輸氣管道泄漏原因及檢測方法述評

戰麗華，王為民，戴旺旺，曹彥青，李衛衛

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001）

近幾年，隨著經濟發展水平的提高和西氣東輸項目的實現,現階段無論是民用氣量還是企業用氣量都在逐年增加，我國的燃氣正處于迅猛發展的階段。隨著燃氣供應量的增加，燃氣泄露事件也呈現逐年上升的趨勢。

城市燃氣管網是城市基礎設施的重要組成部分。燃氣管網的安全運行，關系到人民生命財產安全，關系到社會的穩定。現輸氣管道都在向大口徑、高壓力的方向發展，并伴隨著管道破損、泄漏和燃燒爆炸等事故的發生，嚴重威脅了人員安全，并帶來了巨大的經濟損失，所以對燃氣管道泄漏原因及泄漏點監測與定位的研究已刻不容緩。

1 輸氣管道泄漏的原因

分析燃氣管道事故發生的原因，可總結為以下幾點：一、燃氣管網及燃氣設施的老化與腐蝕。埋地燃氣管道和燃氣設施都存在使用年限，管道在超齡情況下運行會因管道的老化破損而導致燃氣泄露，從而引發事故。再者由于管道周圍土壤的酸堿度不一樣，相應管道的腐蝕程度也就會不一樣，腐蝕性較大的土壤會使管道還沒達到服役年限就極易發生管壁穿孔而導致泄漏，釀成事故。二、違章占壓燃氣管道或在天然氣設施上方或安全距離內建設建筑物或是放置重物[1]。違章占壓燃氣管道及燃氣設施存在以下危害：不易巡檢，發生隱患時不易察覺容易釀成大禍；影響了正常的維護檢修的工作，長期的占壓燃氣管道及設施還容易導致燃氣管道及設施的老化，宜形成潛伏隱患；長期占壓燃氣管道及設施使其受力不均勻致使管道變形而發生泄漏，當在一定空間內燃氣量達到一定的濃度時，遇明火便會發生爆炸。三、城市建設施工對燃氣管網的破壞，也稱做第三方破壞。今年來，全國各地都在緊鑼密鼓的進行著城市建設，這其中不乏存在著野蠻施工、不按章程操作的現象。這樣的做法就會嚴重破壞管道的防腐層甚至會出現挖斷管道的現象，一旦發生這樣的事故，后果會是相當的嚴重損失也會相當慘重。據統計第三方破壞在管道泄露事故中，起因最嚴重，泄漏量最多[2]。

2 管道泄漏檢測方法

對天然氣管道泄漏的監測及泄漏點的定位已成為保障管道安全運行、減少事故危害的重要手段。目前，輸氣管道泄漏檢測的方法很多，主要有音波法、分布式光纖法、瞬態模型法、熱紅外成像法及漏磁檢測法等等。

2.1 直接檢漏法

由于天然氣在輸送過程中添加臭味劑（以四氫噻吩 THT常見)，所以早期建成的管道主要是靠經驗豐富的管道工人或受過訓練的動物來沿線巡查管道以判斷是否發生泄漏[3]。此方法的弊端是依賴檢測者的經驗、敏感性和責任心，檢測耗時多且無法連續檢測，對于一些小孔泄漏還是無濟于事。隨著科技的發展，這種方法逐漸被一些高效、敏感的高科技設備所替代。近幾年出現了一種機載紅外檢測技術。是由直升飛機帶一高精度紅外攝像機沿管道飛行,通過分析輸送物資與周圍土壤的細微溫差確定管道是否泄漏[4]。利用光譜分析可檢測出較小泄漏位置。這種方法可用于長管道,微小泄漏的檢測,其缺點是對管道的埋設深度有一定的限制同時地形較復雜的也不適合此方法。

2.2 音波法

當輸氣管道發生泄漏時，在泄露處會產生聲波信號。其中高頻信號傳播的距離較短，而低頻信號能夠沿管壁遠距離的傳播。基于以上的低頻信號傳播的特點，只要在管道兩端安裝能夠檢測到泄漏低頻聲波的傳感器即可檢測到管道是否泄漏，如果對采集的低頻信號進行分析即可對泄露點進行定位。圖1為音波泄漏檢測原理示意圖[5]。

圖1 音波泄漏檢測原理示意圖Fig.1 Sonic leak detection principle diagram

其中： L—兩傳感器之間管道的長度；

A—管道的上游檢測點；

B—管道的下游檢測點。

假設聲波在輸氣管道里的傳播速度為v,當發生泄漏時，低頻信號傳到 A、B所用的 時間分別為T1和T2，泄漏點的位置可按下面公式[6]計算：

式中Dt=T1-T2，從式中可以得知，只要知道時間差與聲波傳播的速度就可以對輸氣管道的泄漏點進行定位。音波法以靈敏性好、誤報率低、定位度高等優點逐漸受到青睞，但其缺點是易受其他音波的干擾且難于對長距離輸送的管道進行連續的監測。

2.3 分布式光纖法

在管道鋪設時，在管道附近與管道平行的鋪設一條光纜，利用其中的三條單膜光纖中的兩條光纖作為傳感器的測試光臂，而剩下的那根光纖則用于信號傳輸。半導體激光器(LD)發出連續光波分別進入作為測試光壁的兩條光纖，因為光波為同一光源發出，故在兩條光纖中傳播速度一致。光波傳到光纖的另一端，在那匯合形成干擾信號。干擾信號再沿第3條光纖傳到光電檢測器，通過放大和濾波電路對信號進行處理，再經過A／D轉換后傳輸到計算機中進行進一步信號處理和分析[7]。其測試原理如圖2所示。

圖2 分布式光纖檢漏原理示意圖Fig.2 Distributed optical fiber leak detection principle diagram

當輸氣管道發生泄漏時，管道會產生噪聲，而光纜的靈敏度很高，因其受到噪聲的干擾，光纜中兩條光纖會受到應力而產生應變。由圖知兩條光纖的排列位置不一樣，所以產生的應變就有所差別，從而導致傳播的光波分別產生不同的相位變化，最后由第三條光纜傳到計算機的信號就會存在一個時間差Dt，故通過監測信號波的變化即可實現輸氣管道泄漏的實時檢測。利用分布式光纖技術還可以對泄漏點進行精確的定位，計算公式如下：

式中：v—光波在光纖中的傳播速度（已知光在真空中的傳播速度c，光纖的折射率n，即可計算出v， v=c/n）。

分布式光纖檢漏技術不僅可以對氣體管道檢漏，也可對液體管道進行實時的監測，同時因其反應靈敏，定位精度高的優點，可以檢測出壓力較低且泄漏孔徑較小的輸氣管道泄漏點，所以分布式光纖檢漏技術在近幾年越來越受到關注，特別是在強腐蝕、強電磁干擾等環境下具有很好的發展潛力。但由于光纖價格較貴，投資金額較高所以在一定程度上也局限了分布式光纖法的普及。

2.4 實時瞬態模型法

瞬態模型法是根據輸氣管道的運行條件，利用質量守恒方程、能量守恒、流體狀態方程與動量守恒方程建立管內流體流動的數學模型，并通過計算機軟件模擬輸氣管道的實時動態變化，然后把計算機模擬的某一動態的值與現場實測的值進行比對，如果偏差大于了一定的范圍，我們就可認定為管道發生了泄漏。該方法優點在于易于維護且安裝的費用不高，但其缺點是定位精度不高，抗干擾的能力不強，誤報警率高，當管道內是穩定流動時才能建立數學模型故不適用于操作變化頻繁的管道。

2.5 負壓波法

此方法是是建立在信號處理上的方法，不需要依靠數學模型。當正在平穩運行的管道突然發生泄漏時，流體沿著泄漏點流出，導致此處的壓力驟降，而泄露處附近的流體壓力比泄漏點高，由于壓差的存在，流體會迅速的流向泄漏點，這樣泄漏點附近又產生了壓力降，這一過程從泄漏點開始依次向管道的兩端傳送，這就產生了負壓波[8]。設置在管道兩端的壓力傳感器接收到自泄漏點傳來的壓力波，通過分析處理信號，根據信號傳來的時間差可以判斷出泄漏點的位置[9]。

負壓波檢漏法的優點是反應較快，對泄漏點的定位相對準確。但此方法對突然泄漏量較大的管道反應敏感，對緩慢發生的泄漏或是已經發生的泄漏反應遲緩甚至無效且對于處于地形比較復雜地區的管道的定位精度低[10]。

3 預防措施

天然氣管道泄漏是輸送過程中的一個主要的安全問題，如何預防管道的泄漏及保證輸氣管道平穩安全的運行是我們長期關注的一個話題，本文針對引發泄漏的主要因素提出了幾點預防措施：

⑴設計人員在設計管道的走向時，要盡可能合理的布置管道的布局，嚴格按照設計規范進行設計。避開地形地貌的復雜段，實在避開不了時應采取有效的措施對管道進行保護。

⑵對于埋于地下的管道在鋪設時嚴格按照施工圖施工，嚴把施工的質量關。

⑶管道外壁涂刷防腐層，當管道需要焊接時嚴格控制焊縫的質量。

⑷利用先進的高科技技術，加強對管道的實時監測，做到對隱患的早發現，早排除[4]。

⑸對于有埋地管道的地段做好地表標識的工作，最大限度的降低強行占壓、人為破壞等情況的發生。

⑹燃氣企業應定期的對管道進行檢查，維護，做好管道的安全評價工作[11]。

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