次聲波檢測(cè)法在識(shí)別天然氣管線上隱蔽盜氣點(diǎn)的應(yīng)用

楊德森

摘 要：針對(duì)近年來油氣管道盜氣案件頻發(fā)，但目前缺乏成熟有效的檢測(cè)技術(shù)手段的問題，提出了一套利用次聲波檢測(cè)技術(shù)，通過檢測(cè)管道內(nèi)部盜氣點(diǎn)操作所產(chǎn)生的次聲信號(hào)的方法，并舉例說明了該方法的應(yīng)用情況，實(shí)踐證明是有效的。

關(guān)鍵詞：埋地管道，隱藏盜氣點(diǎn)，次聲波，檢測(cè)技術(shù)

中圖分類號(hào)：F407文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

0 引言

天然氣是一種清潔、高效的化石能源。采用天然氣作為能源，可減少煤和石油的用量，因而大大改善環(huán)境污染問題。2011年1-10月，天然氣消費(fèi)量為1041億立方米，同比增長20.40%。與此同時(shí)，國內(nèi)天然氣管道發(fā)展也十分迅猛，截至2011年底，全國天然氣管道保有量為4.8萬公里。隨著環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)意識(shí)的增強(qiáng)，天然氣管道運(yùn)行和完整性檢測(cè)也越來越受到企業(yè)的關(guān)注，天然氣管道一旦發(fā)生泄漏不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將造成重大安全事故、經(jīng)濟(jì)損失[1]。

同時(shí)近年來，隨著天然氣價(jià)格的走高，盜氣違法犯罪行為越來越猖獗。被私接的燃?xì)夤艿?，由于安裝不專業(yè)及缺乏日常維護(hù)，可能導(dǎo)致燃?xì)庑孤?，如果遇到明火或電火花，就?huì)發(fā)生爆炸，造成群死群傷的重大安全事故。盜氣的手段多種多樣，大多是破壞燃?xì)夤艿篮驮O(shè)施，因此存在非常大的安全隱患問題。

1 目前的檢測(cè)技術(shù)

國內(nèi)的管道檢漏檢測(cè)技術(shù)這幾年有著蓬勃的發(fā)展，檢測(cè)手段也有很多方向，目前應(yīng)用較多技術(shù)較為成熟的有：光纖檢測(cè)、流量檢測(cè)法、負(fù)壓波檢測(cè)法、次聲波等檢測(cè)法。

1.1、光纖檢測(cè)

根據(jù)管道在發(fā)生泄漏時(shí)會(huì)在泄漏點(diǎn)出現(xiàn)溫度變化，采用光纖光柵和分布式光纖溫度傳感檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管道全線溫度的連續(xù)檢測(cè)，通過檢測(cè)管道周圍的溫度場(chǎng)異常變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，并進(jìn)行漏點(diǎn)準(zhǔn)確定位[2]。

該方法存在以下缺點(diǎn)：

1)人員活動(dòng)多的環(huán)境會(huì)對(duì)光纖的溫度檢測(cè)產(chǎn)生干擾，容易產(chǎn)生誤報(bào)，報(bào)警準(zhǔn)確很低，在人煙稀少的環(huán)境下報(bào)警準(zhǔn)確。

2) 設(shè)備成本高，施工要求及成本高，維護(hù)要求高。因此不適合已埋設(shè)但沒有鋪設(shè)光纖的管線。

1.2、流量檢測(cè)法

流量檢測(cè)法是管道泄漏檢測(cè)領(lǐng)域最早期的方法，通過檢測(cè)管道輸入端的輸入流量與管道輸出端的輸出流量差，來判斷管道是否發(fā)生泄漏，原理很直接也很簡單，但該方法存在明顯的缺陷：

1) 無法實(shí)現(xiàn)定位，即無法準(zhǔn)確有效地發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)，不利于快速發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)并及時(shí)維修；

2) 受流量檢測(cè)儀表精度的限制，一般需要管道泄漏達(dá)到一定量級(jí)，儀表才能檢測(cè)出來并報(bào)警；

1.3、負(fù)壓波檢測(cè)法

利用“負(fù)壓波”技術(shù)原理進(jìn)行管道泄漏檢測(cè)和定位。管道泄漏的發(fā)生會(huì)造成泄漏點(diǎn)壓力下降，這種壓力下降信號(hào)會(huì)沿著管道向兩端傳播，傳播的速度取決于管道內(nèi)介質(zhì)。檢測(cè)系統(tǒng)通過對(duì)比兩站間接收到負(fù)壓波的時(shí)間差，計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置[3]。該方法是目前應(yīng)用最為廣泛的方法，但是與我們的次聲波管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)相比，存在著以下缺點(diǎn)：

1) 系統(tǒng)只能檢測(cè)到泄漏量較大的泄漏，對(duì)于泄漏量較小的無法檢測(cè)；

2) 定位精度很差，誤差達(dá)數(shù)公里；

3) 對(duì)管道的首末端壓力差有要求，對(duì)首末端壓差大的輸油管道有效果，對(duì)首末端壓差小的輸氣管道沒效果，比如在天然氣管道上，由于天然氣首末端壓力差幾乎為零，負(fù)壓波法完全不適用；

1.4、次聲波管道檢測(cè)系統(tǒng)

次聲波檢測(cè)法代表了管道泄漏檢測(cè)的技術(shù)發(fā)展方向。次聲波檢測(cè)法檢測(cè)的管道發(fā)生泄漏產(chǎn)生的次聲信號(hào)，對(duì)管道的工況和泄漏的量無直接關(guān)系，另外，次聲波檢測(cè)法可方便安裝于管道的兩端，不受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的限制。

2 檢測(cè)技術(shù)和判別原理介紹

2.1次聲波檢測(cè)技術(shù)

當(dāng)管道破裂而產(chǎn)生泄漏時(shí)，管道內(nèi)介質(zhì)在管道壓力的作用下，都迅速涌向泄漏處，從泄漏點(diǎn)噴射而出，噴射出的介質(zhì)與破損的管壁高速摩擦，在泄漏處形成振動(dòng)。該振動(dòng)從泄漏處以聲波的形式向管道兩端傳播。

根據(jù)聲波傳輸?shù)乃p公式：

其中為聲波的衰減系數(shù)，為聲波的頻率，為流體密度，為聲速，為切變粘滯系數(shù)，為熱傳導(dǎo)系數(shù)，為定容比熱，為定壓比熱。

從公式可以看出，聲波的衰減與聲波頻率的平方成正比，頻率越高，衰減越大，頻率越低，衰減越小，由此推斷，次聲波的衰減最小。

次聲是指頻率低于20Hz的聲波，由于次聲的頻率很低，所以大氣對(duì)次聲波的吸收系數(shù)很小，因而其穿透力極強(qiáng)，可傳播至極遠(yuǎn)處而能量衰減很小。同樣，在管道內(nèi)的介質(zhì)中傳播的次聲波信號(hào)，傳播距離也相對(duì)較遠(yuǎn)。

2.2隱蔽盜氣點(diǎn)判別原理

在管道的首尾兩端分別安裝次聲傳感器及數(shù)據(jù)分析采集系統(tǒng)，然后數(shù)據(jù)分析采集系統(tǒng)把數(shù)據(jù)通過企業(yè)內(nèi)局域網(wǎng)或是3G網(wǎng)絡(luò)傳到主數(shù)據(jù)服務(wù)器，最后再傳到同步顯示終端。各數(shù)據(jù)分析采集系統(tǒng)通過GPS同步衛(wèi)星來做校時(shí)工作的，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

當(dāng)在C點(diǎn)出現(xiàn)泄露時(shí)產(chǎn)生的次聲波信號(hào)沿著管道內(nèi)分別往A和B分站系統(tǒng)方向傳。分站系統(tǒng)接收到次聲信號(hào)后通過，結(jié)合兩個(gè)分站的所采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最終獲得泄露點(diǎn)的C的詳細(xì)位置。

3、某長輸天然氣管道盜氣點(diǎn)檢測(cè)應(yīng)用舉例

以某長輸天然氣管道盜氣點(diǎn)檢測(cè)為例，說明該技術(shù)應(yīng)用情況。該天然氣管線全長37.7km，管徑273mm。正常工作壓強(qiáng)是3-3.3MPa。自安裝以來，自動(dòng)報(bào)警發(fā)現(xiàn)過多次盜氣案例。案例1距高壓端10km處發(fā)現(xiàn)盜氣閥門，并有管線引出來。如圖2和圖3所示。組織人員和機(jī)械開始施工，從現(xiàn)場(chǎng)挖出DN32PN1.6球閥一個(gè)（當(dāng)時(shí)管線運(yùn)行的壓力是3.5MPa）。閥門接在管線上部，引出鋼管3米后轉(zhuǎn)接成塑料管約1000米到附近的一個(gè)家屬院。

圖2 盜氣閥門 遠(yuǎn)景圖3 盜氣閥門 近景

圖4 盜氣所產(chǎn)生的次聲波信號(hào)

案例2發(fā)現(xiàn)距高壓端10.5km處盜氣閥門，如圖5所示。

圖5 盜氣閥門2

4 結(jié)束語

不法分子對(duì)輸氣管道進(jìn)行打孔盜氣，不僅會(huì)給企業(yè)帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也極大地降低了管道的承壓強(qiáng)度，給管道運(yùn)行安全造成極大威脅。通過這兩次盜氣案件，系統(tǒng)給出的定位精度可以控制在±50 cm以內(nèi)。證明了綜合檢測(cè)方法的有效性。隨著埋地管道無損檢測(cè)技術(shù)的日益發(fā)展和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的逐漸成熟，會(huì)為埋地管道隱藏盜氣點(diǎn)的檢測(cè)提供更為有效的檢測(cè)手段和更精確的判別方法，為確保管道運(yùn)行安全，避免經(jīng)濟(jì)損失和消除了管道上的重大安全隱患發(fā)揮積極作用。

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