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摘 要：管道因其结构设计能够承受多种环境条件，被广泛用于烃类化合物流体的运输。然而，管道网络泄漏会给运营商和大自然造成严重的经济损失、人员伤亡和生态灾害。为保证管道运输安全可靠，多个国家已开展了大量研究。本文综述了国外管道泄漏最新检测技术的发展现状，总结了检测与定位方法，比较分析了各自的优缺点。
关键词：管道;泄漏;泄漏检测;泄漏定位;传感器
1. 前言
通过油气管道网输送石油、天然气、化学品等烃类化合物流体具有很高的经济性和可靠性。统计表明，管道输送较公路、海运、铁路运输方式的事故致死率分别低87%、4%和2.7%[1]。然而，随着管道输送的全球普及，管道泄漏故障的发生几率呈逐年升高的趋势，造成的平均经济损失十分巨大。例如，2010年9月，美国发生一起管道泄漏，超84万加仑的原油泄漏至卡拉马佐河，造成经济损失约8亿美元。造成管道损坏、发生泄漏的原因包括外部因素、安装缺陷、管道腐蚀、制造缺陷，以及人为疏忽等。由于故障源多样化，导致管道泄漏事故很难完全避免。因此，实施管道检测，及时发现泄漏或泄漏隐患非常重要，可有效降低泄漏所造成的影响和损失。
2.管道泄漏检测方法分类
历经几十年发展，国际上已发展出声学传感、地面探测等十余种方法和若干种分类方法。有研究人员将所有方法简单分为硬件法和软件法;有研究人员从技术属性出发，分为内部法、非技术/非持续法和外部法。最近，英国罗伯特高登大学的Mutiu Adesina Adegboye等在此前的基础上将分类方法进行了优化，最终归纳为外部法、可视/生物法、内部/计算法三类。在以上方法中，外部法主要依托各种传感系统实现管道外部检测;生物法借助受过专业训练的狗或经验人员的视觉、听觉、嗅觉来检测泄漏;内部法基于软件的智能算法，利用传感器监控管道内部环境。远程监控可通过智能清障器、直升机、无人潜航器或无人机搭载传感器系统的方式实现。
3.外部法
外部法主要指使用特定传感设备进行管道外部监测的方法。这些方法既能监视管道异常，并能检测泄漏发生，但一般都需要有傳感设备与被监测设施进行物理接触。所涉及设备包括声学传感器、光纤传感器、蒸汽采样机、红外热成像仪和透地雷达等。
3.1 声发射传感器
声发射是指材料内部局部区域在外界（应力或温度）的影响下，伴随能量快速释放而产生的瞬态弹性波现象。声发射技术是根据结果内部发出的应力波来判断内部损伤程度的一种新型动态无损检测方法。当管道发生泄漏时，从穿孔点逸出的高压流体发生声发射，并产生弹性波信号，此时，可借助两个传感器获得的声学信号之间的时滞来识别泄漏位置[2]。目前的声学检测法已发展出主动方法和被动方法两类。主动方法通过监听泄漏源声脉冲的反射回波来检测管道缺陷。被动方法通过监听管道中压力波产生的声音变化来检测缺陷。所用声学传感器主要分为漏水探知器、地震检波器和声学传感器三类。近年来，基于声发射技术的管道泄漏检测系统已得到广泛应用。
3.2. 光学传感法
此方法主要借助安装在管道外部的分布式光纤传感器来检测。所用传感器主要由功能高分子材料制成，与烃类化合物发生混合时会产生体积和电特性变化。当管道泄漏时，烃类化合物液体会浸入光纤外部涂层，导致泄漏点的温度场和应力场等发生异常变化，从而触发分布式光纤传感器报警，传感信号可传输至监控室进行遥测。目前，该技术已在桥梁、建筑、海洋石油平台、油田及航空、大坝等工程得到了广泛应用。特别是在天然气管道泄漏中具有广阔前景，将为天然气管道的安全运营提供有力保证。此外，分布式光纤传感器还可检测管道泄漏点是否进水。
3.3蒸汽取样法
该方法是一种用于管道检测的物理测定方法，无须软件处理，一般用于确定管道环境中的烃类化合物蒸汽的浓度，适用于储气罐系统，同时也适用于检测管道周围环境中的泄漏气体，可同时检测出多出泄漏点的状况。该技术的缺点是响应时间较长，通常需要几个小时到几天才能对泄漏做出响应。因此，将蒸汽传感器与另一种泄漏检测方法耦合才能发挥更好的作用。
3.4红外热像法
该方法主要通过红外摄像机来检测管道环境的温度变化来检测管道泄漏，由于能够以非接触方式实时测量温度变化，红外热像法进行管道监测被广泛接受[3]。经过数十年发展，已经基于红外热像法发展出数种创新方法，例如，使用无源红外热成像检测气体泄漏，利用基本图像分割算法区分各种异常热图像，从而找出泄漏区域。使用红外成像系统进行管道状态监测的优点是能够及时检测管道网络中的异常情况，系统操作简单，易于使用;缺点是高分辨率红外摄像机成本高，小于1.0mm的泄漏孔很难发现。
3.5探地雷达技术
探地雷达（GPR）将脉冲发射到底下介质中，通过接收反射信号探测地下目标。由于电磁波在介质中的传播与通过介质的电性质和几何形态有关，故通过时域波形的处理和分析可探知地下物体。当管道内的原油发生泄漏时，管道周围介质的电性质会发生变化，从而发射信号的时域波形也会发生变化，根据波形的变化就可以检测管道是否发生了泄漏。库克于1960年首次提出利用雷达方法探测地下物体[4]。Bradford等人利用机载探地雷达技术对雪下管道泄漏进行了检测，研究结果表明，1GHz的探地雷达系统可以探测到海冰和雪之间的2cm稠密油膜。基于探地雷达的管道泄漏检测系统非常适用于地下管道，但不适用于长管道网络。
3.6荧光法
该法主要通过使用荧光渗透剂或着色渗透剂来检测漏点。将渗透剂施加到管道的一侧或表面，然后让其通过任意漏点渗漏。着色渗透剂和荧光渗透剂均可用作液体染料示踪剂。渗透剂停留一段时间后，观察器壁否有渗透剂渗漏。Jasper等人使用荧光材料成功地实现了泄漏检测[5]。由于荧光探测器检测范围大，因此可以将传感器安装在机械臂上进行快速大区域扫描。该方法的缺点是对监控环境能见度要求较高，另外在水下环境中，泄漏位置点的检测容易出现偏差。 3.7電容感应
该方法依靠海水和烃类化合物之间的介电常数变化来检测烃类化合物的存在，一旦烃类化合物与传感器接触，就会产生泄漏信号。传感器的灵敏度取决于泄漏位置和泄漏烃类化合物之间的距离[6]。目前，电容式传感器已引入环境监测市场。
4结论
发展管道泄漏定位与检测技术对于石油、天然气等烃类化合物而言具有十分重要的现实意义，至今已发展出数十种泄漏检测方法，并逐步实现了工程化应用，避免造成大量的经济损失。而外部法检测法是目前国际上应用较为普遍的手段，且每种技术都有一定的优缺点，多种技术集成使用必然成为目前及未来管道泄漏检测技术发展的主流方向。
参考文献
[1] Cramer，R.;Shaw，D.;Tulalian，R.;Angelo，P.;Van Stuijvenberg，M. Detecting and correcting pipeline leaks before they become a big problem. Marine Technology Society Journal 2015，49，31-46.
[2] Li，S.;Wen，Y.;Li，P.;Yang，J.;Yang，L. Leak detection and location for gas pipelines using acoustic emission sensors. 2012 IEEE International Ultrasonics Symposium（IUS），Dresden，Germany，7-10 Oct. 2012，IEEE2012，957-960，doi：10.1109/ULTSYM.2012.0239.
[3] Bagavathiappan，S.;Lahiri，B.;Saravanan，T.;Philip，J.;Jayakumar，T. Infrared thermography for condition monitoring–A review. Infrared Physics & Technology 2013;60，35-55.
[4] Cowdrick D.H. Oblique scanning ground penetrating radar. United State Patent，Jul 25 2000，1-3，Patent No. 609157.
[5] Jasper，A. Oil/Gas Pipeline Leak Inspection and Repair in Underwater Poor Visibility Conditions：Challenges and Perspectives. Journal of Environmental Protection 2012，3，394-399.
[6] Recommended practice，DNV-RP-F302. Selection and Use of Subsea Leak Detection Systems. April，2010. Feb. 2019）.
关键词：管道;泄漏;泄漏检测;泄漏定位;传感器
1. 前言
通过油气管道网输送石油、天然气、化学品等烃类化合物流体具有很高的经济性和可靠性。统计表明，管道输送较公路、海运、铁路运输方式的事故致死率分别低87%、4%和2.7%[1]。然而，随着管道输送的全球普及，管道泄漏故障的发生几率呈逐年升高的趋势，造成的平均经济损失十分巨大。例如，2010年9月，美国发生一起管道泄漏，超84万加仑的原油泄漏至卡拉马佐河，造成经济损失约8亿美元。造成管道损坏、发生泄漏的原因包括外部因素、安装缺陷、管道腐蚀、制造缺陷，以及人为疏忽等。由于故障源多样化，导致管道泄漏事故很难完全避免。因此，实施管道检测，及时发现泄漏或泄漏隐患非常重要，可有效降低泄漏所造成的影响和损失。
2.管道泄漏检测方法分类
历经几十年发展，国际上已发展出声学传感、地面探测等十余种方法和若干种分类方法。有研究人员将所有方法简单分为硬件法和软件法;有研究人员从技术属性出发，分为内部法、非技术/非持续法和外部法。最近，英国罗伯特高登大学的Mutiu Adesina Adegboye等在此前的基础上将分类方法进行了优化，最终归纳为外部法、可视/生物法、内部/计算法三类。在以上方法中，外部法主要依托各种传感系统实现管道外部检测;生物法借助受过专业训练的狗或经验人员的视觉、听觉、嗅觉来检测泄漏;内部法基于软件的智能算法，利用传感器监控管道内部环境。远程监控可通过智能清障器、直升机、无人潜航器或无人机搭载传感器系统的方式实现。
3.外部法
外部法主要指使用特定传感设备进行管道外部监测的方法。这些方法既能监视管道异常，并能检测泄漏发生，但一般都需要有傳感设备与被监测设施进行物理接触。所涉及设备包括声学传感器、光纤传感器、蒸汽采样机、红外热成像仪和透地雷达等。
3.1 声发射传感器
声发射是指材料内部局部区域在外界（应力或温度）的影响下，伴随能量快速释放而产生的瞬态弹性波现象。声发射技术是根据结果内部发出的应力波来判断内部损伤程度的一种新型动态无损检测方法。当管道发生泄漏时，从穿孔点逸出的高压流体发生声发射，并产生弹性波信号，此时，可借助两个传感器获得的声学信号之间的时滞来识别泄漏位置[2]。目前的声学检测法已发展出主动方法和被动方法两类。主动方法通过监听泄漏源声脉冲的反射回波来检测管道缺陷。被动方法通过监听管道中压力波产生的声音变化来检测缺陷。所用声学传感器主要分为漏水探知器、地震检波器和声学传感器三类。近年来，基于声发射技术的管道泄漏检测系统已得到广泛应用。
3.2. 光学传感法
此方法主要借助安装在管道外部的分布式光纤传感器来检测。所用传感器主要由功能高分子材料制成，与烃类化合物发生混合时会产生体积和电特性变化。当管道泄漏时，烃类化合物液体会浸入光纤外部涂层，导致泄漏点的温度场和应力场等发生异常变化，从而触发分布式光纤传感器报警，传感信号可传输至监控室进行遥测。目前，该技术已在桥梁、建筑、海洋石油平台、油田及航空、大坝等工程得到了广泛应用。特别是在天然气管道泄漏中具有广阔前景，将为天然气管道的安全运营提供有力保证。此外，分布式光纤传感器还可检测管道泄漏点是否进水。
3.3蒸汽取样法
该方法是一种用于管道检测的物理测定方法，无须软件处理，一般用于确定管道环境中的烃类化合物蒸汽的浓度，适用于储气罐系统，同时也适用于检测管道周围环境中的泄漏气体，可同时检测出多出泄漏点的状况。该技术的缺点是响应时间较长，通常需要几个小时到几天才能对泄漏做出响应。因此，将蒸汽传感器与另一种泄漏检测方法耦合才能发挥更好的作用。
3.4红外热像法
该方法主要通过红外摄像机来检测管道环境的温度变化来检测管道泄漏，由于能够以非接触方式实时测量温度变化，红外热像法进行管道监测被广泛接受[3]。经过数十年发展，已经基于红外热像法发展出数种创新方法，例如，使用无源红外热成像检测气体泄漏，利用基本图像分割算法区分各种异常热图像，从而找出泄漏区域。使用红外成像系统进行管道状态监测的优点是能够及时检测管道网络中的异常情况，系统操作简单，易于使用;缺点是高分辨率红外摄像机成本高，小于1.0mm的泄漏孔很难发现。
3.5探地雷达技术
探地雷达（GPR）将脉冲发射到底下介质中，通过接收反射信号探测地下目标。由于电磁波在介质中的传播与通过介质的电性质和几何形态有关，故通过时域波形的处理和分析可探知地下物体。当管道内的原油发生泄漏时，管道周围介质的电性质会发生变化，从而发射信号的时域波形也会发生变化，根据波形的变化就可以检测管道是否发生了泄漏。库克于1960年首次提出利用雷达方法探测地下物体[4]。Bradford等人利用机载探地雷达技术对雪下管道泄漏进行了检测，研究结果表明，1GHz的探地雷达系统可以探测到海冰和雪之间的2cm稠密油膜。基于探地雷达的管道泄漏检测系统非常适用于地下管道，但不适用于长管道网络。
3.6荧光法
该法主要通过使用荧光渗透剂或着色渗透剂来检测漏点。将渗透剂施加到管道的一侧或表面，然后让其通过任意漏点渗漏。着色渗透剂和荧光渗透剂均可用作液体染料示踪剂。渗透剂停留一段时间后，观察器壁否有渗透剂渗漏。Jasper等人使用荧光材料成功地实现了泄漏检测[5]。由于荧光探测器检测范围大，因此可以将传感器安装在机械臂上进行快速大区域扫描。该方法的缺点是对监控环境能见度要求较高，另外在水下环境中，泄漏位置点的检测容易出现偏差。 3.7電容感应
该方法依靠海水和烃类化合物之间的介电常数变化来检测烃类化合物的存在，一旦烃类化合物与传感器接触，就会产生泄漏信号。传感器的灵敏度取决于泄漏位置和泄漏烃类化合物之间的距离[6]。目前，电容式传感器已引入环境监测市场。
4结论
发展管道泄漏定位与检测技术对于石油、天然气等烃类化合物而言具有十分重要的现实意义，至今已发展出数十种泄漏检测方法，并逐步实现了工程化应用，避免造成大量的经济损失。而外部法检测法是目前国际上应用较为普遍的手段，且每种技术都有一定的优缺点，多种技术集成使用必然成为目前及未来管道泄漏检测技术发展的主流方向。
参考文献
[1] Cramer，R.;Shaw，D.;Tulalian，R.;Angelo，P.;Van Stuijvenberg，M. Detecting and correcting pipeline leaks before they become a big problem. Marine Technology Society Journal 2015，49，31-46.
[2] Li，S.;Wen，Y.;Li，P.;Yang，J.;Yang，L. Leak detection and location for gas pipelines using acoustic emission sensors. 2012 IEEE International Ultrasonics Symposium（IUS），Dresden，Germany，7-10 Oct. 2012，IEEE2012，957-960，doi：10.1109/ULTSYM.2012.0239.
[3] Bagavathiappan，S.;Lahiri，B.;Saravanan，T.;Philip，J.;Jayakumar，T. Infrared thermography for condition monitoring–A review. Infrared Physics & Technology 2013;60，35-55.
[4] Cowdrick D.H. Oblique scanning ground penetrating radar. United State Patent，Jul 25 2000，1-3，Patent No. 609157.
[5] Jasper，A. Oil/Gas Pipeline Leak Inspection and Repair in Underwater Poor Visibility Conditions：Challenges and Perspectives. Journal of Environmental Protection 2012，3，394-399.
[6] Recommended practice，DNV-RP-F302. Selection and Use of Subsea Leak Detection Systems. April，2010. Feb. 2019）.