油氣管道泄漏檢測技術的選擇和應用

蔡曉龍，劉永軍，董曉琪

1中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

2中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

1. 引言

管道運輸因為它的經濟性和安全性，現(xiàn)在被應用的越來越廣泛，隨著管道技術的快速發(fā)展，管道運輸已成為世界第五大運輸工具[1]。由于油氣輸送管道介質具有易燃易爆特性，一旦發(fā)生泄漏，極易引發(fā)火災和爆炸等事故，造成人員傷亡、財產損失和環(huán)境污染，因此對油氣管道的泄漏點進行準確定位是管道安全運行的前提條件，各個國家的科技工作都非常重視管道的泄漏檢測技術。

2. 管道泄漏檢測系統(tǒng)技術

經過相關的數據統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，發(fā)生管道泄漏事故的主要原因是由于人為破壞、防腐層失效、陰極保護度降低、內腐蝕嚴重等問題導致的穿孔泄漏。管道泄漏檢測技術是多學科多領域的知識融合，目前已經從最簡單的人工巡線檢測發(fā)展到復雜的數值模擬計算[2]。

檢測管道泄漏有不同的技術可供選擇，也有不同的分類方法，按照基于硬件與軟件的檢測法分為內檢測部法和外部檢測法兩類。內部法即基于管道內部參數計算的檢測方法，使用儀器來監(jiān)測內部管道參數(壓力、流量、溫度等)作為輸入，通過一定的算法從而推斷出管道泄漏。外部法即基于管道外部的檢測方法，例如傳統(tǒng)的線路巡檢和基于光纖傳感的泄漏檢測。

內部檢測法是通過連續(xù)監(jiān)測壓力、溫度、流量、聲速、粘度、密度或其他管道參數的狀態(tài)，根據這些參數的變化量，通過特定的軟件算法推斷是否發(fā)生泄漏。主要的基于內部的方法有：負壓波法、實時瞬態(tài)模型法、統(tǒng)計分析法、壓力/流量的監(jiān)測和分析法、體積平衡法、質量平衡法、線平衡法等。

外部檢測法是基于通過各種傳感設備或電纜對泄漏介質所造成的管道外部環(huán)境參數改變的物理檢測方法。主要的外部檢測法有：光纖傳感技術、聲波檢測法、碳氫化合物蒸汽或液體感應管、紅外攝像機等。

其中基于分布式光纖傳感技術、負壓波技術和實時瞬態(tài)模型技術的泄漏檢測系統(tǒng)是在長輸油氣管道中常用且效果比較好的技術手段。

3. 技術對比

3.1. 分布式光纖傳感技術

分布式光纖傳感技術是將光纖本體作為傳感器，通過與解調儀連接對光纖中傳輸激光的各項屬性進行實時分析，從而對外界信號進行監(jiān)控。當管道周圍地理環(huán)境中出現(xiàn)滑坡等地質災害或管道發(fā)生泄漏，光纖會因拉扯而發(fā)生變形或者內部二氧化硅的密度因溫度而發(fā)生變化，由此帶來光化，應變、溫度等中間參數的變化得以直觀的在波形圖上得到體現(xiàn)。通過對波形圖的分析和判斷，現(xiàn)場管理人員得以及時了解發(fā)生事件的類型、強度以及位置，以便及時反應和處理。

根據光纖中傳播的背向散射光的分布，見圖1 [3]。將基于散射式的光纖傳感技術分為拉曼散射、瑞利散射、布里淵散射以及部分基于干涉或其它類型的產品。

Figure 1. The distribution of backscattered light in optical fibers圖1. 光纖傳播的背向散射光的分布

在拉曼散射、瑞利散射、布里淵散射這三種分布式傳感技術中，系統(tǒng)配置是相似的。激光光源用來向傳感光纖發(fā)射信號光脈沖。當光脈沖沿著光纖的長度傳播時，少量的信號被瑞利、布里淵或拉曼散射效應反向散射。背向散射光被過濾為特定波長，經過分析以確定溫度或應變。

分布式光纖傳感技術適用于管道同溝敷設有光纜的情況。需進一步根據具體管道內流體介質類別(氣體或液體)、管道口徑、是否其它探測的內容(如入侵、地災等)合理設計光纜與管道的相對位置。

分布式光纖傳感技術的優(yōu)點包括：1) 利用與管道同溝敷設的光纜用于泄漏檢測可以降低成本；2) 定位精度高；靈敏度高，對小的泄漏更敏感；3) 傳感光纜抗電磁干擾和外界震動干擾能力強，高絕緣性好；4) 抗電磁干擾、安全可靠；5) 不受管道內流體性質的變化影響；6) 不受管道運行狀態(tài)的影響。

分布式光纖傳感技術的缺點有：1) 是基于外部條件的檢測方法，受外部條件制約，光纜中斷會影響到泄漏檢測系統(tǒng)中斷；2) 可能無法檢測到漸進式泄漏；3) 無法預測泄漏的大小；4) 尤其是當流體溫度接近環(huán)境溫度時不易探測，因此有些輸油管道不太適用；5) 對于沒有光纜的已有管道來說，需要敷設光纜，費用昂貴、難度大。

3.2. 負壓波技術

這項技術基于對管道負壓的測量。當管道發(fā)生泄漏時，釋放處的壓力下降。這種負壓波從釋放點以波動的形式向上下游兩個方向傳播，可以被兩端或沿管道的高精度壓力變送器感知。

對負壓的檢測與確認是負壓波技術的基礎，因此需在管道兩側一定的位置安裝高靈敏度和高精度的壓力變送器。變送器連續(xù)測量管路壓力的波動，見圖2，將迅速的壓力降低和恢復信息上傳給監(jiān)控設備。通過來自所有監(jiān)測站點的數據變化分析，以確定是否啟動泄漏檢測警報，同時利用該負壓波到達上下游的時間差可以確定泄漏點的具體位置。

Figure 2. Schematic diagram of negative pressure wave method圖2. 負壓波法示意圖

負壓波技術優(yōu)點包括：1) 利用壓力變送器進行測量，成本費用低；2) 檢測速度快；3)能夠比較準確的定位的泄漏位置；4) 對流體性質(如粘度和密度)極不敏感；5) 不受外部環(huán)境條件影響；6) 比較容易發(fā)現(xiàn)打孔盜油。

負壓波技術缺點包括：

1) 適合用于液體管道的泄漏檢測，不推薦用于天然氣管道。根據管道中氣體流動的流體剖面，由于管道泄漏而產生的聲波不能在天然氣管道中長距離傳播，負壓波在輸氣管道中會迅速衰減，并且泄漏產生的壓力波幅值往往接近正常水平的管道噪聲。根據2012 年12 月發(fā)布的《管道與危險物質安全管理局(美國運輸部)泄漏檢測研究報告》，負壓波法不適用于天然氣管道。

2) 負壓波技術可以檢測突然發(fā)生的泄漏或由于管道損壞造成的泄漏。該技術對漸進式泄漏的檢測能力較差，因為在漸進式泄漏中不會產生特定的聲波。

3) 受儀表精度和響應時間影響非常大。用于壓力測量的傳感器需要有很快的響應時間非常高的采樣率。須經常校準儀表，否則可能會導致系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤。儀表故障會導致無法檢測到泄漏。

4) 受噪音影響，壓力傳感器很難精確的檢測到負壓波突降點，時間差計算精度有待提高。5) 正常的操作，例如調節(jié)閥門、啟停泵等都會引起負壓波，造成誤報警。

3.3. 實時瞬態(tài)模型技術

實時瞬態(tài)模型技術基于水力模擬的實時模擬流體流動、壓力和溫度的模型，依據動量守恒計算、能量守恒計算和大量的流動方程將模擬結果與測量數據(壓力和流量)進行比較判斷出管道是否泄漏。

為了設計特定管道的實時瞬態(tài)模型，需要了解管道的配置，包括管道的物理參數(管長、管徑、壁厚、管道構成、路由拓撲、路線走向、粗糙度、泵、閥門、設備位置等)及流體物性(精確的體積模量、黏度、密度等) [4]。

實時瞬態(tài)模型可以用于幾種方法檢測泄漏，最常見的兩種方法是：

1) 偏差分析法：將SCADA 系統(tǒng)的測量值與實時瞬態(tài)模型的計算值進行比較。如果差值超過預先確定的閾值，則會產生泄漏警報。

2) 模型補償量平衡法：采用實時瞬態(tài)模型實時計算庫存量。庫存量更改用于糾正數量不平衡。如果補償的不平衡超過預定的閾值，則會產生泄漏警報。

相對于其他方法，實時瞬態(tài)模型的優(yōu)勢在于它能夠模擬所有的動態(tài)流體特性(流量、壓力、溫度)，并考慮到廣泛配置的物理管道特性(長度、直徑、厚度等)以及產品特性(密度、粘度等)。

實時瞬態(tài)模型的優(yōu)點有：1) 有完整的流體動力學特性，如流量，壓力和溫度等建模；2) 通常依托于現(xiàn)有的儀表和SCADA 系統(tǒng)，安裝成本相對較低；3) 可以測量泄漏的體積和位置；4) 適用于瞬態(tài)工況；5) 在提高模型配置的準確性后，誤報率更低。

實時瞬態(tài)模型的缺點包括：1) 現(xiàn)場儀表(壓力、流量、溫度)的任何故障或缺陷都將降低其性能，使其容易出現(xiàn)誤報；2) 算法比較復雜，需要大量的關于管道、設備和流體的數據，而有時這些數據的獲取比較困難；3) 運操作和維護都需要較專業(yè)的知識和技能；4) 對流體特性，特別是粘度和密度較敏感；5)泄漏位置識別的準確性不是很好，取決于現(xiàn)場儀表在管道上的位置。需要經常校準流量和壓力儀表。

3.4. 技術的選擇標準

管道泄漏檢測系統(tǒng)的選擇主要依據五個主要因素：

1) 靈敏度。靈敏度定義為系統(tǒng)能夠檢測到的泄漏大小的綜合度量，以及在發(fā)生這種大小的泄漏時系統(tǒng)發(fā)出警報所需的時間。

2) 精確度。精確度是與泄漏流量、總容積損失、泄漏位置等估計參數相關的泄漏檢測系統(tǒng)性能的度量。

3) 可靠性。可靠性是對泄漏檢測系統(tǒng)對管道可能存在的泄漏做出準確判斷的能力的度量。

4) 穩(wěn)健性。穩(wěn)健性是對泄漏檢測系統(tǒng)在管道運行條件不斷變化的情況下繼續(xù)發(fā)揮作用并提供有用信息的能力的一種衡量。

5) 投資成本。包括建成一套完成的泄漏檢測系統(tǒng)所需的系統(tǒng)設備、材料的采購和施工的費用。

評估過程中也應適當考慮的其它次要因素包括：泄漏大小、泄漏檢測時間、兼容性、適用性、數據資源可獲得性、易用性、可訪問性、安全性等。

4. 結論和建議

管道泄漏檢測系統(tǒng)對于管道安全運行至關重要，需要根據管道實際情況選擇合適的泄漏檢測技術。負壓波技術和實時瞬態(tài)模型都可以依托現(xiàn)有的儀器儀表，綜合成本較低，其中負壓波技術建議用于天然氣管道。光纖傳感技術不但能夠檢測管道泄漏，還可以用于探測第三方入侵、地層運動(如滑坡、崩塌、沉降及其它地質災害)、季節(jié)變化對周圍土壤影響、土壤侵蝕跡象、管道智能清管器位置追蹤等。

分布式光纖傳感技術具有監(jiān)測距離長、定位精度高、靈敏度高、安裝施工方便等優(yōu)點，是未來天然氣管道相關安全監(jiān)測技術(包括泄漏檢測技術)的主要發(fā)展方向之一。光纖通信已經是新建油氣管道項目的主用通信方式，新建管道項目都會與管道同溝敷設光纜，大大降低了光纖傳感泄漏檢測的建設成本。所以建議新建管道項目將基于分布式光纖傳感技術的泄漏檢測系統(tǒng)作為首選。