輸氣管道泄露檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展

宮 克，冷 俊，潘 一，曹成龍，王彥博，康超男，段元蒙

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

輸氣管道泄露檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展

宮 克，冷 俊，潘 一，曹成龍，王彥博，康超男，段元蒙

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

輸氣管道泄露檢測(cè)技術(shù)是在管道出現(xiàn)老化、腐蝕、人為破壞和自身缺陷等問題時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并做出報(bào)警反應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)。輸氣管道泄漏不僅會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且外漏后的天然氣也存在嚴(yán)重的安全隱患，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，容易造成重大事故。因此管道檢漏技術(shù)就是油氣安全運(yùn)輸?shù)谋Ｕ?。首先?duì)檢漏技術(shù)進(jìn)行了分類，并著重對(duì)紅外線成像檢漏技術(shù)、負(fù)壓波檢測(cè)技術(shù)、漏磁檢漏技術(shù)、分布式光纖檢漏技術(shù)等9種新型的間接檢漏技術(shù)進(jìn)行了原理分析、進(jìn)展介紹和適應(yīng)性評(píng)價(jià)，最后對(duì)管道檢漏技術(shù)的發(fā)展前景做出了展望。

管道檢漏；紅外線；負(fù)壓波；嗅覺傳感器；氣體成像

隨著天然氣的使用量逐漸加大，輸氣成為一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，目前我國主要的輸氣方法就是通過管道輸送。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上總管網(wǎng)的 50% 已運(yùn)行了30年以上[1]，隨著管道運(yùn)行后期，管道的老化、腐蝕、人為破壞和管道自身缺陷等問題，常常造成管道泄漏事故，在生產(chǎn)上造成不必要的損失[2]。油氣管道的泄漏不僅給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)，管道內(nèi)外漏后的油氣存在安全隱患，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，很容易引發(fā)火災(zāi)、中毒、爆炸、傷亡等事故[3]。因此高質(zhì)量的管道泄漏檢測(cè)技術(shù)就是油氣安全運(yùn)輸?shù)母颈Ｕ稀?/p>

1 檢測(cè)技術(shù)的分類

目前世界上在輸氣管道泄漏檢測(cè)上面的研究可以說是非常先進(jìn)的，其檢測(cè)的方式方法多種多樣，大體上可分為直接檢漏和間接檢漏兩類[4]。

這其中直接檢漏是指利用人為巡視或可攜帶儀器直接的對(duì)管道泄漏做出響應(yīng)，主要用于檢測(cè)微小的管道泄漏，在管道工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下均能進(jìn)行檢測(cè)[5]。間接檢漏是指通過管道中聲波、壓力波、渦流、流量等物理參數(shù)和物質(zhì)平衡關(guān)系對(duì)管道進(jìn)行檢漏[6]。常規(guī)的檢漏技術(shù)包括：紋影成像技術(shù)檢測(cè)法、智能爬行檢測(cè)方法、嗅覺傳感器技術(shù)、氣體檢測(cè)法、探地雷達(dá)、應(yīng)力波檢測(cè)技術(shù)、流量或質(zhì)量平衡法、統(tǒng)計(jì)檢漏法，動(dòng)態(tài)模型分析法等[7]。這些輸氣管道檢漏的方法大多存在檢驗(yàn)精度不夠，對(duì)微小泄漏檢測(cè)能力較弱等問題。

2 新型檢漏技術(shù)

2.1 紅外線成像檢漏技術(shù)

當(dāng)輸氣管道泄漏時(shí)會(huì)造成周圍土壤溫度的變化，紅外線成像技術(shù)正是應(yīng)用這一現(xiàn)象，通過與正常土壤的溫度比較來檢測(cè)是否發(fā)生泄漏[8]。這項(xiàng)技術(shù)是由美國的OILTON公司發(fā)明的，具體方法是用直升機(jī)裝載著精密的紅外線攝像儀，沿著輸氣管飛行，記錄輸氣管道周圍不規(guī)則的地?zé)彷椛湫?yīng)，利用光譜分析檢測(cè)來判斷是否發(fā)生管道泄漏并且確定泄露的具體位置。原蘇聯(lián)曾用美國研制的遠(yuǎn)距離激光分析儀裝載到直升機(jī)上，沿著輸氣管道進(jìn)行飛行。成功檢測(cè)到大小為幾米，乙烷體積分?jǐn)?shù)僅為百分之一的氣體云[9]。

該項(xiàng)技術(shù)具有檢測(cè)速度快，檢測(cè)范圍廣，精確度高等優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)于埋藏較深的管道檢測(cè)還是有一定的困難的。據(jù)有關(guān)資料記載，當(dāng)飛機(jī)飛行高度為300 m時(shí)，管道埋藏深度應(yīng)在6 m內(nèi)，而且這種方法不能夠?qū)艿肋M(jìn)行連續(xù)檢測(cè)[10]。

2.2 負(fù)壓波檢漏技術(shù)

近幾年負(fù)壓波檢測(cè)法是國際上頗為關(guān)注的管道泄漏檢測(cè)方法，其原理是當(dāng)發(fā)生氣體泄漏時(shí)，管道中的泄漏點(diǎn)處周圍的氣體密度相對(duì)減小，導(dǎo)致壓強(qiáng)突降，又因?yàn)闅怏w是連續(xù)的，所以氣體在泄漏點(diǎn)周圍產(chǎn)生壓力差。這種壓力差推動(dòng)著上下游的高壓氣體向著泄漏點(diǎn)處的低壓氣體流動(dòng)，形成了一個(gè)以泄漏點(diǎn)為中心的壓力波，在力學(xué)上稱為負(fù)壓波。因?yàn)楣鼙诘牟▽?dǎo)作用，負(fù)壓波在傳播的過程中衰減較小，所以可以傳播很遠(yuǎn)距離[11]。利用安裝在管道兩端的壓力傳感器，就能檢測(cè)到壓力波動(dòng)的信號(hào)，并且根據(jù)兩端接收到負(fù)壓波的時(shí)間差，來確定管道泄漏的具體位置。

利用負(fù)壓波檢測(cè)管道泄漏其優(yōu)點(diǎn)在于具有較高的定位精度和較快的響應(yīng)速度。其缺點(diǎn)在于難以檢測(cè)較小的泄漏，需管道有大量泄漏時(shí)才能檢測(cè)。由于輸氣管道工作時(shí)工況復(fù)雜，壓力傳感器常常受到各種信號(hào)的干擾，導(dǎo)致檢測(cè)精度下降[12]。

2.3 漏磁檢漏技術(shù)

漏磁是指管道在外加磁場(chǎng)磁化的情況下，如果管道完好無缺損，磁力線在管道內(nèi)成均勻分布，當(dāng)管道內(nèi)壁或外壁出現(xiàn)缺陷時(shí)，磁力線則會(huì)發(fā)生變形，部分磁力線將穿出管壁產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象。漏磁檢測(cè)技術(shù)就是通過緊貼管壁的探頭來檢測(cè)漏磁場(chǎng)，再將檢測(cè)到的感應(yīng)信號(hào)經(jīng)濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后記錄到檢測(cè)器上的存儲(chǔ)器，最后通過軟件分析處理，判斷是否存在缺陷[13]。

目前漏磁檢測(cè)法被國內(nèi)外公認(rèn)為最完善的管道檢測(cè)方法之一，其不僅可以檢測(cè)管道的泄漏，還可以對(duì)管道的腐蝕程度做出檢測(cè)，為管道維修提供依據(jù)，大大減少了管道維修的盲目性，節(jié)約資金[14]。

2.4 分布式光纖檢漏技術(shù)

光纖傳感技術(shù)在上世紀(jì)70年代，隨著光纖通訊的迅速發(fā)展而被人們所關(guān)注。光纖檢漏技術(shù)主要依靠光纖后向散射光的分布變化，來分析檢測(cè)應(yīng)變、光纖周圍溫度等被測(cè)量的分布變化。后向散射光又分為彈性散射光和非彈性散射光，其中彈性散射光包括瑞利散射光，非彈性散射光包括喇曼散射光和布里淵散射光[15]。利用不同散射光的不同性質(zhì)可以研制出多種傳感器。例如：利用背向瑞利散射研制的OTDR傳感器，利用布里淵散射研制的B-OTDR、B-OTDA傳感器，利用喇曼散射研制的R-OTDR等。FBG傳感器是在20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型全光纖無源器件，他可以對(duì)天然氣管道進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，而且這種傳感技術(shù)主要采用長波調(diào)制法，避免光強(qiáng)的影響和干涉型光纖傳感相位測(cè)量模糊等問題。利用準(zhǔn)分布式光纖光柵適合大范圍檢測(cè)的特點(diǎn)，可以沿著管道鋪設(shè)一條光纜，用FBG作為傳感器，獲取天然氣管道沿程的應(yīng)變信號(hào)，通過對(duì)取得的信號(hào)的分析和處理，可以檢測(cè)出輸氣管道泄漏的位置[16]。

分布式光纖檢漏的優(yōu)點(diǎn)在于，傳感光纖上的任意一點(diǎn)都具有傳感能力，可以獲得連續(xù)的信息。能夠定位泄露的位置，定位準(zhǔn)確度高。檢測(cè)距離遠(yuǎn)并且具有很高的靈敏度[15]。雖然分布式光纖檢漏有很多優(yōu)點(diǎn)但是依然存在這一些亟待解決的問題。

(1)、泄漏點(diǎn)的聲信號(hào)壓力對(duì)光線的影響(2)、光纖對(duì)聲信號(hào)的敏感程度(3)、光纖包覆材料的老化問題(4)、檢測(cè)信號(hào)的處理算法問題(5)、光路中光強(qiáng)損失問題。

目前我國對(duì)光纖檢漏技術(shù)的研究還處于初級(jí)階段，而且輸氣管道中大部分的泄漏都屬于小泄漏，針對(duì)這種小泄漏OTDR技術(shù)可以說是無能為力，而且在這種大范圍的光纖覆蓋情況下，材料的老化，以及使用壽命和成本等都需要全面考慮。因此，分布式光纖檢測(cè)技術(shù)仍有很大的發(fā)展空間。

2.5 嗅覺傳感器檢漏技術(shù)

嗅覺傳感器技術(shù)利用傳感器對(duì)天然氣中的化學(xué)成分的反應(yīng)，輸出信號(hào)，通過計(jì)算處理得到的信號(hào)來分析管道是否泄漏。將嗅覺傳感器按一定的距離安放在管道上，形成傳感器網(wǎng)絡(luò)，就可對(duì)管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)有氣體泄漏時(shí)，傳感器就會(huì)做出反應(yīng)。但目前該項(xiàng)技術(shù)的研究還處于初級(jí)階段，還是一項(xiàng)不成熟的技術(shù)，所以尚未應(yīng)用在生產(chǎn)中。

2.6 智能防腐層檢漏技術(shù)

智能防腐層法是指在輸氣管道的防腐層增加一個(gè)防盜檢測(cè)電路，如果發(fā)生泄漏必然破壞防腐層，防腐層是否完整可以通過電路的電阻值反應(yīng)。

該檢測(cè)方法具有的優(yōu)點(diǎn)是：（1）具有較高的靈敏度，（2）較高的定位精度，（3）傳輸、傳感成本低，（4）系統(tǒng)易恢復(fù)。缺點(diǎn)是：（1）該檢測(cè)方法受環(huán)境影響比較大，溫度和濕度的變化都可能影響電阻率的變化，發(fā)生誤報(bào)警。（2）安裝系統(tǒng)需要較高的費(fèi)用[17]。

2.7 基于管內(nèi)聲波的檢漏技術(shù)

近幾年，聲波以其特有的信號(hào)特征成為了管道泄漏檢測(cè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。經(jīng)研究表明，由于管道泄漏所產(chǎn)生的低頻特征信號(hào)能夠在管道內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播，而且其信號(hào)特征不同于工況擾動(dòng)所產(chǎn)生的信號(hào)特征[18]。早在上個(gè)世紀(jì)九十年代，Jolly等就曾利用聲波檢測(cè)出管道的泄漏[19]。華科等人在2009年開發(fā)了基于聲波的輸氣管道泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng)，并且或得了很好的檢測(cè)效果[20]?；诠軆?nèi)聲波的泄漏檢測(cè)原理是：利用安裝在管道上下游的聲波傳感器所收集的聲波信號(hào)，通過對(duì)信號(hào)特征的具體分析來判斷是否發(fā)生管道泄漏[21]。

該方法在實(shí)驗(yàn)中表明具有較好的定位精度、方案簡(jiǎn)單并且還能檢測(cè)微小泄漏等特點(diǎn)，但是在現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境中，由于噪音較大，還是會(huì)對(duì)檢測(cè)的精度產(chǎn)生影響，而且對(duì)于長管道的檢測(cè)效果也不是很好，所有尚未廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)[22]。

2.8 氣體成像檢漏技術(shù)

氣體成像法原理利用氣體在光學(xué)技術(shù)下成像的難易，來判斷管道是否發(fā)生泄漏。該技術(shù)不僅可以檢測(cè)地面上的輸氣管道泄漏情況，還能檢測(cè)地下輸氣管道的[23]。

2.9 場(chǎng)圖像檢漏技術(shù)

原名field-signature method，簡(jiǎn)稱為FSM[24]。該項(xiàng)技術(shù)不僅可以檢測(cè)管道的泄漏，而且可以在管道泄漏前檢測(cè)管道的腐蝕程度，是否發(fā)生裂紋等微小的損壞。其原理是當(dāng)電流流入管道時(shí)，會(huì)顯示出電場(chǎng)，該電場(chǎng)具有唯一的電場(chǎng)“指紋”就是所謂的場(chǎng)圖像。根據(jù)檢測(cè)到的電場(chǎng)指紋的變化，來判斷管道的損傷與泄漏。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道腐蝕程度的檢測(cè)，具有靈敏度高，覆蓋范圍大等優(yōu)點(diǎn)，適合長輸氣管道的檢測(cè)。

3 結(jié) 論

隨著世界石油儲(chǔ)量的逐漸減小和人們對(duì)能源需求的逐漸增加，天然氣必然會(huì)稱為未來的主要能源。對(duì)于天然氣輸送管道的檢漏尤為重要。隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，以后的檢漏手段將更加趨于人工智能化，對(duì)設(shè)備靈敏度的需求也將越來越高。多種檢測(cè)方案配合使用彌補(bǔ)單一方案的缺點(diǎn)，會(huì)使管道檢漏技術(shù)更加完善。對(duì)于天然氣長輸管道的小泄漏檢測(cè)和定位仍是未來研究的重點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大量的新科技應(yīng)用在管道檢漏中，必將為輸氣管道泄漏的研究增加新的活力。

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Research Progress in Leaking Detection Technology for Gas Transmission Pipelines

GONG Ke, LENG Jun, PAN Yi, CAO Cheng-long, WANG Yan-bo, KANG Chao-nan, DUAN Yuan-meng
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)

Gas pipeline leak detection technology is a detection technology of discovering and making detection alarm reaction when the pipeline is becoming aging, corrosion, man-made destruction and its defects. The leakage from gas pipelines will not only bring huge economic loss, but also the leakage of natural gas is serious and hidden security danger. If the leakage cannot be found in time, it is easy to cause a major accident. Therefore, pipeline leak detection technology is a guarantee of the security of oil and gas transportation. In this paper, the leak detection technologies were classified, and principle analysis and adaptability evaluation of nine types of indirect detection techniques were carried out, including the infrared imaging detection technology, the negative pressure wave detection technology, the magnetic flux leakage detection technology, the distributed optical fiber leak detection technology and so on. Finally, the development prospect of the pipeline leak detection technology was discussed.

Pipeline leak detection; Infrared; Negative pressure wave; Olfactory sensor; Gas imaging

TE 832

A

1671-0460（2014）12-2663-03

2014-06-06

宮克（1992-），男，遼寧鐵嶺人。E-mail：gongke1111@126.com。

潘一（1976-），男，遼寧撫順人，博士，副教授，從事油氣田開發(fā)研究工作。