mm/年。发生泄漏的原因还可能是在管道施工过程中管道金属受到损伤，而在试压时又未能及时发现，这些呈小裂纹状的损伤在管线内外压力的作用下逐渐发展，从而导致出现砂眼或破裂。管线的工作压力过高，产生水击压力波，也可能使管线超压造成金属损伤和破裂。

我国有大部分油气管道的运行时间已超过二十年，管道强度和涂层完整性都已进入危险期，整个油田管网已进入事故高发期，据统计，我国油田管道穿孔率为0.66次/(km.a)左右。近年来，由于原油价格上涨，国内不法分子受利益驱动疯狂地在输油管道上打孔盗油，严重干扰了正常的输油生产，给油田造成了巨大的经济损失。例如，胜利油田油气集输公司仅在1999年10月一个月内就发生盗油破坏泄漏点13处，损失原油数千吨，直接经济损失200多万元。虽然采取了加大巡查力度，重奖举报考或发现泄漏及时封堵等措施，但收效甚微。长距离输油管道盗油事件也时有发生，且呈蔓延之势。例如中洛输油管道严重时每年发生盗油泄漏事故达300余起之多，给管道造成了严重的经济损失，同时造成了严重的环境污染。

泄漏产生的原因可归纳如下：
⑴ 管道材质不良，由于材质开裂，存在砂眼；
⑵ 管道涂层损坏、脱落，造成管道腐蚀穿孔；
⑶ 管道接头、阀门安装不良造成泄漏；
⑷ 由于地下管道拥挤，在施工其他地下工程时而影响所致;
⑸ 由于高层建筑工程的重压，使地基下沉，致使管道开裂;
⑹ 由于地质构造原因使地基下沉，造成管道开裂（如地震、地下水位下降等）；
⑺ 穿越公路的管道由于重载车辆的通行而造成管道开裂；
⑻ 人为盗油，造成管道穿孔。

长输管道发生泄漏事故极其危险，因为除了损失油气产品之外，还会酿成爆炸或火灾事故，严重威胁管道沿线国家和人民的生命财产安全。另外，油气产品泄漏还会造成严重的环境污染，尤其是油品流入土壤和河流的危害更大，会污染水土介质，造成灭绝动植物。输油管道泄漏的污染面积可按下列经验公式估算：

式中：S—污染面积，m2
            q—泄漏量，m3。
因此，在油气管道的运行管理中，及时发现管道泄漏并确定漏点位置，对于保证管道的安全运行、减少因泄漏造成的经济损失和对环境的污染、防止爆炸和火灾事故的发生具有十分重要的意义。

2、管道泄漏监测方法分类

根据不同的分类依据，管道检漏方法有多种分类方法：
(1) 根据应用性质可划分为两类，即不影响输油工艺操作的在线检测和输油管道停运后的离线检测。
(2) 根据检测位置不同划分为管外检测法和管内检测法。
(3) 根据检测对象的不同，可将检漏方法分为两类。一是直接检测泄漏的石油、天然气的直接检漏方法；另一种是检测因泄漏造成的流量、压力、声音等物理参数的间接检漏法。