輸氣管道泄露檢測技術進展

宮 克，冷 俊，潘 一，曹成龍，王彥博，康超男，段元蒙

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

輸氣管道泄露檢測技術進展

宮 克，冷 俊，潘 一，曹成龍，王彥博，康超男，段元蒙

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

輸氣管道泄露檢測技術是在管道出現老化、腐蝕、人為破壞和自身缺陷等問題時，及時發現并做出報警反應的檢測技術。輸氣管道泄漏不僅會帶來巨大的經濟損失，而且外漏后的天然氣也存在嚴重的安全隱患，如不及時發現，容易造成重大事故。因此管道檢漏技術就是油氣安全運輸的保障。首先對檢漏技術進行了分類，并著重對紅外線成像檢漏技術、負壓波檢測技術、漏磁檢漏技術、分布式光纖檢漏技術等9種新型的間接檢漏技術進行了原理分析、進展介紹和適應性評價，最后對管道檢漏技術的發展前景做出了展望。

管道檢漏；紅外線；負壓波；嗅覺傳感器；氣體成像

隨著天然氣的使用量逐漸加大，輸氣成為一個非常重要的環節，目前我國主要的輸氣方法就是通過管道輸送。據統計，世界上總管網的 50% 已運行了30年以上[1]，隨著管道運行后期，管道的老化、腐蝕、人為破壞和管道自身缺陷等問題，常常造成管道泄漏事故，在生產上造成不必要的損失[2]。油氣管道的泄漏不僅給企業帶來巨大的經濟損失，同時，管道內外漏后的油氣存在安全隱患，如果不及時發現，很容易引發火災、中毒、爆炸、傷亡等事故[3]。因此高質量的管道泄漏檢測技術就是油氣安全運輸的根本保障。

1 檢測技術的分類

目前世界上在輸氣管道泄漏檢測上面的研究可以說是非常先進的，其檢測的方式方法多種多樣，大體上可分為直接檢漏和間接檢漏兩類[4]。

這其中直接檢漏是指利用人為巡視或可攜帶儀器直接的對管道泄漏做出響應，主要用于檢測微小的管道泄漏，在管道工作狀態和非工作狀態下均能進行檢測[5]。間接檢漏是指通過管道中聲波、壓力波、渦流、流量等物理參數和物質平衡關系對管道進行檢漏[6]。常規的檢漏技術包括：紋影成像技術檢測法、智能爬行檢測方法、嗅覺傳感器技術、氣體檢測法、探地雷達、應力波檢測技術、流量或質量平衡法、統計檢漏法，動態模型分析法等[7]。這些輸氣管道檢漏的方法大多存在檢驗精度不夠，對微小泄漏檢測能力較弱等問題。

2 新型檢漏技術

2.1 紅外線成像檢漏技術

當輸氣管道泄漏時會造成周圍土壤溫度的變化，紅外線成像技術正是應用這一現象，通過與正常土壤的溫度比較來檢測是否發生泄漏[8]。這項技術是由美國的OILTON公司發明的，具體方法是用直升機裝載著精密的紅外線攝像儀，沿著輸氣管飛行，記錄輸氣管道周圍不規則的地熱輻射效應，利用光譜分析檢測來判斷是否發生管道泄漏并且確定泄露的具體位置。原蘇聯曾用美國研制的遠距離激光分析儀裝載到直升機上，沿著輸氣管道進行飛行。成功檢測到大小為幾米，乙烷體積分數僅為百分之一的氣體云[9]。

該項技術具有檢測速度快，檢測范圍廣，精確度高等優點，但其對于埋藏較深的管道檢測還是有一定的困難的。據有關資料記載，當飛機飛行高度為300 m時，管道埋藏深度應在6 m內，而且這種方法不能夠對管道進行連續檢測[10]。

2.2 負壓波檢漏技術

近幾年負壓波檢測法是國際上頗為關注的管道泄漏檢測方法，其原理是當發生氣體泄漏時，管道中的泄漏點處周圍的氣體密度相對減小，導致壓強突降，又因為氣體是連續的，所以氣體在泄漏點周圍產生壓力差。這種壓力差推動著上下游的高壓氣體向著泄漏點處的低壓氣體流動，形成了一個以泄漏點為中心的壓力波，在力學上稱為負壓波。因為管壁的波導作用，負壓波在傳播的過程中衰減較小，所以可以傳播很遠距離[11]。利用安裝在管道兩端的壓力傳感器，就能檢測到壓力波動的信號，并且根據兩端接收到負壓波的時間差，來確定管道泄漏的具體位置。

利用負壓波檢測管道泄漏其優點在于具有較高的定位精度和較快的響應速度。其缺點在于難以檢測較小的泄漏，需管道有大量泄漏時才能檢測。由于輸氣管道工作時工況復雜，壓力傳感器常常受到各種信號的干擾，導致檢測精度下降[12]。

2.3 漏磁檢漏技術

漏磁是指管道在外加磁場磁化的情況下，如果管道完好無缺損，磁力線在管道內成均勻分布，當管道內壁或外壁出現缺陷時，磁力線則會發生變形，部分磁力線將穿出管壁產生漏磁現象。漏磁檢測技術就是通過緊貼管壁的探頭來檢測漏磁場，再將檢測到的感應信號經濾波、放大、模數轉換等處理后記錄到檢測器上的存儲器，最后通過軟件分析處理，判斷是否存在缺陷[13]。

目前漏磁檢測法被國內外公認為最完善的管道檢測方法之一，其不僅可以檢測管道的泄漏，還可以對管道的腐蝕程度做出檢測，為管道維修提供依據，大大減少了管道維修的盲目性，節約資金[14]。

2.4 分布式光纖檢漏技術

光纖傳感技術在上世紀70年代，隨著光纖通訊的迅速發展而被人們所關注。光纖檢漏技術主要依靠光纖后向散射光的分布變化，來分析檢測應變、光纖周圍溫度等被測量的分布變化。后向散射光又分為彈性散射光和非彈性散射光，其中彈性散射光包括瑞利散射光，非彈性散射光包括喇曼散射光和布里淵散射光[15]。利用不同散射光的不同性質可以研制出多種傳感器。例如：利用背向瑞利散射研制的OTDR傳感器，利用布里淵散射研制的B-OTDR、B-OTDA傳感器，利用喇曼散射研制的R-OTDR等。FBG傳感器是在20世紀90年代發展起來的一種新型全光纖無源器件，他可以對天然氣管道進行在線監測，而且這種傳感技術主要采用長波調制法，避免光強的影響和干涉型光纖傳感相位測量模糊等問題。利用準分布式光纖光柵適合大范圍檢測的特點，可以沿著管道鋪設一條光纜，用FBG作為傳感器，獲取天然氣管道沿程的應變信號，通過對取得的信號的分析和處理，可以檢測出輸氣管道泄漏的位置[16]。

分布式光纖檢漏的優點在于，傳感光纖上的任意一點都具有傳感能力，可以獲得連續的信息。能夠定位泄露的位置，定位準確度高。檢測距離遠并且具有很高的靈敏度[15]。雖然分布式光纖檢漏有很多優點但是依然存在這一些亟待解決的問題。

(1)、泄漏點的聲信號壓力對光線的影響(2)、光纖對聲信號的敏感程度(3)、光纖包覆材料的老化問題(4)、檢測信號的處理算法問題(5)、光路中光強損失問題。

目前我國對光纖檢漏技術的研究還處于初級階段，而且輸氣管道中大部分的泄漏都屬于小泄漏，針對這種小泄漏OTDR技術可以說是無能為力，而且在這種大范圍的光纖覆蓋情況下，材料的老化，以及使用壽命和成本等都需要全面考慮。因此，分布式光纖檢測技術仍有很大的發展空間。

2.5 嗅覺傳感器檢漏技術

嗅覺傳感器技術利用傳感器對天然氣中的化學成分的反應，輸出信號，通過計算處理得到的信號來分析管道是否泄漏。將嗅覺傳感器按一定的距離安放在管道上，形成傳感器網絡，就可對管道進行實時監控，當有氣體泄漏時，傳感器就會做出反應。但目前該項技術的研究還處于初級階段，還是一項不成熟的技術，所以尚未應用在生產中。

2.6 智能防腐層檢漏技術

智能防腐層法是指在輸氣管道的防腐層增加一個防盜檢測電路，如果發生泄漏必然破壞防腐層，防腐層是否完整可以通過電路的電阻值反應。

該檢測方法具有的優點是：（1）具有較高的靈敏度，（2）較高的定位精度，（3）傳輸、傳感成本低，（4）系統易恢復。缺點是：（1）該檢測方法受環境影響比較大，溫度和濕度的變化都可能影響電阻率的變化，發生誤報警。（2）安裝系統需要較高的費用[17]。

2.7 基于管內聲波的檢漏技術

近幾年，聲波以其特有的信號特征成為了管道泄漏檢測領域研究的熱點。經研究表明，由于管道泄漏所產生的低頻特征信號能夠在管道內進行遠距離傳播，而且其信號特征不同于工況擾動所產生的信號特征[18]。早在上個世紀九十年代，Jolly等就曾利用聲波檢測出管道的泄漏[19]。華科等人在2009年開發了基于聲波的輸氣管道泄漏檢測與定位系統，并且或得了很好的檢測效果[20]。基于管內聲波的泄漏檢測原理是：利用安裝在管道上下游的聲波傳感器所收集的聲波信號，通過對信號特征的具體分析來判斷是否發生管道泄漏[21]。

該方法在實驗中表明具有較好的定位精度、方案簡單并且還能檢測微小泄漏等特點，但是在現場的工作環境中，由于噪音較大，還是會對檢測的精度產生影響，而且對于長管道的檢測效果也不是很好，所有尚未廣泛應用于現場[22]。

2.8 氣體成像檢漏技術

氣體成像法原理利用氣體在光學技術下成像的難易，來判斷管道是否發生泄漏。該技術不僅可以檢測地面上的輸氣管道泄漏情況，還能檢測地下輸氣管道的[23]。

2.9 場圖像檢漏技術

原名field-signature method，簡稱為FSM[24]。該項技術不僅可以檢測管道的泄漏，而且可以在管道泄漏前檢測管道的腐蝕程度，是否發生裂紋等微小的損壞。其原理是當電流流入管道時，會顯示出電場，該電場具有唯一的電場“指紋”就是所謂的場圖像。根據檢測到的電場指紋的變化，來判斷管道的損傷與泄漏。該技術可以實現對管道腐蝕程度的檢測，具有靈敏度高，覆蓋范圍大等優點，適合長輸氣管道的檢測。

3 結 論

隨著世界石油儲量的逐漸減小和人們對能源需求的逐漸增加，天然氣必然會稱為未來的主要能源。對于天然氣輸送管道的檢漏尤為重要。隨著科技的進步與發展，以后的檢漏手段將更加趨于人工智能化，對設備靈敏度的需求也將越來越高。多種檢測方案配合使用彌補單一方案的缺點，會使管道檢漏技術更加完善。對于天然氣長輸管道的小泄漏檢測和定位仍是未來研究的重點。隨著科學技術的發展，大量的新科技應用在管道檢漏中，必將為輸氣管道泄漏的研究增加新的活力。

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Research Progress in Leaking Detection Technology for Gas Transmission Pipelines

GONG Ke, LENG Jun, PAN Yi, CAO Cheng-long, WANG Yan-bo, KANG Chao-nan, DUAN Yuan-meng
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)

Gas pipeline leak detection technology is a detection technology of discovering and making detection alarm reaction when the pipeline is becoming aging, corrosion, man-made destruction and its defects. The leakage from gas pipelines will not only bring huge economic loss, but also the leakage of natural gas is serious and hidden security danger. If the leakage cannot be found in time, it is easy to cause a major accident. Therefore, pipeline leak detection technology is a guarantee of the security of oil and gas transportation. In this paper, the leak detection technologies were classified, and principle analysis and adaptability evaluation of nine types of indirect detection techniques were carried out, including the infrared imaging detection technology, the negative pressure wave detection technology, the magnetic flux leakage detection technology, the distributed optical fiber leak detection technology and so on. Finally, the development prospect of the pipeline leak detection technology was discussed.

Pipeline leak detection; Infrared; Negative pressure wave; Olfactory sensor; Gas imaging

TE 832

A

1671-0460（2014）12-2663-03

2014-06-06

宮克（1992-），男，遼寧鐵嶺人。E-mail：gongke1111@126.com。

潘一（1976-），男，遼寧撫順人，博士，副教授，從事油氣田開發研究工作。