石油天然氣長(zhǎng)輸管道的泄漏檢測(cè)以及定位技術(shù)措施

陶 戟，張 瀅

中國(guó)石油管道局工程有限公司國(guó)際分公司，河北 廊坊

1. 引言

油氣是我國(guó)的主要能源，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和較低的環(huán)境污染。目前，石油和天然氣的運(yùn)輸方式以遠(yuǎn)距離運(yùn)輸為主。油氣管線在長(zhǎng)時(shí)間的使用中，由于焊接失敗、第三方損壞、腐蝕穿孔等原因，造成了大量的石油和天然氣的泄漏。為了保證管線發(fā)生故障，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處置，避免事故的進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)采取有效的探測(cè)技術(shù)。因此，對(duì)石油天然氣管線的泄漏成因及探測(cè)手段進(jìn)行深入的探討，就顯得十分必要。雖然有很多種方法可以探測(cè)管線的滲漏，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，很多公司已經(jīng)開始開發(fā)管線泄漏檢測(cè)軟件。例如ATMosplpE，ATS，Logiea，Scieon Trans 工業(yè)數(shù)據(jù)處理TDS，Newmark 等，它們都是以SCADA 系統(tǒng)為基礎(chǔ)的管線監(jiān)測(cè)軟件，但是這些系統(tǒng)往往要花費(fèi)幾百萬(wàn)美金。EdFarmer & Associates公司提供一套小型的管線泄漏監(jiān)控系統(tǒng)P，花費(fèi)30 萬(wàn)美金，而一套設(shè)備全套的設(shè)備要花費(fèi)700 萬(wàn)美金，說(shuō)明引進(jìn)的費(fèi)用非常高昂。但國(guó)內(nèi)在此方面的研究才剛剛起步，應(yīng)用范圍也比較狹窄。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，中國(guó)將會(huì)成為世界上最大的輸油管道，因此對(duì)管道泄漏的監(jiān)測(cè)也越來(lái)越迫切。因此，運(yùn)用自動(dòng)化技術(shù)研制出符合中國(guó)國(guó)情的管線泄漏監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)，對(duì)于推動(dòng)中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高企業(yè)的安全生產(chǎn)水平有著十分重要的作用。

2. 相關(guān)概述

隨著石油行業(yè)的不斷發(fā)展，管道運(yùn)輸已經(jīng)成為石油和天然氣的重要運(yùn)輸手段。五十年代以后，我國(guó)的工業(yè)得到了快速的發(fā)展，管道的運(yùn)輸也得到了快速的發(fā)展[1]。目前，全球大、長(zhǎng)、天然氣管線的總長(zhǎng)度每年都在增長(zhǎng)。大型石油和天然氣管線的建設(shè)已經(jīng)成為世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要標(biāo)志。隨著我國(guó)石油天然氣管線的不斷發(fā)展，天然氣管線在長(zhǎng)時(shí)間的使用中，很容易發(fā)生老化，從而造成長(zhǎng)距離管線失效，從而引起管線的安全問(wèn)題。

長(zhǎng)距離石油天然氣管線長(zhǎng)期使用，管線的防腐性能會(huì)逐步下降，或由于土壤的壓力，管線防腐會(huì)越來(lái)越薄，從而造成管線的滲漏和腐蝕。另外，由于其它意外或自然災(zāi)害，管線會(huì)受到破壞，導(dǎo)致煤氣泄露、原油泄露、壓力降低等，從而導(dǎo)致重大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及SCDA 的廣泛使用，采用在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行管線的位置、泄漏檢測(cè)已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。目前有兩種常見(jiàn)的檢漏技術(shù)：一是通過(guò)測(cè)量壓力、流量和聲音等物理參數(shù)的變化來(lái)進(jìn)行間接檢漏；二是對(duì)油氣泄漏的探測(cè)，對(duì)原油的直接泄漏進(jìn)行探測(cè)。

3. 長(zhǎng)輸管道油氣泄漏的原因分析

3.1. 長(zhǎng)輸管道選材不合格

中國(guó)油氣公司在中國(guó)的發(fā)展過(guò)程中，采用了長(zhǎng)距離輸氣管線，長(zhǎng)輸管線的質(zhì)量對(duì)整個(gè)油氣公司的發(fā)展有著重要的影響。在實(shí)際的輸送過(guò)程中，由于長(zhǎng)輸管線的質(zhì)量不符合規(guī)范，導(dǎo)致了長(zhǎng)輸管線的滲漏[2]。長(zhǎng)輸管線的質(zhì)量無(wú)法達(dá)到規(guī)定的主要原因有二：① 施工單位沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量管理；② 長(zhǎng)距離管線所用的材料不能滿足規(guī)定。長(zhǎng)輸管線的材質(zhì)不符合要求，其原因在于部分長(zhǎng)輸管線制造商在施工、生產(chǎn)、加工過(guò)程中采用了不符合要求的材料，從而提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和成本。部分施工單位在施工、生產(chǎn)、加工過(guò)程中采用了不適當(dāng)?shù)牟牧?。但是，中?guó)天然氣公司在長(zhǎng)距離天然氣管線管理上常常出現(xiàn)疏忽。主要是由于管理部門沒(méi)有足夠的重視，管理人員的專業(yè)素質(zhì)不高，很難確保長(zhǎng)輸管道的管理、檢查和維護(hù)工作的全面性，造成了一些安全隱患沒(méi)有得到及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和處理。另外，國(guó)內(nèi)石油天然氣企業(yè)在安裝時(shí)，安裝不規(guī)范，施工安全性差，已成為影響石油公司安全發(fā)展的重要因素。

3.2. 管道防腐處理不到位

油氣作為化工原料，在實(shí)際運(yùn)輸中會(huì)產(chǎn)生一定的腐蝕性，從而使其在長(zhǎng)距離輸送時(shí)產(chǎn)生腐蝕。這一問(wèn)題也是造成長(zhǎng)輸管線滲漏的一個(gè)重要原因，其原因有二：① 有關(guān)單位在長(zhǎng)輸管線的建設(shè)和埋設(shè)中，受當(dāng)?shù)氐耐寥?、土壤等條件的影響，造成了不同程度的腐蝕。這是由于土壤中存在著大量的分子和因子，例如pH、水分等，而土壤自身的密度和含鹽量對(duì)長(zhǎng)距離管線的影響較大，從而產(chǎn)生了腐蝕問(wèn)題。② 石油、天然氣等長(zhǎng)距離輸送介質(zhì)中存在一定的酸性和硫。在適當(dāng)?shù)臈l件下，這些元素都會(huì)發(fā)生一定程度的氧化，從而給管線帶來(lái)一些腐蝕。

4. 長(zhǎng)運(yùn)輸管道泄漏定位技術(shù)及方法應(yīng)用

4.1. 直接及間接探測(cè)技術(shù)應(yīng)用

第一，直接探測(cè)。管道的外部定位有兩種，一種是人工檢測(cè)與定位，第二種是跟蹤檢測(cè)與定位。兩種方法均無(wú)法進(jìn)行24 小時(shí)的連續(xù)監(jiān)測(cè)。人工檢測(cè)時(shí)，只能在管線上方的地面上出現(xiàn)明顯的油污、霜凍、或有明顯的油氣和石油制品的味道，甚至是管線附近的綠色植被都已經(jīng)死亡。這時(shí)，管道很有可能已經(jīng)發(fā)生了長(zhǎng)時(shí)間的滲漏，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了很大的影響。人工檢測(cè)的時(shí)間和效率都不高。在采用常規(guī)的人工分段安全檢測(cè)方法時(shí)，常會(huì)將某些揮發(fā)性成分加入到管線的介質(zhì)中。檢驗(yàn)人員可以利用有關(guān)的檢測(cè)儀器，在發(fā)現(xiàn)管線泄漏的瞬間，從而大大提高檢測(cè)工作的效率和精確度。第二，間接探測(cè)。采用負(fù)壓波法、流量平衡法等間接測(cè)量長(zhǎng)輸管線泄漏點(diǎn)的方法。在長(zhǎng)距離輸油管線中，負(fù)壓波是檢測(cè)泄漏的重要手段[3]。本文介紹了一種新的石油天然氣管線泄漏壓力測(cè)量的新方法。首先對(duì)管線上、下游探測(cè)到的壓力變化進(jìn)行計(jì)算，再利用負(fù)壓區(qū)間進(jìn)行精確定位。目前，聲波方法已被廣泛采用，其中負(fù)壓波方法由于其實(shí)用價(jià)值最大。該系統(tǒng)適用范圍廣、費(fèi)用低廉、操作簡(jiǎn)便。感油光纜及分布光纖亦可精確地確定光纖泄漏點(diǎn)，但前期投入較大，后期維護(hù)費(fèi)用較高，且使用效率較低。

4.2. 泄漏自檢定位技術(shù)

隨著科技的飛速發(fā)展，石油天然氣長(zhǎng)輸管線的泄漏檢測(cè)也在逐步被采用，例如SCADA 系統(tǒng)已經(jīng)在長(zhǎng)距離輸油管線中得到了廣泛的應(yīng)用。該方法的基本原則是：動(dòng)態(tài)性質(zhì)量均衡和壓差。這兩種方法在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。在研制泄漏探測(cè)與定位系統(tǒng)時(shí)，要正確地確定其適用范圍，以保證在探測(cè)過(guò)程中不發(fā)生錯(cuò)誤報(bào)警。

4.3. 放射性檢漏技術(shù)

在各種探測(cè)手段中，輻射泄漏是一種常用的探測(cè)手段。放射性泄漏探測(cè)技術(shù)主要是將131 碘、82 溴等放射性材料注入長(zhǎng)輸管線。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，有關(guān)人員可以利用示蹤法對(duì)土壤中的放射性物質(zhì)進(jìn)行探測(cè)，并根據(jù)探測(cè)結(jié)果來(lái)判斷其具體位置。

4.4. 人工巡邏檢測(cè)法

石油天然氣管線的泄漏探測(cè)通常是依靠手工進(jìn)行，由于科技的發(fā)展，其局限性很大。以往，當(dāng)發(fā)現(xiàn)管道滲漏時(shí)，必須將管線分割開來(lái)，并派專人巡視、檢驗(yàn)。如果是這樣的話，那么工作人員只能在管道泄露的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)地上有原油或者油氣的味道。但是，在工人們發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，石油和天然氣管線的泄露已經(jīng)十分嚴(yán)重，給石油和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了巨大的損害。傳統(tǒng)的手工測(cè)試會(huì)造成長(zhǎng)距離輸油管線的微小滲漏，不能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)并及時(shí)修補(bǔ)。目前，石油、天然氣長(zhǎng)輸管線中，除了傳統(tǒng)的人工檢測(cè)手段，大部分都是直接檢測(cè)。該方法能夠檢測(cè)到管道中的微小滲漏。利用便攜的探測(cè)裝置，這種裝置能迅速偵測(cè)到很遠(yuǎn)的管線是否有滲漏。合理地利用機(jī)械和其它儀器，能迅速發(fā)現(xiàn)漏油的位置，從而使檢測(cè)工作更加快捷方便，同時(shí)也能有效地預(yù)防石油和天然氣的損失[4]。

4.5. 電纜泄漏檢測(cè)法

采用電纜泄漏探測(cè)技術(shù)，對(duì)石油、石油等液態(tài)能源的長(zhǎng)距離輸送管線進(jìn)行了探測(cè)。電纜泄漏探測(cè)技術(shù)是針對(duì)一些特殊性能的電纜，例如石油溶解電纜。在管線泄漏時(shí)，會(huì)影響到線纜的性能。根據(jù)電纜的特性，可以對(duì)管線的泄漏及泄漏部位進(jìn)行判斷。這種方法可以精確地探測(cè)到管道中的微小泄漏，并對(duì)其進(jìn)行精確的位置。但是，該工藝需要采用一些性能特別的線纜，這些線材的制造難度大、造價(jià)高。由于電纜的特性，該材料僅可在一次漏檢中使用。修理完漏點(diǎn)后，必須進(jìn)行電纜的替換。頻繁地更換會(huì)給員工帶來(lái)一定的工作量。

4.6. 光線泄漏檢測(cè)法

該方法主要是探測(cè)管線在泄漏過(guò)程中溫度、壓力等參數(shù)的變化，并采用分布式傳感器進(jìn)行探測(cè)，以達(dá)到探測(cè)泄漏和泄漏位置的目的。采用以下方法進(jìn)行漏光探測(cè)：① 采用纖維布拉格光柵，通過(guò)纖芯折射周期的改變來(lái)探測(cè)漏點(diǎn)；② 采用光時(shí)域反射計(jì)來(lái)判定光纖的均勻性，對(duì)光纖的曲線進(jìn)行測(cè)量與分析，并對(duì)長(zhǎng)距離輸油管線的滲漏進(jìn)行探測(cè)；③ 干涉型漏油檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)對(duì)長(zhǎng)輸油管線泄漏點(diǎn)附近的噪聲進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)混雜光纖的干擾原理進(jìn)行檢測(cè)。

4.7. 物質(zhì)平衡檢測(cè)法

物料平衡測(cè)試是長(zhǎng)輸管線的一種間接測(cè)量技術(shù)，它是通過(guò)動(dòng)態(tài)容積、物料平衡原理、進(jìn)口流量差異等來(lái)檢測(cè)長(zhǎng)輸管線的運(yùn)行狀態(tài)。在各種檢測(cè)手段中，材料平衡法是一種很有應(yīng)用價(jià)值的檢測(cè)手段，它能有效地解決大、小規(guī)模的泄漏問(wèn)題。這種方法的缺陷在于，它很容易受外界因素的影響，比如管線內(nèi)的流量或天然氣的貯存流量等，而這些參數(shù)的精確度會(huì)對(duì)檢測(cè)的精度產(chǎn)生很大的影響。

4.8. 壓力信號(hào)檢測(cè)法

在石油天然氣管線泄漏探測(cè)中，只采用測(cè)壓信號(hào)是一種重要的探測(cè)手段。本文將其劃分為壓力梯度法和波敏法兩大類。在長(zhǎng)距離輸油管線發(fā)生泄漏時(shí)，波敏法是一種常用的方法。在采用該方法時(shí)，先對(duì)長(zhǎng)輸管線兩端的負(fù)壓進(jìn)行了計(jì)算，并據(jù)此得出了管道泄漏的確切位置。與其它方法比較，波敏法具有較高的準(zhǔn)確率。

5. 石油天然氣長(zhǎng)輸管道防泄露管理策略

5.1. 堅(jiān)定落實(shí)安全事故責(zé)任制

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，我國(guó)政府應(yīng)從長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光來(lái)考慮長(zhǎng)距離輸氣管線的建設(shè)。首先，要建立和完善安全生產(chǎn)事故的責(zé)任體系。依據(jù)有關(guān)國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)長(zhǎng)輸管線施工中的重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出了切實(shí)可行的施工安全責(zé)任制，并對(duì)有關(guān)制度進(jìn)行了實(shí)施。其次是關(guān)于安全事故的責(zé)任劃分問(wèn)題。天然氣的利用直接影響著城市居民的正常生產(chǎn)、生活，如果出現(xiàn)突發(fā)故障或突發(fā)維修事故，將會(huì)帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失。作為政府機(jī)關(guān)，應(yīng)通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)卣緢?chǎng)、內(nèi)部人員和工作隊(duì)伍的深入分析，建立一個(gè)科學(xué)、合理的事故責(zé)任分配機(jī)制，使之在檢修前能明確責(zé)任，保證長(zhǎng)輸管線的安全。最后，在發(fā)生事故后，各有關(guān)單位要嚴(yán)格按照本規(guī)程的規(guī)定，明確責(zé)任主體，了解事故原因、范圍、短期和長(zhǎng)期處置辦法，并對(duì)事故的責(zé)任人進(jìn)行處理。

5.2. 加強(qiáng)天然氣管道的管理力度

長(zhǎng)輸管線在安裝完成后無(wú)法直接投入生產(chǎn)，必須通過(guò)有關(guān)部門的驗(yàn)收，通過(guò)驗(yàn)收后才能投入生產(chǎn)。對(duì)長(zhǎng)距離輸氣管線的安全事故進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，在管線安全事故中，有70%以上是因?yàn)闆](méi)有及時(shí)、有效地處理好管線管理中的一些小問(wèn)題，從而造成了嚴(yán)重的安全事故。為此，相關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)對(duì)長(zhǎng)距離天然氣管線的安全管理，以達(dá)到減少事故發(fā)生的目的。首先，在進(jìn)行長(zhǎng)距離輸氣管線的施工中，必須對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的控制，確保管線的施工安全。在此基礎(chǔ)上，對(duì)長(zhǎng)輸管道進(jìn)行了全面的管理和管理。加強(qiáng)施工人員的安全防范意識(shí)，科學(xué)、合理地選用天然氣長(zhǎng)輸管線技術(shù)，以保證工程質(zhì)量。其次，要保證員工的操作安全，提高作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，強(qiáng)化員工和調(diào)度人員的技能，以保證一線員工在突發(fā)事件中的應(yīng)變能力，建立起一支英勇、有效的維修工隊(duì)伍。必須有足夠的運(yùn)行和緊急維護(hù)設(shè)備，以保證在最短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行故障的修理。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)管線的管理，保證施工人員的責(zé)任心，建立健全的測(cè)線體系，利用GPS等儀器對(duì)管線進(jìn)行檢測(cè)，并定期對(duì)管線的埋深、內(nèi)外檢測(cè)、重點(diǎn)部位進(jìn)行檢測(cè)，杜絕非法施工侵占管線，盡量降低外部對(duì)長(zhǎng)輸管線的損害[5]。最后，針對(duì)長(zhǎng)輸油管線，應(yīng)制訂相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。首先，要對(duì)員工進(jìn)行安全教育，保證其遵守電器操作規(guī)程，定期清理。同時(shí)，還需進(jìn)一步完善長(zhǎng)輸管線的應(yīng)急預(yù)案。定期組織員工進(jìn)行緊急情況的培訓(xùn)和演練。有關(guān)人員應(yīng)熟悉緊急情況的計(jì)劃。在出現(xiàn)意外的情況下，保證能按照標(biāo)準(zhǔn)的操作進(jìn)行及時(shí)的處置，將安全風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

5.3. 強(qiáng)化對(duì)天然氣管道的執(zhí)法監(jiān)督

加強(qiáng)長(zhǎng)距離輸氣管道的安全管理，能有效地保證長(zhǎng)距離輸氣管道的安全運(yùn)行，降低輸油管道的安全風(fēng)險(xiǎn)。但在進(jìn)行長(zhǎng)輸天然氣管道的安全管理時(shí)，要結(jié)合具體的運(yùn)營(yíng)狀況，加強(qiáng)對(duì)其的安全監(jiān)管與執(zhí)法，以保證其安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。同時(shí)，要把管線的安全運(yùn)行問(wèn)題放在首位，加強(qiáng)對(duì)長(zhǎng)輸管線的監(jiān)管，定期召開長(zhǎng)輸管線安全會(huì)議，對(duì)存在的安全隱患進(jìn)行分析、研究，制定切實(shí)可行的改進(jìn)策略，為長(zhǎng)輸天然氣管道的安全運(yùn)行提供強(qiáng)有力的綜合保障。

6. 結(jié)語(yǔ)

因此，油氣企業(yè)應(yīng)充分關(guān)注油氣長(zhǎng)輸管線泄漏探測(cè)和定位技術(shù)，以適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求。因此，在確定長(zhǎng)輸管線泄漏原因的基礎(chǔ)上，對(duì)其檢測(cè)和定位技術(shù)進(jìn)行了深入的研究和分析，為長(zhǎng)輸管線的安全運(yùn)行提供了技術(shù)保證。