天然氣長輸管道泄漏檢測技術(shù)進展

方亮蘇旭 趙曉龍

（西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院）（重慶建峰化工股份有限公司）（青海油田天然氣開發(fā)公司)

天然氣長輸管道泄漏檢測技術(shù)進展

方亮*蘇旭 趙曉龍

（西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院）（重慶建峰化工股份有限公司）（青海油田天然氣開發(fā)公司)

天然氣管道泄漏檢測技術(shù)可分為直接檢漏和間接檢漏兩種類型。綜述了國內(nèi)外泄漏檢測技術(shù)的原理、技術(shù)特點和優(yōu)缺點，認為間接檢測中的無損檢測技術(shù)具有良好的應(yīng)用價值，是未來檢測技術(shù)的發(fā)展方向。

天然氣管線泄漏檢測技術(shù)壓力管道

0 前言

我國是一個天然氣資源比較豐富的國家。截至2008年底，我國已探明各類氣田415個，探明天然氣地質(zhì)儲量63 357億m3，可采儲量38 687億m3（不含油田溶解氣），資源探明率為11.34%，尚有待探明資源量近50萬億m3，勘探潛力很大。在這些資源量中，西部地區(qū)的資源量約占61%，東部地區(qū)約占8%，海域資源量占23%，其他地區(qū)（主要包括南方地區(qū)和青藏地區(qū)）的資源量占8%[1]。天然氣市場主要是東部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，要大規(guī)模將天然氣從西部輸送到東部地區(qū)，就必須發(fā)展天然氣長輸管道技術(shù)。我國僅西氣東輸管道的總長就為4 000 km。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，對天然氣的需求量不斷增加，到2015年底我國規(guī)劃的天然氣管道總長將達到10萬km。

隨著管線的增多和管齡的增長，加上施工缺陷和人為因素的作用，管道事故頻頻發(fā)生，造成大量的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失。經(jīng)過檢測和維修的管道，可以明顯降低事故發(fā)生頻率，延長管道服役年限[2-3]。建立管道在線檢測系統(tǒng)，及時準確報告泄漏事故的地點和程度，可以最大限度減少經(jīng)濟損失和環(huán)境污染，有效杜絕更大的安全事故發(fā)生。

對一種泄漏檢測技術(shù)的評價主要包括：靈敏性、定位精度、準確性、適應(yīng)能力和性價比[3]。根據(jù)檢測方式的不同，泄漏檢測技術(shù)可分為直接檢漏和間接檢漏兩類。

1 直接檢漏技術(shù)

直接檢漏技術(shù)主要采用巡查或沿管道周圍埋設(shè)傳感器，當管道發(fā)生泄漏時，埋設(shè)的傳感器會感應(yīng)泄漏流體，通過光纖將信號傳送至監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)馬上進行報警。利用光纖進行信號傳送的檢漏技術(shù)可以統(tǒng)稱為光纖檢測技術(shù)，其中光纖溫度傳感器檢測技術(shù)和分布式光纖檢測技術(shù)是目前研究較多的兩種技術(shù)。

1.1 光纖溫度傳感器檢漏技術(shù)

光纖溫度傳感器檢漏技術(shù)的作用原理是在光纜上分布式地固定光纖溫度傳感器，將光纜平行于輸氣管道鋪設(shè)。天然氣管道泄漏點的周圍溫度會下降，光纖傳感器可迅速感應(yīng)到環(huán)境溫度的下降，當溫度下降至設(shè)定的界限時就會進行報警[4]。這種技術(shù)若要求定位精度較高時，就需要將多個光纖光柵溫度傳感器分布在被測管線上，費用高，技術(shù)復(fù)雜。同時，當泄漏量較小時，泄漏源附近溫度變化很小，泄漏不容易被檢測到，這就要求泄漏檢測有較高的靈敏度[5]。

1.2 分布式光纖檢漏技術(shù)

分布式光纖檢漏技術(shù)作用原理是天然氣在泄漏時會產(chǎn)生泄漏振動，將分布式振動測試傳感器固定在與管道并排鋪設(shè)的電纜上，利用傳感器提取管道沿途的泄漏振動信號，通過對信號的處理和分析，就可以有效地檢測出管道發(fā)生的泄漏[6]。周琰等[7]將SCADA技術(shù)和分布式光纖檢漏技術(shù)聯(lián)合使用，可以檢測出低壓力、漏孔小的泄漏，其定位技術(shù)可控制誤差小于0.8%，具有很好的應(yīng)用價值。

光纖檢漏技術(shù)優(yōu)點是具有很高的靈敏度，并且具有良好的定位精度。但其缺點也是顯而易見的，主要有以下幾點：（1）受自然環(huán)境的影響很大。比較復(fù)雜的自然環(huán)境狀況很容易引起系統(tǒng)誤報，這就大大降低了該技術(shù)的應(yīng)用性。（2）光纖需要與管道并排鋪設(shè)，加大了工程的前期投入。（3）光纖維護比較困難。該技術(shù)還處于初級研究階段，目前我國的天然氣長輸管線還未應(yīng)用光纖檢漏技術(shù)。

2 間接檢漏技術(shù)

間接檢漏技術(shù)繁多，發(fā)展比較迅速。其原理是根據(jù)一些物理參數(shù)如超聲、渦流、壓力波的變化或者物質(zhì)平衡等對管道進行無損檢測。它既可以對已經(jīng)泄漏的管道進行漏點定位，也可以根據(jù)管道壁厚、腐蝕程度等參數(shù)分析管道的運行狀態(tài)，檢測出潛在的泄漏點，從而避免管道泄漏[8]。

2.1 聲學(xué)檢測技術(shù)

2.1.1 負壓波檢檢測技術(shù)

在管道發(fā)生突然泄漏時，泄漏部位會產(chǎn)生一個向上游或下游傳播的減壓波，稱之為負壓波[9]，設(shè)置在泄漏點兩端的傳感器根據(jù)壓力信號的變化和泄漏產(chǎn)生的負壓波傳播到上下游的時間差，就可以檢測到泄漏并確定泄漏位置。應(yīng)用負壓波檢測技術(shù)的關(guān)鍵是區(qū)分正常操作與泄漏帶來的負壓波，一種解決方法是在管道的兩端各安置兩個傳感器，通過硬件電路延時的方法，濾除來自操作站的負壓波信號[10]。文獻[9,11]利用小波技術(shù)對有關(guān)的計算進行了深入的討論，使計算精度和定位精度得到了進一步的提高。負壓波檢檢測技術(shù)可以迅速檢測出大的泄漏，但是對于比較小的泄漏或已經(jīng)發(fā)生的泄漏檢測效果不佳。

2.1.2 應(yīng)力波檢檢測技術(shù)

管道中天然氣發(fā)生泄漏時會產(chǎn)生一個高頻的振動噪聲，該噪聲以應(yīng)力波的形式沿管壁傳播，強度隨距離按指數(shù)規(guī)律衰減。在管道上安裝對泄漏噪聲敏感的傳感器，通過分析管道應(yīng)力波信號功率譜的變化，就可檢測出天然氣的泄漏[12]。文獻[13]提出，可使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)管道正常信號與泄漏信號，進而對管道的泄漏進行判斷。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有在線學(xué)習(xí)能力，能不斷地改變自身網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，更準確地監(jiān)控管道運行情況。由于影響管道應(yīng)力波傳播的因素很多，在實際中很難用解析的方法準確描述出管道振動。目前國內(nèi)應(yīng)力波檢檢測技術(shù)的研究還處于初級階段，還未現(xiàn)場實施應(yīng)用。

2.2 流量或壓力突變技術(shù)

流量或壓力突變技術(shù)是管道檢漏最直接的方法之一，其基本原理是泄漏會導(dǎo)致下游流量的減少，同時會使下游的壓力下降[9]，根據(jù)下游流量和壓力的變化就可判斷是否發(fā)生泄漏。該技術(shù)可具體分為流量突變技術(shù)（也稱為質(zhì)量平衡法）和壓力突變技術(shù)（也稱為壓力梯度法）。

2.2.1 流量突變技術(shù)

該技術(shù)基于管道中流體流動的質(zhì)量守恒關(guān)系，在管道無泄漏的情況下，進入管道的質(zhì)量流量應(yīng)等于流出管道的質(zhì)量流量。當泄漏速度達到一定程度時，入口與出口就形成明顯的流量差。檢測管道多點位的輸入和輸出流量，或檢測管道兩端的流量并將信號匯總構(gòu)成質(zhì)量流量平衡圖像，根據(jù)圖像的變化特征就可確定泄漏的程度和大致的位置[14]。

2.2.2 壓力突變技術(shù)

當管道正常輸送時，站間管道的壓力呈斜直線下降，當發(fā)生泄漏時，泄漏點前的流量變大、壓力下降線變陡，泄漏點后的流量變小、壓力下降線變緩，折點即為泄漏點，據(jù)此可算出實際泄漏位置。壓力突變法只需要在管道兩端安裝壓力傳感器，簡單、直觀，不僅可以檢測泄漏，而且可確定泄漏點的位置[9,15]。

管道在實際運行中，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，而且儀表測量對定位結(jié)果有很大影響。壓力梯度技術(shù)定位可以作為一個輔助手段與其它方法一起使用。

2.3 管道參數(shù)變化檢檢測技術(shù)

管道參數(shù)變化檢檢測技術(shù)通過檢測管道的質(zhì)量情況來判斷是否有泄漏，該方法可以獲得管線完整的質(zhì)量情況，可以有效預(yù)防泄漏事故的發(fā)生。目前國內(nèi)外常用的方法主要有：漏磁檢檢測技術(shù)、超聲波檢檢測技術(shù)和遠程渦流檢檢測技術(shù)。

2.3.1 漏磁檢檢測技術(shù)

漏磁檢檢測技術(shù)的檢測原理是將鋼管在外加磁場作用下磁化，當鋼管無缺陷時，磁力線封閉于管壁之內(nèi)，并且均勻分布；如果鋼管存在缺陷，磁通路會變窄，磁力線發(fā)生變形，部分磁力線將穿出管壁產(chǎn)生漏磁，漏磁場被位于緊貼鋼管的、兩磁極間的探頭檢測到。由于永磁體的磁化，沿缺陷表面產(chǎn)生環(huán)電流，這些信號經(jīng)濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后被存儲到檢測器上的存儲器中，檢測完成后，再通過軟件對數(shù)據(jù)進行處理，判斷是否存在缺陷[16-17]。

漏磁檢檢測技術(shù)對鐵磁性工業(yè)管道全長度范圍內(nèi)的管道缺陷具有一定的檢測能力，尤其能檢測管道內(nèi)壁腐蝕程度，豐富了無損檢測手段。同時，應(yīng)用該技術(shù)可以更準確地對管道的安全性能進行評價，為管道設(shè)備的維護提供依據(jù)，避免漏檢，減少管道檢修的盲目性，節(jié)約資金。

2.3.2 超聲波檢檢測技術(shù)

超聲波檢檢測技術(shù)屬于反射波檢測技術(shù)，即根據(jù)反射波的強弱和傳播時間來判斷缺陷的大小和位置。超聲波檢檢測技術(shù)是無損檢測技術(shù)中的一種重要的檢測技術(shù),它可以測量厚度,也可以檢測材料及焊縫的裂紋等缺陷[18]。全自動超聲波檢測（簡稱AUT）是超聲波檢測新發(fā)展的一種重要技術(shù)，AUT具有檢測速度快、定位準確和高靈敏度的優(yōu)點。西部原油成品油管道工程中使用AUT進行檢測，結(jié)果證明AUT可以成功應(yīng)用于長輸管道檢測[19]。超聲波檢檢測技術(shù)受溫度的影響較大，實際操作中應(yīng)每隔2 h或者掃查完10道焊縫之后(以時間短者為準),以及檢測工作結(jié)束之后，對其靈敏度進行校驗[20]。

2.3.3 遠場渦流檢檢測技術(shù)

遠場渦流檢檢測技術(shù)就是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，用正弦波電流激發(fā)探頭線圈,當探頭接近金屬表面時，線圈周圍的交變磁場在金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流。當探頭在金屬表面移動，遇到缺陷或材質(zhì)、尺寸等變化時，渦流磁場對線圈的反作用將發(fā)生變化，從而引起線圈阻抗變化，通過渦流檢測儀器測量出這種變化量就能判斷金屬表面有無缺陷或其它物理性質(zhì)的變化[2]。遠場渦流檢檢測技術(shù)是基于遠場渦流效應(yīng)的一種管道檢測新技術(shù)，它除了具有一般常規(guī)渦流技術(shù)的優(yōu)點外，對鐵磁性管道可直接用內(nèi)插式探頭檢測管壁上的裂紋、腐蝕凹坑、磨蝕減薄等缺陷[22]。從1998年開始，中國石油天然氣管道局在檢測在役天然氣管道缺陷方面進行了大量的研究，并成功地研制出了國內(nèi)第一臺管道漏磁腐蝕檢測器，在新疆克-烏輸油管道上投入應(yīng)用并取得了成功。經(jīng)過隨后幾年的努力，現(xiàn)在已經(jīng)將管道漏磁檢測器工業(yè)化，并應(yīng)用于陜-京輸氣管道，檢測精度達到了中等水平，累計檢測油氣管道達20 000多km[17]。

3 新檢漏技術(shù)

3.1 紅外線成像技術(shù)

紅外線成像技術(shù)是利用紅外輻射檢測泄漏液體，通過與周圍土壤的正常溫度進行比較，從而達到檢測的目的。利用紅外線遙感攝像裝置可以記錄輸氣管道周圍的地?zé)彷椛湫?yīng)，再利用光譜分析就可以檢測出泄漏位置。這種技術(shù)可以較精確地定位泄漏點，靈敏度也較高，但不適用埋設(shè)較深的管道檢漏[23]。

3.2 場圖像法

場圖像法(field-signature method，簡稱FSM)[8,24]是監(jiān)測管道腐蝕、起坑、裂紋和侵蝕的優(yōu)異的技術(shù)。這種在役監(jiān)測技術(shù)能在管道發(fā)生泄漏前，發(fā)現(xiàn)管道的微小損傷。管道或其他鋼結(jié)構(gòu),當電流饋入時,會顯示一個唯一的電場“指紋”——場圖像,所產(chǎn)生的電場指紋表征了結(jié)構(gòu)局部幾何形狀,從而可通過監(jiān)測電場指紋的微小變化,檢測出管道結(jié)構(gòu)與原始的或正常狀態(tài)的偏離。FSM綜合了侵蝕探頭與無損檢測兩種技術(shù)的優(yōu)點,具有高靈敏度和對實際管壁腐蝕引起的變化實時響應(yīng)的能力,并能對實際監(jiān)測結(jié)構(gòu)作較大范圍覆蓋。

3.3 智能防腐層法[25]

該方法是指在長輸管道的膠帶防腐層上增加一個防盜監(jiān)測電路，防腐層的情況可通過電路電阻值的變化來反應(yīng)。該檢測方法優(yōu)點是：（1）有較高的靈敏度和定位精度。（2）傳輸、傳感成本低廉，系統(tǒng)易恢復(fù)。其缺點是：（1）該系統(tǒng)對環(huán)境比較敏感，溫度、濕度的變化可能會導(dǎo)致電阻值的變化從而誤報警。（2）系統(tǒng)安裝費用較高。

4 展望

綜上所述，間接無損檢測技術(shù)的發(fā)展十分迅速，其中基于電磁場和超聲波理論的檢漏技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展尤為迅速和成熟。該類技術(shù)不僅可以檢測并定位已發(fā)生泄漏的管道的泄漏位置，還可以檢測出管道的缺陷，預(yù)防管道發(fā)生泄漏，具有良好的應(yīng)用價值。目前，該類技術(shù)已有工業(yè)化應(yīng)用，并具有良好的效果，是未來管線泄漏檢測技術(shù)的發(fā)展方向。

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Advancement of Natural Gas Pipelines Leakage Detection Technology

Fang LiangSu Xu Zhao Xiaolong

Natural gas pipelines leakage detection technology can be divided into two ways,direct detection and indirect detection.The principles,characteristics,advantages and disadvantages of leakage detections at home and abroad were described.The nondestructive detection was taken as a detection of well application value,it also was considered to be the development direction of detection technology in the future.

Natural gas;Pipelines;Leakage;Detection technology;Pressure pipeline

TQ 051.21

*方亮，男，1984年生，碩士研究生。成都市，610500。

2011-10-31）