國內外油氣管道泄漏檢測技術研究進展

宋 源

（中國石油 青海油田公司冷湖油田管理處，青海 海西 816300）

用管道傳輸能量被認為是安全、經濟的運輸方法，但是石油和天然氣具有易燃、易爆等特點，當管道發生泄漏事故時，容易造成爆炸、火災、中毒、污染環境等一系列災害，如果發生在居民聚集區，將會造成更為嚴重的后果。輸油和輸氣管道發生泄漏的原因包括外力損傷、材料設備、腐蝕、施工質量、違規操作、自然災害等主要原因[1]。

20 世紀80 年代后期，人們的安全與環保意識逐漸增加。同時，許多管道系統的運行已經接近設計使用年限[2,3]。為了滿足安全和環保的要求，工作人員越來越多地開始利用各種先進檢測手段對管道狀態和整體性進行全面細致的分析。本文按照基于硬件和軟件的方法概述了國內外油氣管道泄漏檢測技術，并對管道泄漏檢測檢測方法進行對比。

1 管道檢測的必要性

對管道實施檢測，可以準確掌握管道的運行狀況，并對一些管道存在的問題進行及時的維修，就可以避免一些事故的發生，同時也能大大延長管道的使用壽命，經濟效益十分可觀[4]。具體包括如下方面：

(1)減少輸送介質損失；

(2)減少管道停輸造成的損失；

(3)減少管道事故造成的環境污染及人身安全傷害損失。

因此，管道檢測是保障輸油輸氣管道正常生產的重要保證，正在日益成為輸油輸氣管道建設中必不可少的一部分。

2 基于硬件的泄漏檢測方法

基于硬件的管道泄漏檢測方法主要有觀察巡視法、放射性示蹤法、分布式光纖溫度傳感器監測法、激光檢測法、氣體成像法、超聲波檢漏法、電纜檢測法等。

2.1 觀察巡視法

此種方法是由專業的管道管理操作人員或經過嚴格訓練過的動物建立專職的巡線隊伍，對管線進行不定期或定期的巡查，通過看、聞、聽等方式查看輸油管線是否發生泄漏。目前該方法也運用了現代的高科技手段，例如美國的OILTON 等公司運用機載紅外線技術，它通過高精度的紅外攝像機分析管道周圍微小的溫度變化來判斷管道是否發生泄漏。該方法原理簡單，可操作性強，費用較高，但實時性差。檢測結果主要依賴于個人經驗和查看前后泄漏的發展，無法對管道泄漏進行連續檢測，靈敏性差[5]。此方法適用于所有埋地管道。

目前國內的大多數油氣管道都配備了專業的管道巡線員。國內個別管道公司采用直升飛機進行巡線。

2.2 放射性示蹤法

在輸送的油品中加入一定比例的具有放射性的指示劑，當輸油管道發生泄漏時，放射性指示劑滲入土壤，當輸油管道加隔離球輸送純凈油品時，將殘余的放射性指示劑洗刷干凈，然后放入探測器，在漏點能探測出放射性信號，通過計算機就能定位漏點的位置[6]。

2.3 分布式光纖溫度傳感器監測法

在加熱輸油管道發生泄漏時，分布式光纖溫度傳感器能夠非常準確的測量和感知管道周圍溫度的變化，從而精確定位管道泄漏的位置。分布式光纖溫度技術是根據拉曼光反射、布里淵光反射和光纖光柵原理研制出來的。這種檢測方法的精確度能達到0.5～2.0 m。現在國外已應用基于光纖光柵原理的準分布式溫度傳感系統，目前國內也正在應用該項技術進行泄漏檢測[7,8]。

2.4 激光檢測法

該方法是利用激光吸收光譜及諧波探測的基本原理，基于現代光學、微電子學和計算機技術的基礎，其測量系統主要包括激光掃描探頭、運動控制和定位系統、數據采集和分析系統三個部分[9]。

2.5 氣體成像法

近年來，氣體成像法技術采用光在空氣中發生折射而成像的理論進行管道泄漏的檢測，主要用于輸氣管道泄漏時的檢測，該設備簡單輕巧，易使用。如英國的 GMI 公司基于紅外光譜吸收技術研制的OMD 系統就是基于氣體成像的原理，它是一種新型車載檢漏設備，主要用于城市燃氣管道泄漏檢測，其檢測精度可達1 μg/g[10]。

2.6 電纜檢測法

這種檢漏方法是通過沿輸油管道鋪設包有特殊絕緣層的電纜，這種絕緣層遇到油品會溶解，因此當管道泄漏時將會出現短路而發出警報，并為定位泄漏位置提供保障[11]。

3 基于軟件的泄漏檢測方法

基于硬件的管道泄漏檢測方法主要有流量平衡法、負壓波法、壓力點分析法、分段試壓法和實時模型法等。

3.1 流量平衡法

該方法是基于管道流體流動的質量守恒原理，即一條不泄漏的管道內，“流入與流出必相等”。實時測出管道出口與入口流量，有差值則表明管道內可能發生泄漏[12]。實際上，由于所測流量取決于流體的各種性質（如溫度、壓力、密度、黏度）以及流體的狀態，而使情況變得復雜，在實際應用中可用一些公式進行修正。

3.2 負壓波法

當輸油管道發生泄漏時，管內流體在泄漏點流失，因此引起該點的密度減小，壓力瞬間下降，且在此處產生以一定速度向上、下游傳播的負壓波，設置在泄漏點兩端的檢波器能檢測到傳到各自的時間，從而推算出傳到上下游的時間差，由負壓波的傳播速度與時間差確定泄漏點的位置[13,14]。

3.3 壓力點分析法

壓力點分析法(PPA)是一種非常有效地檢測液體、氣體及某些多相流管道泄漏方法。當管道運行正常時，其密度與壓力的變化呈現為連續的穩定狀態。當管道發生泄漏，穩定的運行狀態將被破壞，隨之建立新的穩定狀態。在這一過程中，管道內將產生一擴張波，并沿管道傳輸，管道內各點壓力并隨之變化。安裝在管道上的檢測裝置將會檢測到傳來的泄漏特征信號[15]。通過分析檢測到的信號，提取數據變化曲線，并與穩定狀態下的相比較，從而確定管道是否出現泄漏。

3.4 分段試壓法

此方法是按順序分段關閉管道上的閥門，通過觀測關閉管段壓力的變化，從而確定管道泄漏位置和程度[16]。國家相關部門制定了管道安全規則，這個安全規則要求新投產的管道或者改線的管道、更換管道后再投產的都應進行分段試壓法。這種方法不足之處在于工作量較大，檢測比較費時，且無法用于運行的管道。

3.5 實時模型法

這種方法通過動量平衡、質量平衡、流體動力及流量平衡方程建立數學模型模擬液體在管道內的流動，以定時測取運行管道的實際值作為初值條件，對管道內的流體的流量和壓力等參數做出預測[17,18]。將預測值與實際測量值進行對比來判斷是否泄漏，并確定泄漏位置，這種方法定位精確，但誤報率較高。

4 管道泄漏檢測的技術指標及對比

管道泄漏檢測的各種方法都有各自的優缺點，為了對這些方法進行比較，應建立一套評價指標。通常來說，對一種泄漏檢測方法優劣或一個檢漏系統性能的評價應從以下幾個方面加以考慮：

(1)靈敏度。能檢測到的最小瞬時泄漏量與當時管道瞬時輸量之比的百分數。

(2)定位精度。系統檢測出的泄漏點位置跟實際位置間的誤差與管道長度之比的百分比。

(3)評估能力。管道泄漏檢測方法是否能夠檢測出泄漏位置及泄漏量大小的能力。

(4)反應時間。泄漏發生后系統能檢測出來的最短時間。

(5)有效性。泄漏檢測系統是否能連續監測整條管道。

(6)誤報率。系統誤報次數占總報警次數的百分比。

(7)適應能力。管道泄漏檢測方法是否能在管道所處的任何條件下對管道泄漏進行檢測的能力。

(8)可維護性。管道泄漏檢測系統是否能過對簡單問題進行自我修復或操作工作者進行簡單維修。

(9)費用。泄漏檢測系統所產生的一切費用。主要管道泄漏檢測方法性能對比見表1。

表1 管道泄漏檢測方法性能對比Table 1 Performance comparison of leakage-detection techniques for oil-gas pipelines

5 管道泄漏檢測技術展望

基于計算機技術的檢測系統已經廣泛應用于各種類型的管道系統，并且仍將不斷發展和進步。計算機硬件處理能力的提高、新軟件的開發、降低運行和維修成本的壓力以及先進統計和追蹤系統的研發，都將推動管道檢測技術向前發展。

利用這種控制系統進行控制和數據采集時切實可行的。該控制系統已經不僅被用于大型復雜的管道系統，即使小規模管道系統，也可采用自動監控系統進行數據采集和分析計算，以減小人力物力消耗。盡管操作條件變化可能不大，但是一年中累積的節約量是相當可觀的。

結合系統控制，對旋轉設備和其他系統組件進行實時監控可以降低燃料消耗。評估顯示，對泵、壓縮機和其他機械驅動裝置進行實時監控，可減少維修費并延長設備的使用壽命。

計算機軟件也會變得更加簡便和實用。管道操作和設計人員可通過計算機完成日常工作。此外，隨著軟件功能的日益強大，新技術從研究到投入生產所經歷的周期也會大大縮短。許多現代化的管道系統都包括進油點和分油點，同時也可以輸送多種油品。只有利用計算機進行控制、計量和設備檢測，才能使整個系統高效運行。

管道泄漏檢測技術的發展也將進一步得益于管道系統的計算機模擬。泄漏檢測過程中，需要實時掌握各個參數的準確數值，而獲得這些實時數據唯一的方式就是將檢測設備實時掃描獲得的數據不斷傳入計算機。計算機能過計算進入和流出管段流體的體積流量，最后通過比較來判斷是否發生泄漏。今后，管道系統的計算機模擬將越來越多地用于處理和解決復雜的設計問題，如兩相流問題。

計算機監控和模擬的普遍應用，必將導致監控和檢測效率的提高、操作成本的降低和安全性的提高。

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