洩漏檢測

by 台達工程 / 週五25 2016三月 / 出版於高壓

管道 洩漏檢測 用於確定含有液體和氣體的系統是否以及在某些情況下是否發生洩漏。檢測方法包括管道安裝後的水壓檢測和使用期間的洩漏檢測。

管網是石油、天然氣和其他流體產品最經濟、最安全的運輸方式。管道作為長距離運輸的手段，必須滿足安全、可靠、高效的高要求。如果維護得當，管道可以無限期地使用而不會洩漏。確實發生的大多數嚴重洩漏是由附近挖掘設備的損壞引起的，因此在挖掘之前致電當局以確保附近沒有埋地管道至關重要。如果管道維護不當，它可能會開始緩慢腐蝕，特別是在施工縫、水分聚集的低點或管道有缺陷的位置。然而，這些缺陷可以通過檢查工具來識別並在其發展為洩漏之前進行糾正。洩漏的其他原因包括事故、土方運動或破壞。

洩漏檢測系統 (LDS) 的主要目的是協助管道控制器檢測和定位洩漏。 LDS 向管道控制器提供警報並顯示其他相關數據，以幫助決策。管道洩漏檢測系統也很有用，因為它們可以通過減少停機時間和檢查時間來提高生產率和系統可靠性。因此，LDS 是管道技術的一個重要方面。

根據API文檔“RP 1130”，LDS分為基於內部的LDS和基於外部的LDS。內部系統利用現場儀表（例如流量、壓力或流體溫度傳感器）來監測內部管道參數。基於外部的系統還利用現場儀器（例如紅外輻射計或熱像儀、蒸汽傳感器、聲學麥克風或光纖電纜）來監測外部管道參數。

規則

一些國家正式規範管道運營。

API RP 1130“液體計算管道監測”（美國）

本推薦實踐 (RP) 重點關注使用算法方法的 LDS 的設計、實現、測試和操作。本推薦實踐的目的是幫助管道運營商識別與 LDS 的選擇、實施、測試和操作相關的問題。 LDS分為內部型和外部型。內部系統利用現場儀表（例如流量、壓力和流體溫度）來監測內部管道參數；這些管道參數隨後用於推斷洩漏。基於外部的系統使用本地專用傳感器。

TRFL（德國）

TRFL 是“Technische Regel für Fernleitungsanlagen”（管道系統技術規則）的縮寫。 TRFL 總結了受官方法規約束的管道的要求。它涵蓋了輸送易燃液體的管道、輸送對水有危險的液體的管道以及大部分輸送氣體的管道。需要五種不同的 LDS 或 LDS 函數：

兩個獨立的 LDS，用於在穩態運行期間進行連續洩漏檢測。這些系統之一或附加系統還必須能夠在瞬時運行期間（例如管道啟動期間）檢測洩漏
一台 LDS 用於關井操作期間的洩漏檢測
一種用於蠕變洩漏的 LDS
一個 LDS 用於快速洩漏定位

資格

原料藥 1155 （由 API RP 1130 取代）定義了 LDS 的以下重要要求：

靈敏度：LDS 必須確保洩漏導致的液體損失盡可能小。這對系統提出了兩個要求：它必須檢測小洩漏，並且必須快速檢測到它們。
可靠性：用戶必須能夠信任 LDS。這意味著它必須正確報告任何真實警報，但同樣重要的是它不會生成錯誤警報。
準確性：一些 LDS 能夠計算洩漏流量和洩漏位置。這必須準確地完成。
魯棒性：LDS 應在非理想環境下繼續運行。例如，如果傳感器發生故障，系統應檢測到故障並繼續運行（可能需要做出必要的妥協，例如降低靈敏度）。

穩態和瞬態條件

在穩態條件下，管道中的流量、壓力等隨著時間的推移（或多或少）保持恆定。在瞬態條件下，這些變量可能會快速變化。這些變化像波浪一樣以流體的聲速通過管道傳播。管道中會出現瞬態條件，例如在啟動時、如果入口或出口處的壓力發生變化（即使變化很小）、批次發生變化或管道中存在多種產品時。天然氣管道幾乎總是處於瞬態條件下，因為氣體具有很強的可壓縮性。即使在液體管道中，大多數時候也不能忽視瞬態效應。 LDS 應允許在兩種情況下檢測洩漏，以便在管道的整個運行時間內提供洩漏檢測。

基於內部的 LDS

內部系統利用現場儀表（例如流量、壓力和流體溫度）來監測內部管道參數；這些管道參數隨後用於推斷洩漏。基於內部的 LDS 的系統成本和復雜性適中，因為它們使用現有的現場儀表。這種LDS用於標準安全要求。

壓力/流量監測

洩漏會改變管道的水力，因此在一段時間後會改變壓力或流量讀數。因此，僅對某一點的壓力或流量進行本地監控即可提供簡單的洩漏檢測。由於它是在本地完成的，因此原則上不需要遙測。然而，它僅在穩態條件下有用，並且其處理天然氣管道的能力有限。

聲壓波

聲壓波方法分析洩漏發生時產生的稀疏波。當管道壁發生破裂時，流體或氣體以高速射流的形式逸出。這會產生負壓波，該負壓波在管道內雙向傳播，並且可以被檢測和分析。該方法的工作原理基於壓力波在管道壁引導下以聲速長距離傳播的非常重要的特性。壓力波的振幅隨著洩漏尺寸的增加而增加。複雜的數學算法分析來自壓力傳感器的數據，並能夠在幾秒鐘內指出洩漏位置，精度小於 50 m（164 ft）。實驗數據表明，該方法能夠檢測直徑小於 3 毫米（0.1 英寸）的洩漏，並以業內最低的誤報率運行——每年誤報率低於 1 次。

然而，該方法無法檢測初始事件後持續的洩漏：管道壁破裂（或破裂）後，初始壓力波消退並且不會生成後續壓力波。因此，如果系統未能檢測到洩漏（例如，由於壓力波被泵壓變化或閥門切換等操作事件引起的瞬態壓力波掩蓋），系統將無法檢測到正在進行的洩漏。

平衡方法

這些方法基於質量守恆定律。在穩定狀態下，質量流量 $\點{M}_I$ 進入無洩漏管道將平衡質量流量 $\點{M}_O$ 離開它；離開管道的任何質量下降（質量不平衡 $\dot{M}_I - \dot{M}_O$ ) 表示洩漏。平衡方法測量 $\點{M}_I$ 和 $\點{M}_O$ 使用流量計，最後計算不平衡度，這是對未知的真實洩漏流量的估計。將這種不平衡（通常在多個週期內進行監控）與洩漏警報閾值進行比較 $\伽瑪$ 如果監測到不平衡，則會生成警報。增強的平衡方法還考慮了管道質量庫存的變化率。用於增強生產線平衡技術的名稱包括體積平衡、修正體積平衡和補償質量平衡。

統計方法

統計LDS 使用統計方法（例如，來自決策理論領域）來分析僅某一點的壓力/流量或不平衡情況，以檢測洩漏。如果某些統計假設成立，這將帶來優化洩漏決策的機會。常見的方法是使用假設檢驗程序

\text{假設}H_0:\text{ 無洩漏}

\text{假設}H_1:\text{洩漏}

這是一個經典的檢測問題，並且從統計學中已知有多種解決方案。

RTTM方法

RTTM 的意思是“實時瞬態模型”。 RTTM LDS 使用管道內流動的數學模型，並利用質量守恆、動量守恆和能量守恆等基本物理定律。 RTTM 方法可以被視為平衡方法的增強，因為它們還使用了動量和能量守恆定律。 RTTM 可以藉助數學算法實時計算管道沿線每個點的質量流量、壓力、密度和溫度。 RTTM LDS 可以輕鬆對管道中的穩態和瞬態流進行建模。使用 RTTM 技術，可以在穩態和瞬態條件下檢測洩漏。借助功能正常的儀器，可以使用可用的公式對洩漏率進行功能估計。

E-RTTM方法

E-RTTM代表“擴展實時瞬態模型”，使用RTTM技術和統計方法。因此，可以在穩態和瞬態條件下以高靈敏度進行洩漏檢測，並且使用統計方法可以避免誤報。

對於殘差法，RTTM 模塊計算估計值 $\hat{\dot{M}}_I$ , $\hat{\dot{M}}_O$ 分別表示入口和出口處的質量流量。這可以通過測量來完成壓力和入口溫度（ $p_I$ , $T_I$ ）和出口（ $氧分壓$ , $到$ ）。將這些估計的質量流量與測量的質量流量進行比較 $\點{M}_I$ , $\點{M}_O$ ，產生殘差 $x=\dot{M}_I - \hat{\dot{M}}_I$ 和 $y=\dot{M}_O - \hat{\dot{M}}_O$ 。如果沒有洩漏，這些殘差接近於零；否則殘差顯示特徵簽名。在下一步中，將對殘差進行洩漏特徵分析。該模塊通過提取洩漏簽名並將其與數據庫中的洩漏簽名（“指紋”）進行比較來分析它們的時間行為。如果提取的洩漏特徵與指紋匹配，則宣布洩漏警報。

基於外部的 LDS

基於外部的系統使用本地專用傳感器。這種LDS靈敏度高、準確度高，但係統成本和安裝複雜度通常很高；因此，應用僅限於特殊的高風險區域，例如靠近河流或自然保護區。

數字漏油檢測電纜

數字傳感電纜由半滲透性內部導體編織物組成，並受到滲透性絕緣模製編織物的保護。電信號通過內部導體傳遞，並由電纜連接器內的內置微處理器進行監控。逸出的流體穿過外部滲透編織物並與內部半滲透導體接觸。這會導致微處理器檢測到的電纜電氣特性發生變化。微處理器可以沿其長度以 1 米的分辨率定位流體，並向監控系統或操作員提供適當的信號。傳感電纜可以纏繞在管道上、與管道一起埋在地下或作為管中管配置安裝。

紅外輻射管道測試

紅外熱成像管道測試已證明在檢測和定位地下管道洩漏、侵蝕引起的空隙、管道絕緣惡化和回填不良方面既準確又有效。當管道洩漏導致諸如水之類的流體在管道附近形成羽流時，該流體的熱導率不同於乾燥土壤或回填土。這將反映在洩漏位置上方的不同表面溫度模式中。高分辨率紅外輻射計可以掃描整個區域，並將所得數據顯示為圖片，其中不同溫度的區域由黑白圖像上的不同灰度色調或彩色圖像上的各種顏色指定。該系統僅測量表面能模式，但在埋地管道上方的地面上測量的模式可以幫助顯示管道洩漏和由此產生的侵蝕空隙正在形成的位置；它可以檢測到地表以下 30 米深處的問題。

聲發射探測器

逸出的液體通過管道中的孔時會產生聲音信號。安裝在管道外部的聲學傳感器根據未損壞狀態下管道的內部噪聲創建了管道的基線聲學“指紋”。當發生洩漏時，會檢測並分析由此產生的低頻聲信號。偏離基線“指紋”會發出警報。現在傳感器在頻帶選擇、延時範圍選擇等方面有了更好的安排。這使得圖形更加清晰且易於分析。還有其他方法可以檢測洩漏。帶有濾波器裝置的地面地震檢波器對於查明洩漏位置非常有用。節省了挖掘成本。土壤中的水射流撞擊土壤或混凝土的內壁。這會產生微弱的噪音。這種噪音在到達表面時會衰減。但只有在洩漏位置處才能拾取到最大聲音。放大器和濾波器有助於獲得清晰的噪音。進入管道的某些類型的氣體在離開管道時會產生一系列聲音。

蒸汽傳感管

蒸汽傳感管洩漏檢測方法涉及沿管道的整個長度安裝管道。這種電纜形式的管子對於特定應用中待檢測的物質具有很高的滲透性。如果發生洩漏，待測物質會以蒸氣、氣體或溶解在水中的形式與管接觸。如果發生洩漏，一些洩漏物質會擴散到管中。經過一定時間後，管內部會產生管周圍物質的準確圖像。為了分析傳感器管中存在的濃度分佈，泵以恆定速度推動管中的空氣柱通過檢測單元。傳感器管末端的檢測器單元配備有氣體傳感器。氣體濃度的每次增加都會導致明顯的“洩漏峰值”。

光纖洩漏檢測

至少有兩種光纖洩漏檢測方法正在商業化：分佈式溫度傳感 (DTS) 和分佈式聲學傳感 (DAS)。 DTS 方法涉及沿受監控管道的長度安裝光纖電纜。當發生洩漏時，待測物質與電纜接觸，改變電纜的溫度並改變激光束脈衝的反射，從而發出洩漏信號。通過測量發射激光脈沖和檢測到反射之間的時間延遲來了解位置。僅當物質的溫度與周圍環境不同時，這才起作用。此外，分佈式光纖溫度傳感技術提供了測量管道沿線溫度的可能性。掃描光纖的整個長度，確定沿光纖的溫度分佈，從而進行洩漏檢測。

DAS 方法涉及沿著受監控管道的長度安裝類似的光纖電纜。通過洩漏離開管道的物質引起的振動會改變激光束脈衝的反射，從而發出洩漏信號。通過測量發射激光脈沖和檢測到反射之間的時間延遲來了解位置。該技術還可以與分佈式溫度傳感方法相結合，提供管道的溫度分佈。