石油天然氣長輸管道的泄漏原因及檢測方法分析

何緒春

(中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司， 重慶 400016)

石油天然氣長輸管道的泄漏原因及檢測方法分析

何緒春

(中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司， 重慶 400016)

石油天然氣輸送管道的泄漏問題日益受到人們的重視。本文簡析了石油天然氣長輸管道發(fā)生泄漏的原因，并結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)對石油天然氣長輸管道泄漏檢測及定位技術(shù)進(jìn)行分析。

石油天然氣；長輸管道；泄漏檢測；定位方法

前言：隨著油氣工業(yè)的不斷發(fā)展，管道運(yùn)輸已成為石油天然氣運(yùn)輸?shù)闹饕绞?，油氣管道建設(shè)規(guī)模已成為各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要標(biāo)志之一。隨著油氣輸送管道建設(shè)長度的增加，運(yùn)行使用年限累積，管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)日益突出，管道安全已經(jīng)成為社會廣泛關(guān)注的問題之一。經(jīng)過檢測和維修管道，降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，可延長管道的服役年限，減少環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。

1 石油天然氣長輸管道發(fā)生泄漏的原因分析

1.1 管道質(zhì)量因素

管道材料、焊接材料、施工質(zhì)量等管道自身質(zhì)量的優(yōu)劣，是管道發(fā)生破損泄漏的一個(gè)重要因素。管道質(zhì)量出現(xiàn)不合格主要有兩方面原因，一是管道材料不合格，部分施工企業(yè)對管道質(zhì)量的重視不足，使用質(zhì)量相對較差的材料，甚至偷工減料以謀取私利，導(dǎo)致本身存在質(zhì)量缺陷的產(chǎn)品和材料混入工程中。另一方面，某些施工單位管理體制存在漏洞，一線施工人員專業(yè)技術(shù)水平參齊不齊、檢驗(yàn)驗(yàn)收管理不嚴(yán)格，導(dǎo)致管道焊接質(zhì)量不過關(guān)、應(yīng)力安裝、暴力施工、偽造檢驗(yàn)結(jié)果等，都給油氣管道工程的運(yùn)營帶來很大的安全隱患。

1.2 管道腐蝕因素

管道腐蝕也是石油天然氣長輸管道發(fā)生泄漏事故的主要原因之一，占據(jù)管道事故總發(fā)生率的40%以上。造成管道腐蝕的原因主要有兩個(gè)方面，一是石油天然氣長輸管道輸送的介質(zhì)品質(zhì)不高，含二氧化硫、硫化氫、二氧化碳、水等雜質(zhì)，在其各類氧化作用下會對管道的內(nèi)部造成各種腐蝕。另一方面，土壤環(huán)境的土壤的酸堿度、氧化還原電位、電阻率、含水量、密實(shí)度、含鹽種類、濕度、雜散電流等，均會直接或間接影響對埋地鋼制管道的腐蝕[1]。

1.3 陰極保護(hù)失效因素

陰極保護(hù)，主要是通過在被腐蝕金屬結(jié)構(gòu)外施加電流，從而確保被保護(hù)的結(jié)構(gòu)呈陰極，可以有效避免腐蝕情況的發(fā)生，防蝕效果無可替代。但在實(shí)施陰極保護(hù)的過程中，往往由于一些具體問題、特殊問題，影響了陰極保護(hù)的防蝕效果。如管道穿越鐵路公路時(shí)設(shè)置套管的內(nèi)部充水導(dǎo)致局部失效、陽極區(qū)出現(xiàn)中斷或者斷電、外部電流搭接到管道上等，均會導(dǎo)致陰極保護(hù)失效，從而降低陰極保護(hù)的效率、甚至導(dǎo)致管道腐蝕穿孔等事故。

1.4 人為破壞因素

人為破壞造成長輸管道泄漏的事故也時(shí)有發(fā)生，主要存在兩種情況：一是，長輸管道在油氣輸送過程中，受到不法分子的竊取導(dǎo)致管道破壞；例如2003年12月19日，蘭成渝成品油管道由于打孔盜油而造成了管道的爆裂，噴出油柱高達(dá)10米，損失數(shù)百萬。二是，人們進(jìn)行生產(chǎn)活動和工程建設(shè)過程中，因重視度不夠，直接或間接對長輸管道造成破壞等[2]。例如2005年11月28日，義馬-鄭州長輸燃?xì)夤艿涝跍铌柺欣羁苏灞煌诰驒C(jī)挖開為70mm×90mm的裂口；以及2010年7月16日，因第三方公司違規(guī)向管道中注入脫硫劑，中石油大連新港輸油管線發(fā)生爆炸，造成新大線緊急停輸，泄漏原油3000噸，50平方公里海域受污染。

1.5 自然災(zāi)害因素

地震、暴雨、山體滑坡、泥石流、洪水等地質(zhì)災(zāi)害也是導(dǎo)致管道泄漏的因素之一。地表發(fā)生沉降、裂縫、塌陷、滑移、水土流失進(jìn)而是造成管道受力超過材料極限被破壞，引起管道泄漏。例如2001年11月14日，青藏高原北部昆侖山脈發(fā)生MS8.1級地震，導(dǎo)致該地區(qū)內(nèi)的一條輸油管道發(fā)生4處以上的毀壞[3]。

2 石油天然氣長輸管道的泄漏檢測方法

油氣輸送管道泄漏不僅會造成大量石油天然氣資源的浪費(fèi)，帶來生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)上的不利影響，同時(shí)也會對自然環(huán)境和人類生命安全造成重大隱患，因此及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道泄漏，并進(jìn)行維修，可有效減小因管道泄漏帶來的影響。隨著科技的進(jìn)步，石油天然氣長輸管道的泄漏檢測及定位方法逐漸成熟，以檢測參數(shù)特點(diǎn)區(qū)分，可分為直接檢測法和間接檢測法兩大類。

2.1 直接檢測法

該類方法主要通過對油氣管道泄漏物、泄漏點(diǎn)外部環(huán)境變化、泄漏點(diǎn)聲光特點(diǎn)、等進(jìn)行直接檢測，發(fā)現(xiàn)并定位管道泄漏的檢測方法。傳統(tǒng)的人工巡檢法在一定時(shí)間內(nèi)對油氣管道泄漏的發(fā)現(xiàn)起到不小作用，隨著現(xiàn)代化工程技術(shù)的應(yīng)用，示蹤劑檢漏法、電纜檢漏法、光纖檢漏法以及智能清管器(PIG)檢漏法等在直接檢測管道泄漏和定位方面都得到很好的工程利用。

(1)人工巡檢法

該種檢漏法是由具經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員直接觀察、使用便攜式專業(yè)儀器或訓(xùn)練有素的動物對管道進(jìn)行巡線檢漏[4]，通過檢查管道泄漏處的土壤、油污、油氣濃度、聲音、燃燒火焰、氣味等特點(diǎn)，以及收集周邊群眾舉報(bào)信息，可準(zhǔn)確判斷管道泄漏情況以及泄漏位置。人工巡檢法的優(yōu)點(diǎn)是簡單可靠、識別率高，能準(zhǔn)確判別發(fā)生泄漏的位置；人工巡檢還可及時(shí)發(fā)現(xiàn)外界施工、地形地貌變化等泄漏高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，便于提前采取處置方案防患于未然。人工巡檢的缺點(diǎn)是由于巡檢周期的時(shí)限特點(diǎn)，存在及時(shí)性不高、效率低下、容易漏判，且沼澤、湖畔、沙漠等不利于通行地帶，以及臺風(fēng)、暴雨、風(fēng)雪等惡劣天氣均會造成巡檢困難。

(2)示蹤劑檢漏法

該種檢漏法是將具有放射性的物質(zhì)，如碘-131、溴-82、鈉-24等介質(zhì)注入管道，通過檢測管道外部示蹤劑的附著情況，從而判斷泄漏的位置。該方法的優(yōu)點(diǎn)是檢測靈敏、可識別微小泄漏點(diǎn)，泄漏點(diǎn)定位準(zhǔn)確；不過這種檢測方法因操作周期長、環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)高、維護(hù)成本高且不適于在線運(yùn)行的管道，近期已經(jīng)很少運(yùn)用。

(3)電纜檢漏法

該種檢漏法主要用于原油、成品油等液態(tài)油氣輸送管道的泄漏檢測，原理是油溶性電纜、分布式傳感電纜或滲透性電纜等特種電纜，其電氣性能會在泄漏物的作用下發(fā)生變化，通過檢測與輸油管道伴行的電纜的電氣特性，即可判斷管道是否出現(xiàn)泄漏以及泄漏的位置。該種方法的優(yōu)點(diǎn)是，對微小泄漏可檢測、泄漏點(diǎn)定位較準(zhǔn)確；其缺點(diǎn)也比較明顯，一是電纜制作工藝復(fù)雜，材料成本及施工費(fèi)用較高；二是其電纜為一次性，一旦某處油氣管道出現(xiàn)過泄漏，該段電纜就需更換，其檢修和維護(hù)工作量大；因此，電纜檢漏法也未得到大面積推廣。

(4)光纖檢漏法

該種檢漏法是利用伴隨油氣輸送管道平行敷設(shè)檢測光纜，作為檢測管道泄漏物質(zhì)或檢測泄漏部位的溫度特征、壓力特征、振動特征、應(yīng)變特征等參數(shù)的設(shè)施，組成的分布式傳感器，通過對通信光纜傳輸?shù)臋z測信號進(jìn)行科學(xué)分析后，從而實(shí)現(xiàn)對管道泄漏的檢測和泄漏位置確定的檢漏方法。隨著近年來光纖技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外采用光纖傳感技術(shù)進(jìn)行檢漏的手段逐漸成熟[5]，應(yīng)用較為廣泛的幾種有：①光纖布拉格光柵(FBGZ)法，通過監(jiān)測泄漏物質(zhì)造成光纖變形的實(shí)現(xiàn)管道泄漏檢測；②光時(shí)域反射(OTDR)法，基于布里淵散射(Brillouin)和拉曼散射(Raman)原理和光時(shí)域反射技術(shù)，通過監(jiān)測管道泄漏處溫度、振動參數(shù)來實(shí)現(xiàn)管道泄漏檢測；③干涉型泄漏檢測法，基于薩格納克(Sagnac)光纖干涉架構(gòu)、基于馬赫－曾德爾(Mach－Zehnder)光纖干涉原理以及基于Sagnac和Mach－Zehnder混合型光纖干涉原理[6]，通過監(jiān)測管道泄漏處噪聲等參數(shù)來實(shí)現(xiàn)管道泄漏檢測。

光纖檢漏法以油氣輸送管道伴行光纖作為檢測儀器，光為檢測和傳輸媒介，設(shè)備本體具有抗氧化、耐腐蝕、壽命周期長，檢驗(yàn)手段具檢漏識別率高、定位準(zhǔn)確、可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，同時(shí)具備有抗電磁干擾能力強(qiáng)、無電火花等優(yōu)點(diǎn)。光纖檢漏法在油氣輸送管道工程應(yīng)用越來越廣泛。

(5)智能清管器(PIG)檢漏法

該種檢漏法是利用智能清管器(PIG)[6]，在油氣管道輸送介質(zhì)推動或自身動力的作用下在管道內(nèi)爬行，借助其攜帶的檢測儀器，實(shí)現(xiàn)對管道泄漏以及腐蝕或焊接缺陷進(jìn)行檢測并定位。應(yīng)用較廣泛的方法有：①超聲檢測(UT)，需與管壁進(jìn)行解除耦合，常用于油品管道，不適用于天然氣管道；②漏磁內(nèi)檢測，通過激勵并檢測磁力回路檢測管壁泄漏及缺陷，檢測設(shè)備較長，需防止卡掛；③渦流內(nèi)檢測，通過檢測勵磁線圈渦流參數(shù)對管壁泄漏及缺陷進(jìn)行檢測；④可視成像檢測，利用搭載的可視攝像頭所獲取的圖像信息進(jìn)行檢測，主要檢測內(nèi)表面缺陷。

智能清管器具有準(zhǔn)確定位，不僅可對管道泄漏進(jìn)行檢測，還可通過探明管道腐蝕減薄、外力變形、焊縫裂紋等管壁缺陷，預(yù)先對管道進(jìn)行維護(hù)降低管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，是管道完整性管理的重要手段。隨著橢球形、球形等高通過性智能檢測器的開發(fā)，為在線檢測提供極大的便利。

2.2 間接檢測法

間接檢測法是通過收集并分析油氣管道運(yùn)行的物理參數(shù)，如：壓力波、音波、流量的等的特點(diǎn)，來檢測管道是否發(fā)生泄漏并對泄漏位置進(jìn)行定位的一類方法。

(1)體積或物質(zhì)平衡法

該方法是測量進(jìn)入和流出管道的流體的體積或質(zhì)量，通過對比兩者是否一致來判斷管道是否發(fā)生泄漏。這類方法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡單，缺點(diǎn)是對于檢測運(yùn)行狀況不穩(wěn)定的管道和少量泄漏的時(shí)不宜準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)泄漏，且無法對泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。

(2)壓力梯度法

油氣管道在理想狀況下，管道沿線壓力梯度隨距離呈線性變化，而出現(xiàn)了泄漏的管道其沿線壓力會出現(xiàn)拐點(diǎn)，通過檢測管線上壓力變化，分析壓力梯度變化，可對管道泄漏進(jìn)行檢測，并進(jìn)行定位。由于實(shí)際運(yùn)行的管道受粘度、傳熱、線路起伏等影響，沿線的壓力梯度并非線性，因此該方法的定位精度較差。但壓力梯度法仍可以作為一種的輔助手段。

(3)負(fù)壓波泄漏檢測法

當(dāng)油氣管道局部發(fā)生泄漏時(shí)，由于管道內(nèi)外的高壓差，會在泄漏點(diǎn)瞬間形成一個(gè)相對低壓，這個(gè)低壓會以波的形式向管道上下游傳播，這個(gè)波就是負(fù)壓波。通過檢測負(fù)壓波可以對泄漏進(jìn)行檢測，分析負(fù)壓波到達(dá)上下游監(jiān)測儀器的時(shí)間，就可實(shí)現(xiàn)對泄漏點(diǎn)的定位。采用小波變換法提取壓力信號突變信息、結(jié)合物質(zhì)平衡檢測等方法，負(fù)壓波檢測法可對管道進(jìn)行泄漏可實(shí)現(xiàn)快速、精確定位。

3 結(jié)語

選擇有效的檢測手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏并修復(fù)，是油氣管道完整性管理關(guān)鍵。隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，多種方法組合運(yùn)用，泄漏檢測的靈敏度和定位精度將進(jìn)一步提高，為油氣事業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展保駕護(hù)航。

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[5]莊須葉,王浚璞,鄧勇剛,黃濤,姚軍,田鵬.光纖傳感技術(shù)在管道泄漏檢測中的應(yīng)用與進(jìn)展[J].光學(xué)技術(shù),2011,05:543-550.

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