燃氣管道泄漏檢測技術和方法*

張凱

（沈陽石蠟化工有限公司，遼寧 沈陽 110141）

燃氣管道泄漏檢測技術和方法*

張凱

（沈陽石蠟化工有限公司，遼寧 沈陽 110141）

燃氣管道泄漏是燃氣管道安全輸送的主要隱患。介紹了目前國內外燃氣管道泄漏的主要檢測方法，根據泄漏檢測原理，總結歸納了現有的各種檢測方式，同時指出了各種檢測方法的優缺點及適用條件。

燃氣；管道；泄漏檢測；直接法；間接法

管道輸送是燃氣輸配的主要方式，由于管道的生產制造、安裝施工、使用、安全管理等多方面的原因，都有可能使管道燃氣發生泄漏，進而影響了人民的生命財產安全。而我國燃氣管道大多埋于水泥、瀝青路面、田野、丘陵等多種地表下，管網壓力范圍大，管材規格多，這就決定了檢漏方法的復雜性，檢漏手段的多樣性。

根據泄漏檢測原理，現有的泄漏檢測方法可以分為直接檢測燃氣泄漏的直接檢測法和以檢測因泄漏而引起的流量、壓力、聲音等物理參數發生變化的間接檢測法[1]。

1 直接檢測方法

根據檢測方式的不同，目前常見的直接檢測方法可以分為如下幾類。

（1）人工巡檢法。這是目前國內各城市燃氣公司常用的一種泄漏檢測方法。由巡線工人手持燃氣檢漏儀或檢漏車定期沿管道敷設路徑巡視，通過看、聞、聽等多種方式來判斷是否有燃氣泄漏。對于泥土地面，用可調節濃度大小的氣敏檢測儀直接在地面檢測，濃度最大點與管線定位一致點即為泄漏點。對于城市街道常見的水泥瀝青地面，氣體泄漏后會沿著管道周圍的裂縫、空隙、疏松土壤竄流，不能穿透漏點上方的地表，在地面探測不到，而在遠離泄漏點的地面裂縫中才能探到，此種情況需鉆孔探漏。對于公共管溝，包括專業管道溝、電纜溝和與裂縫相通的排水溝，泄漏氣體會沿著這些通道竄到很遠的地方，此種泄漏需用風機從管溝的泄漏點的一邊吹風，另一邊放風，保證管溝內的泄漏氣體向另一邊冒跑，用示蹤探頭從風機一端伸進管溝，示蹤探頭與泄漏氣體接觸處即為泄漏點，或用鉆孔法配以氣敏探測儀在地面檢測，在泄漏點的下風氣敏儀會報警，在上風不報警，泄漏點位置就在報警與不報警兩孔之間，在此進一步加密測點，即可精確定點。

（2）管內智能爬機檢測法。爬機在管道工業中使用廣泛，如果配置各種傳感器，就能組成智能爬機檢測系統[2]。目前利用爬機可以檢測管內的壓力、流量、溫度以及管壁的完好程度。爬機可以分為2類：超聲波檢測器和漏磁通檢測器，應用較多的是漏磁通檢測器，即將爬機放入管內，它就會在流體的推動下運動到下游，同時收集有關管內流動和管壁完好程度的信息，對記錄在爬機內的數據進行處理后，可以得到很多信息，同時也可以判斷管道是否泄漏。國外此項技術己經比較成熟，并用于各種管道當中，它的作用不僅在于泄漏檢測，而且是綜合型的管道檢測系統，但是爬機只適用于那些沒有太多的彎頭和聯接處的管道，它的操作需要有豐富的經驗。

（3）紅外線成像法。當管道發生泄漏時，泄漏點周圍土壤的溫度場會發生變化。通過紅外線遙感攝像裝置可以記錄輸氣管道周圍的地熱輻射效應，再利用光譜分析就可以檢測出泄漏位置[3]。這種方法可以較精確地定位泄漏點，靈敏度也較高，但不適用埋設較深的管道檢漏。

（4）分布式光纖檢漏法。在管道附近沿管道并排鋪設一條光纜，也可以利用與管道同溝敷設的通訊光纜，根據光纖的干涉原理，當管道發生泄漏時，引起管道泄漏點附近的測試光纖產生應力應變，從而造成該處光波相位調制，產生相位調制的光波沿光纖分別向傳感器的兩端傳播[4]。用兩個光電檢測傳感器檢測兩端干涉信號發生變化的時間差，即可精確地計算出泄漏發生的位置。分布式光纖傳感器法是在國外研究較多的一種方法[5]。

2 間接檢測方法

間接檢測法主要根據管道泄漏造成的流量、壓力、聲音等物理參數變化來檢測管道泄漏與否，并通過計算來定位泄漏位置。具體分為以下幾種。

（l）基于信號處理的方法。主要通過對現場傳回的壓力、流量信號去除干擾后，采用特殊的分析手段提取信號突變位置及突變時間而實現泄漏檢測及定位。此法不需要建立管道的數學模型，主要包括壓力梯度法、負壓波法、流量平衡法和聲學方法等。

①壓力梯度法。在穩定流動的條件下，管道泄漏點將導致管道沿線的壓力梯度分布呈折線變化，通過在泄漏點上游和下游分別設置兩個壓力傳感器測出它們的壓力梯度，就能算出實際泄漏位置。該方法原理簡單，計算量小，只要在管道兩端安裝壓力表即可。但是該方法沒有考慮溫度對管道中流體的粘度、摩阻及密度等參數的影響，而實際情況下管道沿線壓力分布是非線性的，因此該法定位精度較低。

②負壓波法。負壓波法是在國內研究較多的一種方法，當管道某處突然發生泄漏時，泄漏處將出現瞬態壓力突降，形成一個負壓波，該負壓波以一定的速度向管道兩端傳播，根據負壓波傳播到上下游端壓力傳感器的時間差和負壓波的傳播速度就可以確定泄漏點的具體位置。目前研究的焦點問題是如何精確決定時間差和對傳播速度公式的修正，主要研究方法有相關分析法、小波變換法、時間序列法、模式識別法和基于圖象處理的方法等[6]。但負壓波法的缺點是只能檢測到大的突發性的泄漏，而對緩慢發生的小泄漏則不適用。

③流量平衡法。該方法也稱為質量分析法，是一種最基本的檢測方法。它根據進出口管道流體的流量差來判斷管道是否發生泄漏。這種方法簡單直觀、易于實現，但由于流量測量受流體成分、溫度以及壓力等參數變化的影響較大，因此測量的準確度比較低，同時該方法需要在管線兩端安裝高精度的流量計，成本較高，也不能實現泄漏位置的定位。

④聲波法。管道發生泄漏時會產生噪聲，泄漏產生的噪音強度及清晰度受到管內壓力、泄漏點的孔尺寸及形狀、管道直徑、壁厚，以及材質等因素的影響。通過安裝在管道外壁的聲波傳感器可監測到泄漏聲信號的大小和位置，無泄漏時，聲波傳感器獲得的是背景噪聲信號，有泄漏時，可探測到低頻泄漏聲信號，如采用兩個以上的傳感器，通過相關分析即可對泄漏源進行定位，其優點是檢測速度快，成本低，環境適應性強，缺點是檢測距離短。

（2）基于模型的方法。建立管道的實時動態模型，利用模型對管道系統的參數進行在線估算，將估算結果按照特定的算法處理來進行泄漏故障診斷，這就是基于模型的方法的基本思想。這類方法首先需要建立管道的模型，根據建立模型的方法，可分為狀態估計法、系統辨識法、實時模型法等。

①基于狀態估計的方法。這類方法首先對管道內的氣體流動狀態進行機理建模，得到一個非線性的分布式參數系統模型，通常可以使用差分法或特征線法將其線性化;然后設計狀態估計器對系統進行狀態估計，估計器可以是觀測器或Kalman濾波器。根據建立的模型的特征，又可分為不包含故障的模型法和包含故障的模型法。不包含故障的模型法首先建立管道模型并設計估計器，模型中不含有泄漏的信息;當泄漏發生時模型估計值會和實際測最值產生偏差，用偏差信號來進行檢測定位。包含故障的模型法建立的管道模型預先假定管道有幾處指定的位置發生了泄漏，通過狀態估計得到這幾個預先假定的泄漏點的泄漏量估計值，運用適當的算法便可進行泄漏檢測與定位[7]。

②基于系統辨識的方法。其基本原理是描述系統工作過程的數學模型反映了決定系統運行規律的物理定理，系統的數學模型中的各種方程的系數實際上就是許多物理參數的函數，當系統發生故障時，描述系統工作過程的物理規律就會發生變化。在通常情況下，這些變化表現在物理參數的變化上，物理參數的變化引起數學模型方程中的系數的改變，從而影響系統的輸出。因此，由系統輸人輸出數據對模型方程系數進行實時辨識，再由辨識得到的方程系數求解出各物理參數的真實值，通過對物理參數的異常狀況的檢驗，則可以實現對故障狀況的檢測與診斷。該法需在管道上施加M序列激勵信號，并假設兩站的壓力不受泄漏量的影響，也僅適于小泄漏量情形。

③實時模型法。即利用流體的質量、動量、能量守恒方程等建立管內流體動態模型，此模型與實際管道同步執行，定時采集管道上的一組實際值，如管道首末端的壓力和流量，運用這些測量值，由模型觀測管道中流體的壓力和流量值，然后將這些觀測值與實測值作比較來檢漏，若二者不一致，則說明管道發生泄漏。泄漏檢測和定位分三步，首先根據管道人口端的壓力傳感器數據計算管道各處壓力;然后根據管道出口端的壓力傳感器數據計算管道各處壓力;再將計算出的兩條管道壓力曲線進行比較，其交點即為漏點位置。

（3）基于知識的方法。主要有模式識別法、神經網絡法、統計決策法等。

①模式識別法。結構模式識別是依據一定的句法規則剖析模式的結構，確定模式的性質。可以通過試驗為管道運行的各種狀態（包括穩態、調泵、調閥、泄漏等）建立模式庫，通過對輸人的模式進行匹配，就可以判斷管道運行狀態。為了簡化模式識別的過程，必須消除信號模式中的冗余信息和干擾信息，目前采用較多的方法有小波算法、微分算法、分段積分算法等。

②基于人工神經網絡檢測管道泄漏的方法。能夠運用自適應能力學習管道的各種工況，對管道運行狀況進行分類識別，采用基于LABVIEW等虛擬儀器技術對信號進行處理，是一種基于經驗的類似人類的認知過程的方法，但此方法需要大最的實際歷史數據。

③統計決策法是殼牌公司開發的一種具有圖形識別功能的新型管道檢漏方法。根據實測的管道進出口的流量和壓力，使用序貫概率比檢測（SPRT）的方法分析側量值，連續計算發生泄偏的概率，并利用最小二乘法進行泄漏點定位。該方法不需建立復雜的數學模型，計算量較小，能較好地解決實時模型法的誤報。另外，還具有在線學習能力，可以適應管道參數的變化。但該方法要求檢測儀器精確或能夠修正測量數據。

3 結束語

泄漏是燃氣管道安全輸送的主要隱患，如何預防泄漏事故的發生，保證全線安全穩定運行是一個綜合性課題。管道泄漏檢測是多領域、跨學科的課題，涉及到流體力學、傳感技術、微弱信號檢測、信號處理等多個學科，世界上對管道泄漏監測技術的研究已經有幾十年的歷史，但由于管道運行過程的復雜因素，使得至今沒有一種權威通用并且簡單可靠的泄漏監測辦法。當泄漏過程緩慢時，無論是泄漏信號的提取還是泄漏點的定位，都是人們致力于研究解決的問題[8]。同時，要保證燃氣管道的安全運行不僅需要選擇經濟合適的泄漏檢測方法，還需要從管道設計、工程施工和日常運行管理等多方面加以重視，以最大程度地減小泄漏事故的發生。

[l] 嚴銘卿，廉樂民.天然氣褚配工程[M].北京：中國建筑工業出版社，2005：7.

[2] 肖建蘭，呂保和.氣體管道泄漏模型的研究進展[J].煤氣與熱力，2006（2）：7-9.

[3] 李光海，王勇，劉時風.基于聲發射技術的管道泄漏檢瀏系統[J].自動化儀表，2002，23（5）20-23.

[4] 胡志新，張桂蓮.利用分布式光纖傳感技術檢瀏天然氣于道泄湯[J].傳感器技術，2003（10）：47-49；53.

[5]周攻，靳甘久，張的超，等.分布式光纖管道泄派檢瀏和定位技術[J].石油學報，2006（3）：121-124.

[6]鄧鴻英，楊振沖.基于負壓波的管道泄漏檢瀏與定位技術研究[J].計算機瀏圣與控制，2003，11（7）：481-483.

[7]李煒，陳希平，毛海杰，等.天然氣管道泄漏點的定位檢洲方法研究[J].甘南工業大學學報，2003（12）：84-87.

[8]夏海波，張來斌，王朝輝.國內外油氣管道泄漏檢瀏技術的發展現狀[J].油氣儲運，2001，20（1）:1-5.

Detection Technique and Methods of Fuel Gas Pipe Leakage

ZHANG Kai
（Shenyang Paraffin Wax Chemical Co.，Ltd.，Liaoning Shenyang 110141，China）

Fuel gas pipe leakage is a major threat for fuel gas transfer safety.In this paper，main detection methods of fuel gas pipe leakage at home and abroad were introduced.Based on leakage detection principle，current detection methods were summed up，and their advantages and disadvantages were discussed as well as application conditions for various methods.

Fuel gas；Pipe；Leakage test；Direct method；Indirect method

TE 863

A

1671-0460（2010）03-0275-03

2010-01-29

張 凱（1977-），男，遼寧沈陽人，工程師，1999年畢業于遼寧工學院化工設備與機械專業，目前從事企業計算機網絡管理工作，已公開發表論文1篇。電話：024-25390067，E-mail：sypc-zk@163.com。