管道安全監(jiān)測研究綜述

劉兵 王杰 孟龍

摘要：隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，石油、天然氣、水煤漿等能源的消耗量越來越大，管道運輸憑借其投資建設(shè)相對較小、占地面積小、運輸量大、有利于環(huán)保等優(yōu)點在全世界各國都越來越受到重視，得到了廣泛應用。由于管道的逐漸增多和老化，事故也逐漸增多，如何有效地監(jiān)測管道的安全狀態(tài)成為學者們的研究重點。本文介紹了管道安全監(jiān)測應用廣泛的幾類技術(shù)，闡述近幾年國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，最后對我國管道安全監(jiān)測的發(fā)展進行展望。

關(guān)鍵詞：管道運輸;泄漏;安全監(jiān)測;檢測技術(shù)

1???? 引言

能源問題事關(guān)我國的經(jīng)濟社會發(fā)展、社會的穩(wěn)定以及國家安全，是重大戰(zhàn)略問題，能源消耗的逐漸增多，是社會發(fā)展的基本規(guī)律。我國的人均資源占有率較低，大量資源需要依賴進口，以石油為例：1993年，我國成為石油凈進口國[1]，2003年我國的石油進口量超過1億噸，成為僅次于美國的世界第二大石油消費國，我國石油的對外依存度也已經(jīng)達到了40%[2]。能源的安全及時供給已成為我國經(jīng)濟社會能否持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的決定性因素。

能源運輸方式主要有公路、鐵路、水運、空運和管道運輸五種方式，管道運輸憑借其具有投資建設(shè)相對較小、占地面積小、密閉性好、不間斷、較為環(huán)保等優(yōu)點成為重要的運輸方式。管道在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)和人們生活中占有相當重要的位置，其在輸送水、油、氣、煤以及通信、供電、交通、運輸和排水等方面得到了廣泛的應用，因而被稱為生命線工程[3]。占我國能源生產(chǎn)的比例超過75%的煤炭[4]，將其制成水煤漿再進行管道運輸也成為近年來相關(guān)企業(yè)的發(fā)展重點，由此可見管道運輸對于我國能源運輸?shù)闹匾浴?/p>

但由于大多數(shù)運輸管道已經(jīng)服役數(shù)十年進入了“老齡期”，近年來安全事故頻發(fā)，造成了人員傷亡、環(huán)境污染、能源浪費以及巨大經(jīng)濟損失等嚴重后果，管道的安全監(jiān)測問題成為近年來研究學者以及企業(yè)的研究重點。

2???? 運輸管道的安全問題分析

據(jù)國外有關(guān)數(shù)據(jù)，1971年全世界大約有70%的管道的管齡在10年以下，到1995年只有8%的管道的管齡在10年以下，而管齡超過35年的管道在30%左右[5]，老齡化的管道很容易發(fā)生事故。有較多管道在設(shè)計中存在不合理性，比如從天然氣管道設(shè)計中可以看出，例如像管線的布置缺少一定的合理性、管道的強度未能達到標準要求以及在實際設(shè)計過程中，沒有充分考慮到熱力等計算[6]。由于通常管道都被深埋在土地里，土壤可以直接破壞老化的防腐層，造成管道外層金屬的腐蝕。很多管道會運輸帶有酸性的流體，容易造成管道內(nèi)層金屬的腐蝕。管道建設(shè)的周期通常較久，施工地形往往也較為復雜，對于工人的專業(yè)能力素質(zhì)有較高的要求，因此很多管道的施工質(zhì)量達不到要求，埋下了安全隱患。管道的占壓情況十分嚴重，管道占壓會因人為活動的增多而給管道帶來額外的失效風險[7]。人為破壞也是引發(fā)管道安全問題的重要因素之一，包括偷盜以及對政府怨恨而故意破壞等，此類破壞在總的發(fā)生事故中占有的百分率有15%左右[8]。

3???? 傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)

3.1? 基于介質(zhì)的技術(shù)

（1）???? 人工監(jiān)測法。這是早期管道安全監(jiān)測的主要方式，工作人員分段巡視管道，通常運輸介質(zhì)中會加入臭味劑，工作人員或者經(jīng)過培訓的動物通過觀察、聞味、聽等方式判斷管道是否出現(xiàn)安全問題。臭味劑多為硫化物，其中四氫噻吩使用最為廣泛[9]。此法優(yōu)點是簡單易行，對于大事故不會誤報，缺點是靈敏度低，依賴工作人員的經(jīng)驗，不能連續(xù)檢測，目前該法基本已經(jīng)被其他先進方法取代。

（2）???? 土壤監(jiān)測法。此法也稱為氣體敏感法，通過采集分析管道周圍土壤判斷是否出現(xiàn)泄漏，隨著科技的進步該法的靈敏度和精確度可以逐漸提升。

（3）???? 空氣采樣法。原理和土壤監(jiān)測法類似，只不過采集的對象是管道周圍的空氣，利用檢測儀器對管道周圍的空氣進行采集分析，若空氣中含有泄漏氣體的濃度超過閾值則進行報警。儀器主要有火焰電離檢測器和可燃性氣體檢測器。

3.2? 基于管道壁參數(shù)的監(jiān)測技術(shù)

（1）???? 漏磁通檢測法。該方法是由磁粉檢測技術(shù)發(fā)展起來的，利用磁現(xiàn)象來檢測管道表面及近表面缺陷的一種無損檢測方法[10]。

（2）???? 超聲波檢測法。該法利用超聲波檢測器發(fā)出超聲波脈沖，再由檢測器探頭接收反彈波，由于有損傷的管道壁會導致超聲波的反彈波接收時間不一致，從而檢測出管道內(nèi)部是否有損傷。

（3）???? 渦流檢測法。渦流檢測器采用在一對一次線圈通以微弱電流，使管道內(nèi)壁面因電磁感應產(chǎn)生渦流，再以安放在一次線圈之間的二次線圈進行檢測，檢測出管壁情況[11]。

（4）???? 照相檢測法和錄像檢測法。該法是將攝像機直接安裝在管道內(nèi)探測器上，利用運輸?shù)囊后w介質(zhì)驅(qū)動探測器在管道內(nèi)移動，同時對管道內(nèi)部進行拍照和錄像。

3.3? 基于光纖的監(jiān)測技術(shù)

此法需要先在管道表面上鋪設(shè)光纖，原理是管道的泄漏會產(chǎn)生寬帶聲波信號，該聲壓使鋪設(shè)在管道表面的光纖產(chǎn)生光學相位信號?；谠撛?，可采用相關(guān)儀器進行干涉。干涉后，通過寬帶相位生成載波電路調(diào)解產(chǎn)生的感知相位信號，從而確定出產(chǎn)生泄漏的地方。此類技術(shù)包括準分布式光纖檢測法、多光纖探頭遙測法、塑料包覆石英（PCS）光纖傳感器檢測法、光纖溫度傳感器檢測法等。

3.4? 基于聲學的監(jiān)測技術(shù)

此法原理是當運輸管道發(fā)生泄漏等事故時，產(chǎn)生的高頻振動噪聲會沿著管道壁傳播，安裝在管道上的檢測器會捕捉這些信號并加以分析，判斷是否發(fā)生泄漏。常用的監(jiān)測方法有聲波法和聲發(fā)射法。

（1）???? 應力波法。先將對泄漏噪聲十分敏感的傳感器安裝在管道上，對接收到的管道應力波信號功率譜的變化進行分析，便可分析出是否發(fā)生泄漏。

（2）???? 負壓波法。當泄漏事故發(fā)生時，發(fā)生泄漏處的運輸流體密度會減小，導致瞬時壓力下降，以泄漏前的壓力為標準，產(chǎn)生的減壓波被叫做負壓波，通過分析負壓波便可確定出泄漏點。

（3）???? 聲發(fā)射法。當管道發(fā)生泄漏事故，通過泄漏處的流體向外噴射會形成聲源，進而形成聲波，通過對這些聲波進行采集和分析處理，就可以判斷出泄漏處。

3.5? 基于軟件的監(jiān)測技術(shù)

隨著計算機、信號處理、模式識別等技術(shù)的迅速發(fā)展，基于軟件的監(jiān)測方法越來越受到人們的關(guān)注，逐漸成為管道安全監(jiān)測技術(shù)的主流和趨勢。這類方法的原理主要是對實時采集的壓力、流量和溫度等信號進行實時分析和處理，以此來監(jiān)測泄漏并定位，有質(zhì)量/ 流量平衡法、流量或壓力突變法、壓力梯度法、壓力點分析法、相關(guān)分析法、實時模型法等。

4???? 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外輸油管道管理先進的國家，如美國、英國、法國等，自上世紀70年代以來，就開始了管道泄漏檢測技術(shù)的研究，并在許多油氣管道上安裝了泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，取得了顯著的效果。近年來的國外研究已經(jīng)相當先進，著重研究提高精確度并降低成本。我國的管道安全監(jiān)測技術(shù)研究起步較晚，但發(fā)展很快。

導波超聲（GUWs）在管道安全監(jiān)測中的應用已有三十多年的歷史，與傳統(tǒng)的振動技術(shù)相比，GUW技術(shù)的優(yōu)勢在于它能夠檢測出管道在滿意長度上的微小損傷，但由于該系統(tǒng)的物理特性非常復雜，這使得基于模型的技術(shù)在計算上難以實現(xiàn)，基于統(tǒng)計學習算法的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法更適合于這種情況。Debarshi Sen[12]等提出一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的半監(jiān)督和監(jiān)督學習算法，除了避免使用基于模型的方法之外，該方法還有助于減少部署的傳感器數(shù)量，從而降低維護成本該法有助于減少部署的傳感器數(shù)量從而降低維護成本，并證明可以精確地檢測和定位兩個不同長度的管道上的裂紋。

即使是連續(xù)工作的泵振動，也有足夠的聲信號進行可靠的損傷定位，由于管道在工業(yè)裝置中逐漸磨損，其聲足跡與以前在周期性損壞的管道中所確定的相似。Bouko Vogelaar[13]等研究了劣化管道的時移聲監(jiān)測，使用近焊縫反射技術(shù)以及拆卸和重新組裝的傳感器環(huán)，成功地應用于工業(yè)管道運行期間的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

金屬腐蝕是人類面對的一個重大課題，給人類帶來了巨大損失，運輸管道的金屬腐蝕問題也一直在發(fā)生，越來越成為近年來的研究重點。王健[14]研究了管道在線超聲波腐蝕監(jiān)測技術(shù)，著重研究并設(shè)計了管道超聲波腐蝕檢測系統(tǒng)中的超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路，根據(jù)超聲波腐蝕檢測的原理對管道超聲波腐蝕檢測系統(tǒng)進行了整體設(shè)計，通過實驗測得的數(shù)據(jù)精確度較高，可以滿足化工廠腐蝕檢測的需求。丁守寶[15]等研究了高溫管道腐蝕狀況的在線監(jiān)測，通過實驗數(shù)據(jù)的對比分析，得出基于磁致伸縮效應的超聲導波技術(shù)可以實現(xiàn)高溫管道腐蝕的在線監(jiān)測，并指出目前管道超聲導波監(jiān)測技術(shù)應用中存在的問題并提出了展望。于海洋[16]研究了直埋供熱管道銹蝕監(jiān)測，提出了一種有效監(jiān)測管道外壁銹蝕的方法，通過實驗方法建立供熱管道的銹蝕模型，利用光纖傳感器監(jiān)測直埋管道外壁的銹蝕情況，實現(xiàn)對整個管網(wǎng)的管道外壁的實時、分布式監(jiān)測，得到管道外壁的銹蝕速率隨時間的變化關(guān)系。

中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）是中國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位，導航和授時服務，包括開放服務和授權(quán)服務兩種方式。是繼美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GLONASS）之后第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。利用北斗定位技術(shù)可以實現(xiàn)管道沿線地質(zhì)災害的監(jiān)測與預警，以期減少地質(zhì)災害對油氣管道造成的威脅與破壞。張洪奎[17]利用北斗定位技術(shù)實現(xiàn)了在管道地質(zhì)災害監(jiān)測與預警的應用，結(jié)合研究區(qū)前期有效降雨量與預報降雨量建立了地質(zhì)災害預警模型，通過手機預警APP按輸油處、輸油站分級分權(quán)限推送紅、橙、黃、藍4個等級的預警信息，研究結(jié)果可為油氣管道地質(zhì)災害實時監(jiān)測與預警的智能化應用提供參考。郭翌寒[18]提出基于北斗的管線安全預警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，系統(tǒng)綜合了GIS空間分析、物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測預警、管網(wǎng)專業(yè)模型和分析模型集成等技術(shù)，該系統(tǒng)的構(gòu)建有助于大幅提升防災能力，推進城市建設(shè)與數(shù)字化城市管理系統(tǒng)、智慧城市的融合。

5結(jié)語

管道的安全監(jiān)測無論對于現(xiàn)在還是將來都是極其重要的，是保證國家能源安全穩(wěn)定供給的重中之重，我國管道安全監(jiān)測的起步相對外國較晚，許多理論研究還只是停留在理論階段。我國企業(yè)和研究人員可以通過改進傳感器提升接收危險信號的靈敏度，改進算法提高檢測的分辨力度等方面提升管道安全監(jiān)測的效率。沒有一種監(jiān)測技術(shù)或方法是萬能的，都有各自的優(yōu)缺點，所以應該因地制宜地開展實驗和應用，大力發(fā)展和完善管道的安全監(jiān)測技術(shù)，同時也要考慮到成本，切實提高我國管道安全監(jiān)測技術(shù)水平。

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作者簡介：

劉兵（1995.04）男，漢族，河南省信陽市，研究生，研究方向：智能物流系統(tǒng).