天然氣長輸管道泄漏檢測技術進展

方亮蘇旭 趙曉龍

（西南石油大學化學化工學院）（重慶建峰化工股份有限公司）（青海油田天然氣開發公司)

天然氣長輸管道泄漏檢測技術進展

方亮*蘇旭 趙曉龍

（西南石油大學化學化工學院）（重慶建峰化工股份有限公司）（青海油田天然氣開發公司)

天然氣管道泄漏檢測技術可分為直接檢漏和間接檢漏兩種類型。綜述了國內外泄漏檢測技術的原理、技術特點和優缺點，認為間接檢測中的無損檢測技術具有良好的應用價值，是未來檢測技術的發展方向。

天然氣管線泄漏檢測技術壓力管道

0 前言

我國是一個天然氣資源比較豐富的國家。截至2008年底，我國已探明各類氣田415個，探明天然氣地質儲量63 357億m3，可采儲量38 687億m3（不含油田溶解氣），資源探明率為11.34%，尚有待探明資源量近50萬億m3，勘探潛力很大。在這些資源量中，西部地區的資源量約占61%，東部地區約占8%，海域資源量占23%，其他地區（主要包括南方地區和青藏地區）的資源量占8%[1]。天然氣市場主要是東部經濟發達地區，要大規模將天然氣從西部輸送到東部地區，就必須發展天然氣長輸管道技術。我國僅西氣東輸管道的總長就為4 000 km。隨著經濟的發展，對天然氣的需求量不斷增加，到2015年底我國規劃的天然氣管道總長將達到10萬km。

隨著管線的增多和管齡的增長，加上施工缺陷和人為因素的作用，管道事故頻頻發生，造成大量的人員傷亡和巨大的經濟損失。經過檢測和維修的管道，可以明顯降低事故發生頻率，延長管道服役年限[2-3]。建立管道在線檢測系統，及時準確報告泄漏事故的地點和程度，可以最大限度減少經濟損失和環境污染，有效杜絕更大的安全事故發生。

對一種泄漏檢測技術的評價主要包括：靈敏性、定位精度、準確性、適應能力和性價比[3]。根據檢測方式的不同，泄漏檢測技術可分為直接檢漏和間接檢漏兩類。

1 直接檢漏技術

直接檢漏技術主要采用巡查或沿管道周圍埋設傳感器，當管道發生泄漏時，埋設的傳感器會感應泄漏流體，通過光纖將信號傳送至監測系統，監測系統馬上進行報警。利用光纖進行信號傳送的檢漏技術可以統稱為光纖檢測技術，其中光纖溫度傳感器檢測技術和分布式光纖檢測技術是目前研究較多的兩種技術。

1.1 光纖溫度傳感器檢漏技術

光纖溫度傳感器檢漏技術的作用原理是在光纜上分布式地固定光纖溫度傳感器，將光纜平行于輸氣管道鋪設。天然氣管道泄漏點的周圍溫度會下降，光纖傳感器可迅速感應到環境溫度的下降，當溫度下降至設定的界限時就會進行報警[4]。這種技術若要求定位精度較高時，就需要將多個光纖光柵溫度傳感器分布在被測管線上，費用高，技術復雜。同時，當泄漏量較小時，泄漏源附近溫度變化很小，泄漏不容易被檢測到，這就要求泄漏檢測有較高的靈敏度[5]。

1.2 分布式光纖檢漏技術

分布式光纖檢漏技術作用原理是天然氣在泄漏時會產生泄漏振動，將分布式振動測試傳感器固定在與管道并排鋪設的電纜上，利用傳感器提取管道沿途的泄漏振動信號，通過對信號的處理和分析，就可以有效地檢測出管道發生的泄漏[6]。周琰等[7]將SCADA技術和分布式光纖檢漏技術聯合使用，可以檢測出低壓力、漏孔小的泄漏，其定位技術可控制誤差小于0.8%，具有很好的應用價值。

光纖檢漏技術優點是具有很高的靈敏度，并且具有良好的定位精度。但其缺點也是顯而易見的，主要有以下幾點：（1）受自然環境的影響很大。比較復雜的自然環境狀況很容易引起系統誤報，這就大大降低了該技術的應用性。（2）光纖需要與管道并排鋪設，加大了工程的前期投入。（3）光纖維護比較困難。該技術還處于初級研究階段，目前我國的天然氣長輸管線還未應用光纖檢漏技術。

2 間接檢漏技術

間接檢漏技術繁多，發展比較迅速。其原理是根據一些物理參數如超聲、渦流、壓力波的變化或者物質平衡等對管道進行無損檢測。它既可以對已經泄漏的管道進行漏點定位，也可以根據管道壁厚、腐蝕程度等參數分析管道的運行狀態，檢測出潛在的泄漏點，從而避免管道泄漏[8]。

2.1 聲學檢測技術

2.1.1 負壓波檢檢測技術

在管道發生突然泄漏時，泄漏部位會產生一個向上游或下游傳播的減壓波，稱之為負壓波[9]，設置在泄漏點兩端的傳感器根據壓力信號的變化和泄漏產生的負壓波傳播到上下游的時間差，就可以檢測到泄漏并確定泄漏位置。應用負壓波檢測技術的關鍵是區分正常操作與泄漏帶來的負壓波，一種解決方法是在管道的兩端各安置兩個傳感器，通過硬件電路延時的方法，濾除來自操作站的負壓波信號[10]。文獻[9,11]利用小波技術對有關的計算進行了深入的討論，使計算精度和定位精度得到了進一步的提高。負壓波檢檢測技術可以迅速檢測出大的泄漏，但是對于比較小的泄漏或已經發生的泄漏檢測效果不佳。

2.1.2 應力波檢檢測技術

管道中天然氣發生泄漏時會產生一個高頻的振動噪聲，該噪聲以應力波的形式沿管壁傳播，強度隨距離按指數規律衰減。在管道上安裝對泄漏噪聲敏感的傳感器，通過分析管道應力波信號功率譜的變化，就可檢測出天然氣的泄漏[12]。文獻[13]提出，可使用神經網絡學習管道正常信號與泄漏信號，進而對管道的泄漏進行判斷。神經網絡具有在線學習能力，能不斷地改變自身網絡的權值，更準確地監控管道運行情況。由于影響管道應力波傳播的因素很多，在實際中很難用解析的方法準確描述出管道振動。目前國內應力波檢檢測技術的研究還處于初級階段，還未現場實施應用。

2.2 流量或壓力突變技術

流量或壓力突變技術是管道檢漏最直接的方法之一，其基本原理是泄漏會導致下游流量的減少，同時會使下游的壓力下降[9]，根據下游流量和壓力的變化就可判斷是否發生泄漏。該技術可具體分為流量突變技術（也稱為質量平衡法）和壓力突變技術（也稱為壓力梯度法）。

2.2.1 流量突變技術

該技術基于管道中流體流動的質量守恒關系，在管道無泄漏的情況下，進入管道的質量流量應等于流出管道的質量流量。當泄漏速度達到一定程度時，入口與出口就形成明顯的流量差。檢測管道多點位的輸入和輸出流量，或檢測管道兩端的流量并將信號匯總構成質量流量平衡圖像，根據圖像的變化特征就可確定泄漏的程度和大致的位置[14]。

2.2.2 壓力突變技術

當管道正常輸送時，站間管道的壓力呈斜直線下降，當發生泄漏時，泄漏點前的流量變大、壓力下降線變陡，泄漏點后的流量變小、壓力下降線變緩，折點即為泄漏點，據此可算出實際泄漏位置。壓力突變法只需要在管道兩端安裝壓力傳感器，簡單、直觀，不僅可以檢測泄漏，而且可確定泄漏點的位置[9,15]。

管道在實際運行中，沿線壓力梯度呈非線性分布，因此壓力梯度法的定位精度較差，而且儀表測量對定位結果有很大影響。壓力梯度技術定位可以作為一個輔助手段與其它方法一起使用。

2.3 管道參數變化檢檢測技術

管道參數變化檢檢測技術通過檢測管道的質量情況來判斷是否有泄漏，該方法可以獲得管線完整的質量情況，可以有效預防泄漏事故的發生。目前國內外常用的方法主要有：漏磁檢檢測技術、超聲波檢檢測技術和遠程渦流檢檢測技術。

2.3.1 漏磁檢檢測技術

漏磁檢檢測技術的檢測原理是將鋼管在外加磁場作用下磁化，當鋼管無缺陷時，磁力線封閉于管壁之內，并且均勻分布；如果鋼管存在缺陷，磁通路會變窄，磁力線發生變形，部分磁力線將穿出管壁產生漏磁，漏磁場被位于緊貼鋼管的、兩磁極間的探頭檢測到。由于永磁體的磁化，沿缺陷表面產生環電流，這些信號經濾波、放大、模數轉換等處理后被存儲到檢測器上的存儲器中，檢測完成后，再通過軟件對數據進行處理，判斷是否存在缺陷[16-17]。

漏磁檢檢測技術對鐵磁性工業管道全長度范圍內的管道缺陷具有一定的檢測能力，尤其能檢測管道內壁腐蝕程度，豐富了無損檢測手段。同時，應用該技術可以更準確地對管道的安全性能進行評價，為管道設備的維護提供依據，避免漏檢，減少管道檢修的盲目性，節約資金。

2.3.2 超聲波檢檢測技術

超聲波檢檢測技術屬于反射波檢測技術，即根據反射波的強弱和傳播時間來判斷缺陷的大小和位置。超聲波檢檢測技術是無損檢測技術中的一種重要的檢測技術,它可以測量厚度,也可以檢測材料及焊縫的裂紋等缺陷[18]。全自動超聲波檢測（簡稱AUT）是超聲波檢測新發展的一種重要技術，AUT具有檢測速度快、定位準確和高靈敏度的優點。西部原油成品油管道工程中使用AUT進行檢測，結果證明AUT可以成功應用于長輸管道檢測[19]。超聲波檢檢測技術受溫度的影響較大，實際操作中應每隔2 h或者掃查完10道焊縫之后(以時間短者為準),以及檢測工作結束之后，對其靈敏度進行校驗[20]。

2.3.3 遠場渦流檢檢測技術

遠場渦流檢檢測技術就是應用電磁感應原理，用正弦波電流激發探頭線圈,當探頭接近金屬表面時，線圈周圍的交變磁場在金屬表面產生感應電流。當探頭在金屬表面移動，遇到缺陷或材質、尺寸等變化時，渦流磁場對線圈的反作用將發生變化，從而引起線圈阻抗變化，通過渦流檢測儀器測量出這種變化量就能判斷金屬表面有無缺陷或其它物理性質的變化[2]。遠場渦流檢檢測技術是基于遠場渦流效應的一種管道檢測新技術，它除了具有一般常規渦流技術的優點外，對鐵磁性管道可直接用內插式探頭檢測管壁上的裂紋、腐蝕凹坑、磨蝕減薄等缺陷[22]。從1998年開始，中國石油天然氣管道局在檢測在役天然氣管道缺陷方面進行了大量的研究，并成功地研制出了國內第一臺管道漏磁腐蝕檢測器，在新疆克-烏輸油管道上投入應用并取得了成功。經過隨后幾年的努力，現在已經將管道漏磁檢測器工業化，并應用于陜-京輸氣管道，檢測精度達到了中等水平，累計檢測油氣管道達20 000多km[17]。

3 新檢漏技術

3.1 紅外線成像技術

紅外線成像技術是利用紅外輻射檢測泄漏液體，通過與周圍土壤的正常溫度進行比較，從而達到檢測的目的。利用紅外線遙感攝像裝置可以記錄輸氣管道周圍的地熱輻射效應，再利用光譜分析就可以檢測出泄漏位置。這種技術可以較精確地定位泄漏點，靈敏度也較高，但不適用埋設較深的管道檢漏[23]。

3.2 場圖像法

場圖像法(field-signature method，簡稱FSM)[8,24]是監測管道腐蝕、起坑、裂紋和侵蝕的優異的技術。這種在役監測技術能在管道發生泄漏前，發現管道的微小損傷。管道或其他鋼結構,當電流饋入時,會顯示一個唯一的電場“指紋”——場圖像,所產生的電場指紋表征了結構局部幾何形狀,從而可通過監測電場指紋的微小變化,檢測出管道結構與原始的或正常狀態的偏離。FSM綜合了侵蝕探頭與無損檢測兩種技術的優點,具有高靈敏度和對實際管壁腐蝕引起的變化實時響應的能力,并能對實際監測結構作較大范圍覆蓋。

3.3 智能防腐層法[25]

該方法是指在長輸管道的膠帶防腐層上增加一個防盜監測電路，防腐層的情況可通過電路電阻值的變化來反應。該檢測方法優點是：（1）有較高的靈敏度和定位精度。（2）傳輸、傳感成本低廉，系統易恢復。其缺點是：（1）該系統對環境比較敏感，溫度、濕度的變化可能會導致電阻值的變化從而誤報警。（2）系統安裝費用較高。

4 展望

綜上所述，間接無損檢測技術的發展十分迅速，其中基于電磁場和超聲波理論的檢漏技術的應用與發展尤為迅速和成熟。該類技術不僅可以檢測并定位已發生泄漏的管道的泄漏位置，還可以檢測出管道的缺陷，預防管道發生泄漏，具有良好的應用價值。目前，該類技術已有工業化應用，并具有良好的效果，是未來管線泄漏檢測技術的發展方向。

[1] 張福東,邵麗艷,關輝.我國天然氣資源潛力及應采取的措施[J].國際石油經濟,2009（6）:1-7.

[2] 常景龍,李鐵.輸氣管道檢測技術的選擇和優化[J].油氣儲運,2000,19(5):9-13.

[3] Wang B G，Ai C S，Zhao H H．Pipeline manmade damage prevention monitoring and its locating system[A].In:3rd International Symposium on Instrumentation Science and Technology[C].Harbin,China,2004:968-972．

[4] 靳世久,王立寧,李健，等.原油管道漏點定位技術[J].石油學報,1998,19(3):92-97.

[5] 王秀彥,吳斌,何存富,等.光纖傳感技術在檢測中的應用與展望[J].北京工業大學學報,2004,30(4):406-411.

[6] 周琰,靳世久,張昀超，等.分布式光纖管道泄漏檢測和定位技術[J].石油學報,2006,27(2):121-124.

[7] 周琰,喻梅,靳世久,等.基于SCADA的分布式光纖管道泄漏檢測系統[J].計算機工程與應用,2008,44(18):218-220.

[8] 陳華敏,師學明,張云姝,等.管道泄漏檢測技術進展[J].安全與環境工程,2003,10(3):58-61.

[9] 周偉.輸氣管道泄漏定位研究[D].南充：西南石油學院，2000.

[10] 陳春剛,王毅,楊振坤.長輸油氣管道泄漏檢測技術綜述[J].石油與天然氣化工,2002,31(1):52-54.

[11] 李煒,陳希平,毛海杰,等.天然氣管道泄漏點的定位檢測方法研究[J].甘肅工業大學學報,2003,12(4):84-87.

[12] 程載斌,王志華,馬宏偉.管道應力波檢測技術及研究進展[J].太原理工大學學報,2003,34(4):426-430.

[13] 唐家秀,顏大椿.基于神經網絡的管道泄漏檢測方法與儀器[J].北京大學學報(自然科學版),1997,33(3):319-327.

[14] 蔣仕章,蒲家寧.用動態質量平衡原理進行管道檢漏的精度分析[J].油氣儲運,2000，19(2):12-13.

[15] 周俊,李永強,王占宇,等.利用壓力趨勢圖判斷管道盜油點[J].油氣儲運,2002,21(7):28-29.

[16] 黃輝,何仁洋,熊昌勝.漏磁檢測技術在管道檢測中的應用及影響因素分析[J].管道技術與設備,2010（3）:17-19.

[17] 奚占東.新型天然氣管道泄漏檢測技術探討[J].化工裝備技術,2008,29（2）:28-29.

[18] 陳文彤,崔大海,宋孚江,等.應用超聲波探傷儀檢測在用壓力管道焊縫[J].皮革化工,2000,17(1):42-44.

[19] 李廣波.全自動超聲波檢測應用于西部管道施工[J].油氣田地面工程,2010,29（8）:92-93.

[20] SY/T 0327—2003.石油天然氣鋼制管道對接焊縫全自動超聲波檢測[S].

[21] 李成凱,孫永興,李瀟菲，等.石油管道缺陷檢測技術分析[J].現代制造技術與設備,2008（4）:10-16.

[22] 廉紀祥,沈躍.管道遠場渦流檢測技術的進展[J].油氣儲運,2004,23(7):14-16.

[23] 唐恂.長輸管道泄漏檢測技術發展現狀[J].油氣儲運,2007,26(7):11-13.

[24] 姚嵐,余海湖,姜德生.一種新型光纖濕度敏感元件[J].傳感器技術,2001,20(2):9-11.

[25] 狄彥.長輸管道泄漏檢測技術進展淺析[J].安全、健康和環境,2010,10(3):2-4.

Advancement of Natural Gas Pipelines Leakage Detection Technology

Fang LiangSu Xu Zhao Xiaolong

Natural gas pipelines leakage detection technology can be divided into two ways,direct detection and indirect detection.The principles,characteristics,advantages and disadvantages of leakage detections at home and abroad were described.The nondestructive detection was taken as a detection of well application value,it also was considered to be the development direction of detection technology in the future.

Natural gas;Pipelines;Leakage;Detection technology;Pressure pipeline

TQ 051.21

*方亮，男，1984年生，碩士研究生。成都市，610500。

2011-10-31）