简介

原油相当频繁地用管道网络来运输。为了得到泄漏的证据，长距离、大容量的管道被种种可利用的技术所监视，但是在大多数情况下，只有在相当多的流体已经从管道中流失时泄漏才能被检测到。如果安装了成功的实时监测系统，将可以达到1~2%管道流率的泄漏灵敏度，并且将泄漏引起的环境和经济方面的负面影响降至最小(Schlattman,1991) 。
用于油、气生产装置或收集系统中的短距离地表管道通常是在没有永久性泄漏监测的条件下工作的。即使是已经发展了的泄漏和运输系统中的泄漏相比，泄漏量也要低得多。然而，它们的环境和经济负面影响是巨大的。即使泄漏量从流体产品的角度来看并不是大的损失，对油料生产厂商来说，它也将引起环境问题、creates substantial liability，清洁费用。这些费用比损失的产品的成本要高出很多倍。
随着石油生产基本设施的老龄化，管道泄漏问题变得更加重要了。据《New Mexico Oil Conservation Division》(June 7,1991)的数据显示：在1991年上半年，61%的生产管道泄漏是因为腐蚀，由此大约损失了3400桶石油。这相当于从管道和容器中损失的石油总量的55% 。另外，据估计被报告的泄漏只占实际泄漏的10%~50% 。
管道油料泄漏引起的浪费可以用一套连续监测管道工作状况的检测和控制系统来避免。这样的系统能节省用于环境复原的花费并降低对环境的负面影响。系统必须有足够的灵敏度，以便能应用于工作在低压力、低流速下的管道上。另外，这样的系统还要相对便宜以便为它的潜在用户提供经济上的优势。这篇文章讨论了一套为输送管设计的、在个人计算机控制下工作的声发射泄漏检测系统的设计和性能。

系统设计
任何泄漏检测系统的基本任务都是识别泄漏事件并发出报警信号。有一些系统还提供了确定泄漏位置的可能性。通常可以有几条途径来解决管道泄漏检测问题。每一种方法仅适合于管道的一种特殊工作条件（直径、压力、流速、长度、位置等），而不适合于其它情况。这些方法有：
（1）质量平衡监测：在管道中不同的位置测量流速，在每个测量点的速率应该相等。这样，不是由测量错误引起的各点速率的差异就是泄漏的证据。泄漏的位置不能被测定。关于泄漏位置的仅有的数据只是泄漏发生于哪些测量点之间(Turner,1991; Baumoel,1992)。
（2）温度分布监测：泄漏的气体和油将引起泄漏点附近的温度变化，扰乱已经存在的温度分布。监测温度分布的系统已经为海底管道而研制出来，它利用了一系列的温度传感器或光纤分布式温度传感器。泄漏位置可以通过对探头信号的分析而估计出来(Tuener,1991)。
（3）声学方法：这些方法检测的是由泄漏物质引起而沿着流体或管壁传播的声信号。它们提供了泄漏定位的可能性，由信号分析来决定(Cascetta and Vigo,1992;Klein,1993)。
（4）流动模型法：监测流动模型和实测流动状况的参数之间的差异。
（5）其它方法：包括视觉观察、用训练过的狗沿线路巡视、雷达、激光和自动“老鼠”。

在这篇文章中，设计出了一种检测管道泄漏的声学方法。泄漏物质通过管壁上不规则开口流出将激发出声波。这些波沿着管壁和流体传播。特别的，通过裂缝的紊流激发出沿管壁传播的波，这可以被检测到（Dimmick and Cobb,1986）。这种新研制的系统检测的是瑞利（Rayleigh）波——一种沿管壁外表面传播的应力波。当探测器仅仅只和外管壁接触时，表面声波检测法可以做到非侵入性监测。新研制的系统用大量的声发射探头钳紧在管道上。探头监测管道的工作状况，并把信号送入计算机控制器。计算机控制器分析这些信号以期证实泄漏。控制器的主要任务是辨别泄漏事件并发出报警信号。图一是系统安装于两相流上时的功能简图。
探头信号被记录下来，每个探头信号的能谱在计算机控制器中和预先存储在计算机内存中的相应的背景信号平均能谱相比较。当检测信号的声能量和背景信号的声能量出现明显差异时，就认为检测到了泄漏（Tajtar er al.,1994）。再通过一些附加的信号采样和处理将经过型噪声（飞行器、经过管道的家畜等）引起的误报警率减小到最低之后，这种判断可以得到进一步证实。图2 显示了背景信号和泄漏信号的典型能谱图。两条曲线间的面积可作为泄漏产生的声能量的一种度量。
系统设计的一个控制参数是衰减系数，它反映了泄漏信号的声能随着泄漏点和探头间距离的增大而减小的关系，这种关系由下面的方程给出：

式中： 是距离泄漏点x 处的信号能量，m是衰减系数，而 是泄漏源处泄漏信号的能量。通过信号能谱的积分可得到信号的能量值。式(1)的关系可用于泄漏定位（当泄漏信号在几个不同的测量点被得到时）和在假定的系统最小泄漏灵敏度下决定探头沿管道分布的最大间距。得出给定管道的衰减关系是安装系统的第一步。通过回归分析方法分析一系列不同流动条件下的测量信号可得出衰减系数的经验值。信号衰减和泄漏与探头距离的关系曲线如图3 所示。信号用信号能量中高出实测背景信号能量的部分来表示。测量值的变动是实验中所用的压缩机和发电机的瞬时变化的结果。另外，探头与管壁的声耦合质量和谱分析时的采样速率也会影响结果。
系统性能，测试和结果
泄漏检测系统的样机在两相流条件下进行测试（见图1）。测试中用水和空气作为流体介质进行了气体，液体和气液泄漏检测。单相测试，包括气体和液体，在相同的参数下进行。两相流测试的目的仅仅是为了证实其结果是否落在单独由气体和液体测试所决定的范围之内。以下对每种研究条件下系统性能的讨论都是以管道压力为0.68Mpa时进行的测试为基础的。
在实验系统中，沿着管道放置了四个探头。它们是带宽为1M的平特性（ ）宽带声发射传感器。人造泄漏是在不同的位置用调节阀模拟的，用调节阀模拟泄漏可控制泄漏的大小。测试的项目如下：
（1）系统的泄漏灵敏度．灵敏度用能产生可从背景中区分出来的声信号的最小泄漏率来表示。泄漏速率一定时，绝对灵敏度是管压力和泄漏－探头距离的函数。如果把灵敏度写成管道流量的分数形式，那么它也是流量的函数。泄漏的大致速率由生产商提供的调节阀的特性决定。在两相流实验（表3）中，假定泄漏和管道流体的气－液比例相同。
（2）探头间距的允许范围．探头间距决定了对于给定长度的管道进行监测所必须的测量点数。间距定义为能检测到给定大小的泄漏的最大的泄漏－探头距离的两倍，和探头间的距离相对应。它是一个变量，与被所要求的最小可检测泄漏率控制的灵敏度有关。间距对于项目的经济方面是一个重要因素，因为间距越大，检测系统每监测长度单位的总成本越低。实际的间距将是最小泄漏灵敏度和检测系统成本的综合考虑的结果。
（3）泄漏定位的期望精度．一旦系统识别出泄漏事件，定位将减低修复工作的难度。

泄漏检测（灵敏度和间距的研究）．
系统的泄漏灵敏度在管压力低于0.7MPa的情况下测试。选择低压是因为对于产自消耗型储存器的油气产品，低压是典型情况。更高的管压力将提高系统的性能（见图4），所以低压管道的研究给出的是系统在不利条件下的性能测定。通常，系统灵敏度受到许多因素的影响，比如：裂缝尺寸、流体相（流动状态）、流体粘度、管道支承、土壤特性等等。在所做的研究中，泄漏尺寸通过用调节阀模拟泄漏来控制。其他条件（支承、土壤特性）在研究过程中保持不变，流动状态则没有控制。首先研究气流和液流的情况，然后进行两相流研究，以证实检测信号和系统总体性能是否落在单相实验所决定的范围之内。当其他所有条件不变时，增加流体粘度将减小泄漏信号。所做实验中没有研究这个效应。[mem]
灵敏度由按给定间距钳紧在管道上的探头能检测到的最小泄漏率决定。实验在设定压力和选定探头间距的条件下，对最小可检测泄漏率进行了研究。理论上讲，减小探头间距将提高系统灵敏度。然而，实际上存在一个由最小成本要求引发的对最小间距的限制。系统必须能在测量精度下从记录为背景信号的所有管道噪声中区分出泄漏信号，这决定了检测信号的阈值。灵敏度实验的结果被通过限制条件为气体灵敏度和液体灵敏度的例子描述出来（图5和6）。两相流的结果落在上述二者之间。图5显示的是在压力为0.68MPa的气体管道上，探头间距为61m和122m时，泄漏信号能量和泄漏率的关系。它证实了在这个压力下，对两种间距，系统对非常小的模拟泄漏都极端灵敏。数量级在0.01%管道流量的模拟泄漏都能被检测到。图5中的检测阈值与背景信号强度相对应。如果在实验中有任何其它泄漏（自然泄漏）存在，就将它们的影响记入背景信号。图5描述了间距对最小可检测泄漏率的影响。间距为61m时，最小可检测泄漏率大约是间距为122m时的一半。类似的结果也能在水泄漏中得到。在压力为0.68MPa的管道上，当间距为61 m和122 m时，最小可检测泄漏率低于0.01%的管道流量（见图6）。两相流情况（典型的现场条件）下，从泄漏处逸出的气体对泄漏信号的贡献要比逸出液体大得多，而最大期望灵敏度为大约0.01%管道流量。在两相流中有高粘度液体的情形下，气体对泄漏信号的强烈贡献将有助于检测泄漏事件。

泄漏定位．为研究期望的泄漏定位精度，泄漏被定位于距D1探头x处（见图7）。测量了四个探头信号：

式中：下标d表示顺流时的衰减系数，而u表示逆流时的衰减系数（相对于管道流动方向）， 为一对探头的间距（探头i－探头j）。衰减方程（2）、（3）、（4）、（5）反映出这样一个事实：在真实的管道现场条件下，信号在泄漏的上游和下游传播的衰减系数是不同的。泄漏定位首先是找出泄漏发生于哪两个探头之间。计算出这些探头的声能。然后，求解适当的方程得到 和x。下面的表格显示了在气体、液体和气－液情形下，泄漏定位结果的例子。在压力为0.68Mpa的管道上进行的实验的结果在表1－3中。泄漏距离是相对于探头D1的位置而言的。比如说，表1的最后一行显示的是：泄漏源距离探头D1为48.8m，探头D1和探头D4间距61m时泄漏检测的结果。从这些表格得出的结果表明：甚至在泄漏定位相对误差较大时，定位精度也低于间距的15% 。最粗糙的泄漏定位是指出泄漏发生于哪两个探头之间。间距的15% 这样一个值指出了为实际发现泄漏位置而不得不检测的两个探头间的管道长度。对实际应用这是个合理的值。在管压力为0.34－0.68MPa范围内进行的其它研究的总体结果是：对于给定的间距，泄漏定位的误差随泄漏率和管压力的增大而减小。泄漏定位的精度还能以得到更精确的衰减系数为代价而进一步提高。

结论
（1）证实了声发射信号（表面波）能成功地应用于油气产品管道的泄漏检测任务。一套声发射泄漏检测系统的功能性样机已经研制出来，并且在低压、低流量短距离管道上进行了测试。
（2）声发射信号由穿过管壁上开口处的紊流所激发。当泄漏由给定压力的管道和给定尺寸的开口形成时，气体泄漏产生的信号比液体泄漏产生的信号要强，而气－液泄漏信号则在二者之间。在所有研究过的情形中，系统对泄漏率的灵敏度相当高，达到了大约0.01%的管道流量。在实际泄漏中非规则裂缝的情形下，这个值将有所改变。当流体为高粘度的单相液体时，灵敏度会降低。然而，在大多数实际情况下油产品管道中都有足够多的能产生可识别泄漏信号的气体。实验中，对泄漏率超过阈值的泄漏事件达到了100%的识别率。
（3）声发射信号的衰减依赖于管道的外部条件，比如，支承和弯曲等等。这样，必须导出以流动方向为参考的顺流和逆流衰减关系。这些关系必须在泄漏检测系统的安装阶段就被导出。
（4）泄漏定位的精度大约是探头间距的15% 。这在实际应用中是合理的。更加精确的泄漏定位可以以导出更精确的信号衰减关系为代价而达到。探头间距可以以灵敏度为代价而增大，并且应该根据特殊应用而相应调整。
（5）系统测试是在管道压力低于0.7MPa的情况下进行的。对于给定的裂缝尺寸，更高的流体压力将提高系统的性能。
（6）系统测试在单个泄漏检测情形下进行。系统的设计使它具有识别沿管道多点泄漏的能力，条件是任何一对探头间只有单一泄漏。然而如果一对探头间有多个泄漏 ，泄漏定位的精度将被损害（也即降低），而且泄漏事件将被认为仅仅是单一的。
管道流动状态对所产生的声信号的影响没有研究。两相流状态的影响被记入了背景信号之中。只要流动状态保持不变就可以假定它们的作用不会影响系统的性能。流动状态的变化要求系统重调。
现在的系统可以在对油气产品装置短管道的相对性监测方面发现其用途。每种应用中都不得不调整探头的数量和它们的间距。用此系统进行实时监测应该能使泄漏造成的环境和经济上的负面影响最小化。

答谢
研究工作得到了Waste-management Education and Research Consortium,Las Cruces,New Mexico和Lynx Petroleum Consultants,Inc.,Hobbs,New Mexico的赞助。