天然氣儲運泄漏檢測方法

張逸飛，郭志強，周昌智，黃 斐，吉宏林，劉思明

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.中遠海運重工有限公司，上海 200135)

0 引 言

隨著世界能源需求的增長和環境保護意識的增強，天然氣在各行業的使用比例逐年增長。天然氣是一種清潔優質的能源，燃燒熱值高、污染少、經濟效益好[1]。管道運輸與液態運輸是天然氣運輸的2種典型方式。

天然氣管道運輸可追溯至19世紀90年代，美國人在俄克拉荷馬州建立1條長為4 km的天然氣輸送試驗管道，在隨后的時間里天然氣管道運輸行業蓬勃發展。俄羅斯建成世界上較發達的油氣輸送管網，其中天然氣管道長為17.8萬 km。著名的“兄弟”天然氣管道于1967年建成投產，自俄羅斯西部納德姆氣田出發穿過烏克蘭后分為兩路：一支北上到達德國、法國和捷克[2]；一支南下供應奧地利、匈牙利和意大利等國。我國的天然氣管道運輸行業起步較晚，但發展迅速，2005年總投資1 400億元的西氣東輸工程全線商業運營，使來自塔里木盆地豐富的天然氣資源通過管道進入長三角千家萬戶。

大宗天然氣的液態運輸主要以船運為主，來自澳大利亞、卡塔爾、阿聯酋、馬來西亞和印度尼西亞等國的液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)由LNG船通過海路源源不斷地到達中國港口，被儲存在LNG接收站。液貨船的結構形式不同，分為薄膜型、球罐型和棱柱型等3種。目前法國GTT公司擁有Mark系列和NO系列兩種薄膜型液貨圍護技術，在LNG液貨圍護系統領域占據全世界90%以上的市場份額[3-4]。1艘滿載的17.4萬m3LNG船所運輸的天然氣足夠上海市冬天2～3 d的用氣量。

理想狀態的密閉容器不應發生泄漏，但由于真空密封不完整、微小缺陷和氣體向材料中擴散等難以克服因素的存在，泄漏的發生難以避免。伴隨天然氣儲運行業的蓬勃發展，天然氣泄漏的發生成為棘手的問題，天然氣管道的逐步“老齡化”使天然氣泄漏風險逐步增大。面對LNG船復雜的建造工藝，精細化的生產制造管理難以避免LNG圍護系統焊接過程中的缺陷產生，而LNG船海上航行面臨諸多復雜環境，氣體泄漏仍是LNG船維保面臨的難題。行之有效的天然氣泄漏檢測方法成天然氣儲運安全的有力保障。

1 天然氣管道泄漏檢測方法發展現狀

管道泄漏檢測是一種故障診斷技術，其任務是了解和掌握管道輸送系統在運行過程中的狀態，并判斷是否工作正常，以便發現泄漏故障并進行準確定位[5]。

管道的泄漏檢測方法分類標準十分繁雜：從檢測參數角度可分為直接檢測和間接檢測[6]；從檢測裝置所處位置可將長輸管道泄漏檢測技術分為內部檢測和外部檢測[7]；根據檢測方法是否需要人工進行判斷可分為自動檢測、半自動檢測和人工檢測[8]；在某些文獻中依據檢測手段將泄漏檢測分為硬件檢測法和軟件檢測法[9-10]。管道泄漏檢測技術分類如圖1所示。

圖1 管道泄漏檢測技術分類

1.1 硬件檢測法

硬件檢測法是指在管道外部利用相應的設備裝置進行檢測，其特點是設備對缺陷的存在十分靈敏，并可進行可靠的缺陷定位，但系統安裝往往龐大復雜，因此設備安裝受環境限制較大。常用硬件檢測法包括土壤檢測法、線纜傳感器法、光纖傳感器法和聲學傳感器法等。

1.1.1 土壤檢測法

美國于20世紀50年代利用放射性檢測物對原油管道進行泄漏檢測，一次有效檢測距離超過20.0 km，隨后蘇聯、日本、法國和丹麥等相繼效仿，檢測范圍從原油管道發展至水管道和輸氣管道等。土壤檢測法是指在管道流體中投放溴-82、碘-131和鈉-24等放射性物質，這些放射性物質從管道漏孔中逸出滲透至土壤中，通過在土壤中探測這些放射性物質的存在判斷泄漏位置，后來隨著技術發展，放射性物質逐漸被具有揮發性的示蹤劑取代。由于檢測周期漫長，難以檢測管道實時狀態，該方法已被逐漸取代[11]。

1.1.2 線纜傳感器法

隨著材料技術與傳感器技術的發展，發現某些材料隨著接觸物特性的不同而改變，而這些材料被制作為泄漏檢測原件[12]。線纜在管道泄漏檢測中不僅充當傳感器的角色，而且作為信號傳輸的介質。線纜傳感器法是指泄漏氣體與線纜接觸發生相互作用，導致線纜的電阻和電容等特性發生改變，即可確定泄漏的程度與位置。利用附著于管道安裝的柔性碳氫化合物傳感器線纜，在形成簡單回路后可對泄漏進行定位。

1.1.3 光纖傳感器法

光纖傳感器法是隨著光學技術發展而產生的一門新技術。該方法主要分為2類：光時域反射法和拉曼效應[13]。其主要原理是基于光纖內部光散射的溫度特性。在光纖中傳輸時，由于分子振動的存在光出現散射，背散射光攜帶管道的局部溫度信息。拉曼背散射包含斯托克斯和反斯托克斯兩個光譜頻移分量，反斯托克斯分量的幅值隨著溫度改變而劇烈變化，由此檢測缺陷。

1.1.4 聲學傳感器法

至20世紀70年代，對泄漏機理及泄漏所產生特征信號的研究被提上日程，聲學傳感器法是熱點研究之一。該方法是指管道中的聲波發生泄漏，泄漏點處的壓力減小，泄漏點的內外氣體存在壓差；在壓力作用下，泄漏點附近的氣體向泄漏點處補充；這種過程由泄漏點向兩側擴散，在氣柱的作用下形成聲波在管道內傳播[14]。由泄漏點產生的低頻噪聲會區別于背景信號而被傳感器捕獲，通過自相關分析[15-16]確定缺陷。利用聲波傳感器捕獲管道泄漏如圖2所示，其中：t1為聲波至傳感器S1的時間；t2為聲波至傳感器S2的時間；L為S1至S2的距離；xv為泄漏點至傳感器的距離；v為聲波傳播速度；vf為流體速度。

圖2 利用聲波傳感器捕獲管道泄漏示例

1.2 軟件檢測法

軟件檢測法是指基于對內部管道參數(壓力、流量和溫度)的監測，其有效性取決于與系統特征、操作條件和收集數據相關的不確定性。常用軟件檢測法包括質量/體積平衡法、實時瞬態模型法和統計法等。

1.2.1 質量/體積平衡法

質量/體積平衡法實際上基于質量守恒原理，是指流體在進入管道后，一部分會逸出管道，管道上游與下游流量的差值變化超過某一確定的閾值，即可識別泄漏。但該方法建立在管道流量處于平衡態的假設下，因此為避免測量誤差產生，需要盡可能增大測量周期，以減小系統波動產生的誤差。1個總質量/體積達1%量級的泄漏，需要1 h的系統累積。該方法存在泄漏點難以定位的問題，因此在實際的工程應用中往往選擇將其與其他方法結合使用，以最大化地發揮其優勢[17]。

1.2.2 實時瞬態模型法

實時瞬態模型法一般基于質量守恒、能量守恒和動量守恒原理，是指在管道的實時測量值與測算值間的差距超過允許范圍時，即可判斷管道發生泄漏[18]。但該方法的建立十分復雜，且在已有的實時瞬態模型中較難確定模型所適應的管道。為保證實時瞬態模型的有效性，管道兩側的壓力及溫度監測必不可少。為提高模型的檢測精度，對噪聲信號的控制和處理尤為重要。影響實時瞬態模型有效性的因素如下：(1)流量測試的位置、精度，流量大小、流速變化及系統未捕獲的進出管道流量；(2)測量過程中的溫度和濕度等環境監測誤差；(3)用于描述管道中的流體瞬態行為及流體與管道周圍環境相互作用(特別是熱相互作用)的方程的完整性和適當性，包括模型邊界條件的實用性。

1.2.3 統計法

統計法是指使用先進的統計技術分析管道的流量、壓力和溫度測量值，判斷管道發生泄漏的概率。由于可連續監測管道和流量/壓力儀器的變化，因此該方法適用于復雜的管道系統。該方法可用于泄漏點定位。該方法可進行實時泄漏分析，并在石油管道泄漏檢測中得到應用[19]，但其最大問題為噪聲，在戶外環境中噪聲時常影響缺陷判斷。

2 LNG船圍護系統泄漏檢測方法發展現狀

除管道運輸外，海運是天然氣運輸的另一重要方式[20]。目前，薄膜型圍護系統占據大型LNG船圍護系統市場的主要份額，因其單位裝載力的建造成本低、運維方便、空間利用率高和蒸發率低而得到廣泛認可。對于運量小、投資回報率低的中小型LNG船則采用C型獨立儲罐即自持式壓力容器的設計。圍護系統結構設計差異導致檢測方式大不相同[21]。

2.1 薄膜型圍護系統

Mark型和NO型均具有50 a以上的歷史，目前2種主流的薄膜型圍護系統為Mark Ⅲ型和NO96型。Mark Ⅲ型為封閉的低溫保溫系統，由2層薄膜和保溫層構成，直接由船體結構支撐。主要薄膜由波紋型的不銹鋼薄膜制成，次要薄膜由復合材料制成。NO型在200多艘船舶上得到應用，NO96系列是其最新技術方案。NO96型的2層薄膜均采用殷瓦鋼制成，厚度僅為0.7 mm。同Mark型一樣，NO96型的主要薄膜直接接觸液體貨物，次要薄膜則屬于100%的冗余設計，防止可能出現的泄漏。薄膜型圍護系統的結構特點決定泄漏檢測方法。

2.1.1 氣泡法

氣泡法是較為熟知的泄漏檢測方法之一，是指在泄漏發生時，器壁兩側存在壓差，泄漏點處形成氣泡，即可判定泄漏點位置，并通過氣泡產生速率判斷泄漏速率大小[22]。氣泡法分為涂抹法與浸泡法，浸泡法要求將容器浸泡于液體中，其適用性受限于設備體積和防腐防銹要求，且不能廣泛適用，而常用檢測方法為涂抹法。對于LNG圍護系統這類大型容器的檢測，抽真空及充壓需要較長的試驗預備時間，而制造局部壓差則更具有可行性，因此在LNG薄膜型圍護系統的密性檢測中常用真空罩制造局部壓差，進行氣泡法試驗。氣泡法檢漏方便快捷，但存在檢測精度低的問題，一般用于粗檢。

2.1.2 氦質譜檢漏法

在檢測時常用某種氣體噴吹漏孔，該氣體在通過漏孔后進入檢漏儀即可檢出泄漏的存在。由于在質譜法中較常用的檢漏氣體為氦，因此稱質譜法為氦質譜法[23]。氦在空氣中的體積分數微小，約二十萬分之一，因此氦作為檢漏氣體背景噪聲較小；氦質量小(相對分子質量為4)，易于穿過漏孔。對于同一漏孔，除氫外，氦比其他氣體漏率大、易發現、靈敏度高；氦為惰性氣體，不與被檢件器壁發生化學反應，不影響被檢件的真空潔凈度，使用安全。氦質譜法檢漏的關鍵部件為質譜室，質譜室可使不同質量的氣體在變為離子后在場中分開，僅具有某種核質比的離子可通過質譜室的狹縫形成離子流。

2.1.3 壓力變化檢漏法

壓力變化檢漏法按被檢件壓力變化形式分為升壓檢漏法和降壓檢漏法。升壓檢漏法是指將被檢件與泵機相連，在抽取一定真空度后關閉閥門，監測被檢件內壓力隨時間的上升情況，可繪出被檢件的真空衰減率曲線[24]。該方法靈敏度不僅與被檢件本底壓力相關，而且與壓力監測時長和設備儀器靈敏度相關。降壓檢漏法是指將被檢件充壓至一定水平，監測被檢件壓力隨時間的下降情況。在壓力變化檢漏法中測得的泄漏率與恒壓狀態的所測值存在偏差，在壓力監測過程中隨著被檢件器壁泄漏的發生，這種偏差會越來越大，因此建立相應的修正曲線尤其重要。

2.1.4 氨檢漏法

氨檢漏法是指向被檢件內充入一定體積分數的氨，并在被檢件表面施涂反應油漆或粘貼反應試布；在被檢件內的氨發生泄漏時，泄漏的氨與反應油漆或反應試布發生顯色反應；在一定時間內，根據顯色反應的成斑面積可對泄漏點的漏率進行粗略判斷[25]。該方法在薄膜型LNG圍護系統的密性檢測中應用廣泛，原因在于薄膜型LNG圍護系統待檢表面積大，該方法對于泄漏點的定位與定量具有可靠性高和檢測效率高等諸多優勢，但該方法存在反應油漆清洗困難和氨作為有毒氣體易對環境產生污染等缺點。

2.1.5 紅外熱像檢測法

紅外熱像檢測法是一種新型實時泄漏檢測方法。由斯特藩-玻爾茲曼定律可知：紅外波具有較強的溫度效應。紅外熱像基于紅外輻射原理，通過探測器接收目標物產生的紅外輻射，將目標物表面溫度分布轉化為熱圖像，具有靈敏度高、響應速度快、測量范圍寬、非接觸式測量、不影響被測目標等諸多優點[26]。對于圍護系統中儲存的低溫LNG，一旦發生泄漏會與背景溫度產生較大的溫度差，該方法則為理想的檢測方法，并可用于儲罐液位檢測。由于物料與儲罐材料存在差異，熱容量不同，因此液體部位與儲罐上部空間的紅外輻射強度不同。紅外熱像的液位檢測已在儲罐液位檢測中得以應用。后續在LNG圍護系統的液位檢測中仍具有廣闊的應用前景。儲罐液位紅外熱像如圖3所示。

圖3 儲罐液位紅外熱像

2.2 儲罐型圍護系統

儲罐型圍護系統在小型LNG船中較為常見。儲罐被設計為低溫壓力容器，使用常規壓力容器規范(通常為蒸汽壓力)，設計壓力大于0.2 MPa，較常見的形狀為圓柱形和雙瓣形。儲罐型圍護系統的泄漏檢測方法主要為相控陣超聲波探傷(Phased Array Ultrasonic Testing，PAUT)檢測法和聲發射泄漏檢測法。

2.2.1 PAUT檢測法

根據大多數法規，儲罐焊縫檢驗要求采用體積法檢測，如射線探傷(Radiography Testing，RT)和超聲波探傷(Ultrasonic Testing，UT)等，通常采用常規RT完成。RT存在輻射，并時常存在一些檢測盲區。PAUT作為UT的一個分支，在儲罐型圍護系統泄漏檢測中應用廣泛，一些權威組織如美國機械工程師協會(ASME)等允許采用UT代替RT[27]。該方法分4步：(1)制備帶自然缺陷或人工缺陷的焊接試樣；(2)制定采用PAUT設備進行焊縫檢測的工藝；(3)為制定工藝，對參考試樣進行“開放”試驗；(4)為對整個數據采集系統作演示評定，進行“封閉試驗”。

2.2.2 聲發射泄漏檢測法

聲發射泄漏檢測法是指利用聲發射源釋放的彈性波在結構中傳播時攜帶的大量結構或材料缺陷處的信息，采用儀器檢測、記錄和分析聲發射信號，并利用聲發射信號推斷設備存在的缺陷。該方法是一種動態無損檢測(Non-Destructive Testing，NDT)方法，其信號來自缺陷本身，因此采用該方法可判斷缺陷的活動性和嚴重性[28]。與常規NDT方法相比，該方法在儲罐檢測中具有一些特殊優勢：(1)在役儲罐的耐壓試驗需要將原有工作介質置換為水或空氣，而該方法在原有介質中即可進行；(2)該方法可一次性檢測和評價設備整體與整個結構中的缺陷狀態；(3)該方法可預防由未知不連續缺陷引起的系統災難性失效，并限定系統的最高工作壓力。

3 結 語

天然氣泄漏檢測擔負保障天然氣資源儲運設備安全的職責，受到廣泛研究，天然氣儲運設備泄漏檢測手段正從傳統方法向多學科融合方向發展。針對管道的檢測方法不再滿足于定位和定量檢測，對管道狀態的實時監測、基于管道運行狀態的統計建模和高危泄漏點的預測成為新的研究熱點。對圍護系統的泄漏檢測逐步發展為多學科融合的交叉學科，薄膜型圍護系統泄漏檢測將伴隨船舶制造業的發展向數字化方向前進。