油氣管道泄漏檢測(cè)方法的研究及運(yùn)用

王 錫 鈺

油氣管道泄漏檢測(cè)方法的研究及運(yùn)用

王 錫 鈺

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣學(xué)院， 遼寧 撫順 113001)

目前，管道運(yùn)輸方式已被廣泛應(yīng)用到油氣運(yùn)輸領(lǐng)域，且表現(xiàn)出顯著的節(jié)能性、高效性及安全性。但管道運(yùn)輸過(guò)程，極易受到第三方或人為的破壞，從而導(dǎo)致管道泄漏或破裂，甚至引發(fā)嚴(yán)重的爆炸或火災(zāi)事故，從而給周邊人員的安全造成嚴(yán)重威脅?？梢姡匾曈蜌夤艿佬孤z測(cè)非常必要，以便對(duì)存在的險(xiǎn)情進(jìn)行及時(shí)排查。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就油氣管道泄漏檢測(cè)方法的應(yīng)用進(jìn)行了研究討論。

油氣管道；泄漏檢測(cè)；間接/直接檢漏法

管道運(yùn)輸具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用性及安全可靠性的特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用到油氣運(yùn)輸領(lǐng)域，且占據(jù)著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略地位。另外，因?yàn)槲覈?guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及世界能源需求的不斷增大，石油及天然氣等能源的需求量繼續(xù)不斷增加,同時(shí)油氣管道的分布面積越來(lái)越廣。但油氣管道的使用環(huán)境相當(dāng)惡劣，經(jīng)過(guò)管道運(yùn)行的時(shí)間增加，人為的損壞、管道的老化、機(jī)械施工、地形沉降及腐蝕重壓等因素對(duì)管道的長(zhǎng)時(shí)間作用定會(huì)損傷管道，甚至導(dǎo)致管道泄漏。若未對(duì)此進(jìn)行及時(shí)排查處理，定為引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，從而為國(guó)家及社會(huì)造成嚴(yán)重的損失。可見，加強(qiáng)對(duì)油氣管道泄漏檢測(cè)方法的研究非常必要。但與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)管道工業(yè)的起步較晚，因此油氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)較落后。為此，本文筆者結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，著重就油氣管道泄漏檢測(cè)方法的研究及運(yùn)用進(jìn)行分析，以期提高我國(guó)油氣管道泄漏檢測(cè)水平，從而為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及國(guó)家穩(wěn)定提供保障[1]。

1 油氣管道泄漏檢測(cè)方法的應(yīng)用研究

1.1 直接檢漏法的應(yīng)用

所謂直接檢漏法[2]，是指應(yīng)用探測(cè)器對(duì)管道外的泄漏物進(jìn)行直接性檢測(cè)，以判斷管道的泄漏情況。當(dāng)前經(jīng)常使用的的直接檢漏法包括傳感光纜法、導(dǎo)電高聚合物檢漏法、絕緣電纜檢漏法、氣體成像法、紅外線法及探地雷達(dá)法等，而本節(jié)著重介紹電纜檢漏法、傳感光纜法、探地雷達(dá)法及熱紅外線成像法的應(yīng)用。

1.1.1 電纜檢漏法的應(yīng)用

電纜檢漏法的實(shí)現(xiàn)方法有兩種，即：（1）順著管線埋設(shè)兩芯材料，此種材料屬絕緣材料，容易被一些碳?xì)浠衔锶芙狻．?dāng)運(yùn)輸管道發(fā)生泄漏時(shí)，經(jīng)漏油浸泡后的電纜，會(huì)改變阻抗值，為了進(jìn)行漏點(diǎn)定位和管道泄漏的判斷； 可以從兩芯電纜端部對(duì)阻抗分布參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。（2）順著管道鋪設(shè)同軸電纜，此種電纜具有透油性及非透水性的特點(diǎn)。此種方法的應(yīng)用原理為：電纜經(jīng)過(guò)泄漏的油的侵透，會(huì)發(fā)生脈沖現(xiàn)象，這些電纜的端部會(huì)發(fā)射脈沖。因此對(duì)反射脈沖信號(hào)的檢測(cè)，便可判斷管道泄漏及漏點(diǎn)定位。綜上所述，電纜檢測(cè)法的應(yīng)用具有下列優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需配備地面檢測(cè)設(shè)備，便可檢測(cè)出油氣管道的微小滲漏及定位，且具有檢測(cè)速度快及檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)。

1.1.2 傳感光纜法的應(yīng)用

分布式光纖傳感器能夠采集到傳感光纖區(qū)內(nèi)任何隨空間及時(shí)間變化的待測(cè)分布信息，且此種傳感器屬傳感型光纖傳感器。研究表明，光波傳播過(guò)程，光波的特征參量定會(huì)隨著外界因素的作用而發(fā)生變化。傳感光纜法的應(yīng)用原理為：將傳感光纜沿著油氣管道鋪設(shè)，采集管道周圍的聲音、壓力及振動(dòng)信號(hào)，處理采集到的經(jīng)信號(hào)，對(duì)管道泄漏及成因進(jìn)行判斷，亦或采用傳感光纜（對(duì)碳?xì)浠衔飿O度敏感）對(duì)油氣管道泄漏進(jìn)行檢測(cè)及定位[3,4]。

1.1.3 探地雷達(dá)法的應(yīng)用

探地雷達(dá)多用來(lái)定位地下介質(zhì)的分布以及探測(cè)淺層地質(zhì)的構(gòu)造。由天線向地下介質(zhì)發(fā)射無(wú)載波電磁脈沖然后接收地下各介質(zhì)界面的反射回波就是這種光譜電磁波技術(shù)的核心。介質(zhì)內(nèi)電磁波的傳播過(guò)程，介質(zhì)的幾何形態(tài)及電性質(zhì)定會(huì)發(fā)生作用，因此地下物體的探明可采用對(duì)反射信號(hào)時(shí)域波形的處理。當(dāng)油氣管道發(fā)生泄漏時(shí)，發(fā)生泄漏的管道四周地表的電性質(zhì)定會(huì)發(fā)生改變所以也會(huì)發(fā)生改變的是反射信號(hào)的時(shí)域波形，所以依據(jù)波形變化特征便能判斷油氣管道的泄漏。車載式及便攜式是探地雷達(dá)的倆種形式，同時(shí)隨著遠(yuǎn)程油氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，星載合成孔徑雷達(dá)和機(jī)載側(cè)視雷達(dá)被廣泛應(yīng)用。雷達(dá)圖像信號(hào)表現(xiàn)出了管道四周的地質(zhì)特征，所以管道泄漏在應(yīng)用探地雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程，雷達(dá)信號(hào)定會(huì)受到地質(zhì)特性突變的影響，由此嚴(yán)重制約著探地雷達(dá)應(yīng)用效果的提高[5,6]。

1.1.4 紅外線法

油氣管道運(yùn)輸過(guò)程，需先加熱原油，使原油的粘稠性降低，若地表紅外輻射被改變，則是因?yàn)楣艿浪闹鼙辉徒菁案采w的地表溫度被改變，從而判斷管道泄漏的發(fā)生。此外，空氣內(nèi)，油氣管道泄漏物形成的氣團(tuán)與四周空氣的光譜存有差異。結(jié)合此事實(shí)可知，紅外線法的應(yīng)用原理為：記錄管道四周的熱輻射效應(yīng)，然后再對(duì)精密紅外攝像裝置記錄下的光譜信號(hào)進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣管道局部泄漏的檢測(cè)及漏點(diǎn)的定位[7]。

1.2 間接檢漏法

間接檢漏法是對(duì)油氣管道的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)管道泄漏進(jìn)行估計(jì)。目前，比較常用的油氣管道間接檢漏法有質(zhì)量平衡法、壓力梯度法、負(fù)壓波檢漏法、管內(nèi)智能爬行機(jī)法應(yīng)力波法及聲學(xué)方法，而本節(jié)著重介紹壓力梯度法、負(fù)壓波檢漏法及應(yīng)力波法的應(yīng)用[8]。

1.2.1 壓力梯度法

流體順著管道流動(dòng)的過(guò)程，除溫度基本不變外，流體的密度、粘度、熱熔等均會(huì)受到溫度變化的影響而發(fā)生較小變化，管道內(nèi)壓力梯度則呈直線型下降趨勢(shì)，而管道出/入口的壓力梯度相等。若油氣管道發(fā)生泄漏，則管道內(nèi)壓力分布狀況被改變，同時(shí)漏點(diǎn)前方流量與梯度呈上升的正相關(guān)，流量增大梯度變陡，而漏點(diǎn)后方流量與梯度呈下降的正相關(guān)，流量減小梯度變緩。判斷管道是否發(fā)生泄漏，需要觀察油氣管道端部的壓力梯度是否相同，如果壓力梯度下降趨勢(shì)呈折現(xiàn)狀則判斷管道發(fā)生泄漏，這個(gè)折點(diǎn)即是泄漏點(diǎn)，泄漏位置是按照管道的口的壓力梯度做線的交點(diǎn)。但我國(guó)原油具有粘度高、含蠟量高及凝點(diǎn)高的特點(diǎn)，因此需先加熱后運(yùn)輸，這樣使壓力梯度順著管道呈非線性分布，因?yàn)樵偷臏囟茸兓瘜?duì)石油類物質(zhì)特性的影響較大，且及其微小的溫度改變也會(huì)造成原有粘度發(fā)生相當(dāng)大的改變。可見，線性壓力梯度法具有定位精度差及儀器測(cè)量誤差影響大的缺點(diǎn)，因此這種方法多被用做于輔助手段[9]。

1.2.2 負(fù)壓波檢漏法

當(dāng)油氣管道某處突發(fā)泄漏，則由于管道內(nèi)外壓力差的存在，泄漏部位由于物質(zhì)損失造成瞬時(shí)壓力突然下降的現(xiàn)象，壓降由泄露處分別產(chǎn)生向上 /下游傳播，這就叫負(fù)壓波。研究表明，管道內(nèi)低頻負(fù)波（0.05～10 Hz）的傳播損耗較低，且傳播距離遠(yuǎn)。此外，溫度為 5～32 ℃時(shí)，負(fù)壓波的傳播速度達(dá) 1 100 ～1 300 m/s。負(fù)壓檢漏法的應(yīng)用原理為：通過(guò)被壓力傳感器捕捉到的負(fù)壓波判斷管道是否泄漏，泄漏地點(diǎn)是根據(jù)捕捉到的負(fù)壓波到達(dá)管道倆端的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)判斷。負(fù)壓波的屬性均相同且負(fù)壓波信號(hào)前峰陡降段擁有最大斜率，則可采用相關(guān)分析法進(jìn)行管道漏檢及漏點(diǎn)定位。由于負(fù)壓波法的應(yīng)用過(guò)程對(duì)信號(hào)分析及處理的要求較高，所以管道泄漏檢測(cè)定位的關(guān)鍵是對(duì)負(fù)壓波的捕捉及對(duì)負(fù)壓波到管道端部時(shí)差的判斷，所以需要使用降噪技術(shù)去處理采集到的壓力信號(hào)，為了保證管道泄漏檢測(cè)的準(zhǔn)確性及可靠性，還需要同時(shí)對(duì)泵站正常作業(yè)及管道泄漏所產(chǎn)生的負(fù)壓波進(jìn)行區(qū)分。對(duì)傳感器接收的信號(hào)進(jìn)行分析可以極大的提高檢測(cè)的靈敏度?？傮w而言，負(fù)壓波檢漏法具有操作簡(jiǎn)單、檢漏結(jié)果精準(zhǔn)度高的優(yōu)點(diǎn)，因此已被廣泛應(yīng)用[10,11]。

1.2.3 應(yīng)力波法

據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，我國(guó)某些地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的管道鉆孔盜油盜氣的現(xiàn)象，如此嚴(yán)重影響著我國(guó)在役管道運(yùn)行的安全性，此乃油氣管道泄漏的關(guān)鍵成因。油氣管道均采用金屬?gòu)椥泽w做管壁，因此對(duì)管壁打孔定會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，且此振動(dòng)順著管道內(nèi)以應(yīng)力波的形式進(jìn)行傳播，此傳播速度及傳播距離分別為5 000 m/s及＞1.8 km。此外，若管道發(fā)生泄漏，則管壁與泄漏產(chǎn)生的多相湍射相互作用，定會(huì)使管壁產(chǎn)生順著管壁內(nèi)高速傳播的高頻應(yīng)力波。應(yīng)力波導(dǎo)致的管壁振動(dòng)方式有圓環(huán)振動(dòng)、縱/橫振動(dòng)。研究表明，阻尼作用發(fā)生在了油氣管道的管道壁上，因此應(yīng)力波強(qiáng)度指數(shù)與傳播距離呈負(fù)相關(guān)，若管道與應(yīng)力波發(fā)生共振這樣就能實(shí)現(xiàn)應(yīng)力波的遠(yuǎn)距離傳播。應(yīng)力波法的應(yīng)用原理為：對(duì)油氣管道外壁裝設(shè)的應(yīng)力波傳感器接收到的應(yīng)力波信號(hào)功率譜進(jìn)行分析，通過(guò)分析對(duì)管道泄漏進(jìn)行檢測(cè)及對(duì)漏點(diǎn)和打孔進(jìn)行定位，亦或者通過(guò)管道端部分別安裝的傳感器接收到的信號(hào)的時(shí)間來(lái)開始進(jìn)行管道泄漏和打孔的定位[12]。

2 結(jié)束語(yǔ)

前文所述檢測(cè)方法僅為特定問(wèn)題的解決方案，因此各具特色。例如，僅需接收被測(cè)對(duì)象發(fā)出的信號(hào)的是紅外線法，這種方法屬于被動(dòng)探測(cè)法，把脈沖信號(hào)發(fā)射至地下介質(zhì)，以接收反射信號(hào)來(lái)判斷管道的泄漏的方法叫探地雷達(dá)法，這種方法屬于主動(dòng)探測(cè)法。管道具有點(diǎn)多線長(zhǎng)及地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，因此紅外線法及探地雷達(dá)法均無(wú)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)，而此時(shí)最好采用線纜法。間接檢漏法主要依據(jù)油氣管道的運(yùn)行參數(shù)來(lái)判斷管道的泄漏及漏點(diǎn)定位。目前，壓力梯度法、負(fù)壓波檢漏法及應(yīng)力波法等間接漏檢法的應(yīng)用最廣，但壓力梯度法對(duì)漏點(diǎn)的定位精度較低，且受到儀表測(cè)量誤差的影響較大，因此僅作輔助手段。此外，上述所有方法僅能對(duì)已發(fā)生的管道泄漏進(jìn)行檢測(cè)，因此無(wú)法對(duì)任何第三方責(zé)任事件進(jìn)行預(yù)警。可見，對(duì)油氣管道新材料、新技術(shù)、新方法及管道泄漏/外力損傷檢測(cè)與定位技術(shù)的研究非常必要。

［1］杜翠.泄漏檢測(cè)技術(shù)在油氣管道建設(shè)中的應(yīng)用[J].化工管理,2014(5): 97-97.

［2］趙則祥, 王延年, 朱強(qiáng). 長(zhǎng)輸油氣管道泄漏檢測(cè)方法[J]. 中原工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008, 19(5): 10-14.

［3］Alistair M acLean, Chris Moran, Walter Johnstone, et al. Detection of Hydrocarbon Fuel Spills Using a Distributed Fibre Op-tic sensor[J].Sensors and Actuators A, 2003, 109(1): 60- 67.

［4］Antonio Carrillo, Enrique Gonzalez, Armando Rosas, et al. New Distributed Optical Sensor for Detection and Localization of Liquid Leaks: Part I[J]. Experimental studies. Sensors and Actuators A. , 2002, 99(3): 229- 235.

［5］趙會(huì)軍,武偉強(qiáng),王克華，等.基于次聲波法的油氣管道泄漏檢測(cè)與定位[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2012,31(3):215-218.

［6］鄭琬郁.音波檢測(cè)技術(shù)在油氣管道泄漏檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J].廣州化工,2013,41(6):43-45.

［7］遲省利. 基于小波包及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道泄漏定位檢測(cè)模型研究[D].大慶：東北石油大學(xué),2011.

［8］王延年,朱強(qiáng), 趙則祥. 長(zhǎng)輸油氣管道泄漏檢測(cè)方法研究進(jìn)展[J].石油機(jī)械，2007, 35(5): 49-53.

［10］陽(yáng)光,鄧松圣,張福倫，等.油氣輸運(yùn)管道泄漏檢測(cè)的部分方法及優(yōu)缺點(diǎn)分析[J]. 中國(guó)儲(chǔ)運(yùn),2010(2): 102-103.

［11］張現(xiàn)霞.基于虛擬儀器的集輸管網(wǎng)支線泄漏檢測(cè)系統(tǒng)研究[D].上海交通大學(xué), 2008.

［12］黃文, 毛漢領(lǐng), 包家福等. 管網(wǎng)泄漏檢測(cè)的單傳感器定位方法[J].管道技術(shù)與設(shè)備, 2002 ( 4) : 37- 40.

Research and Application of Oil and Gas Pipeline Leak Detection Methods

WANG Xi-yu
（College of Petroleum and Natural Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

At present, pipeline transportation mode has been widely applied in oil and gas transportation，and has showed advantages of significant energy saving, high efficiency and security. But the pipeline transport process is easily affected by the third party or man-made destruction to cause pipeline leakage or rupture, even serious explosion and fire accidents, which will bring a serious threat to the safety of the surrounding personnel. So it is necessary to attach importance to oil and gas pipeline leak detection. In this paper, combined with practical experiences, application of oil and gas pipeline leak detection methods was discussed.

Oil and gas pipelines; Leak detection; Indirect/direct leak detection method

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）05-1017-03

］孫良.基于模型的油氣管道泄漏檢測(cè)與定位方法研究[D].北京化工大學(xué),2010.

10.7666/d.y1878242.

2015-03-24

王錫鈺（1991-），男，遼寧盤錦人，遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)碩士在讀，研究方向：管道泄漏及其選線的研究。E-mail：178192916@qq.com。