國(guó)內(nèi)外油氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

宋 源

（中國(guó)石油 青海油田公司冷湖油田管理處，青海 海西 816300）

用管道傳輸能量被認(rèn)為是安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方法，但是石油和天然氣具有易燃、易爆等特點(diǎn)，當(dāng)管道發(fā)生泄漏事故時(shí)，容易造成爆炸、火災(zāi)、中毒、污染環(huán)境等一系列災(zāi)害，如果發(fā)生在居民聚集區(qū)，將會(huì)造成更為嚴(yán)重的后果。輸油和輸氣管道發(fā)生泄漏的原因包括外力損傷、材料設(shè)備、腐蝕、施工質(zhì)量、違規(guī)操作、自然災(zāi)害等主要原因[1]。

20 世紀(jì)80 年代后期，人們的安全與環(huán)保意識(shí)逐漸增加。同時(shí)，許多管道系統(tǒng)的運(yùn)行已經(jīng)接近設(shè)計(jì)使用年限[2,3]。為了滿足安全和環(huán)保的要求，工作人員越來(lái)越多地開(kāi)始利用各種先進(jìn)檢測(cè)手段對(duì)管道狀態(tài)和整體性進(jìn)行全面細(xì)致的分析。本文按照基于硬件和軟件的方法概述了國(guó)內(nèi)外油氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)，并對(duì)管道泄漏檢測(cè)檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比。

1 管道檢測(cè)的必要性

對(duì)管道實(shí)施檢測(cè)，可以準(zhǔn)確掌握管道的運(yùn)行狀況，并對(duì)一些管道存在的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)的維修，就可以避免一些事故的發(fā)生，同時(shí)也能大大延長(zhǎng)管道的使用壽命，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀[4]。具體包括如下方面：

(1)減少輸送介質(zhì)損失；

(2)減少管道停輸造成的損失；

(3)減少管道事故造成的環(huán)境污染及人身安全傷害損失。

因此，管道檢測(cè)是保障輸油輸氣管道正常生產(chǎn)的重要保證，正在日益成為輸油輸氣管道建設(shè)中必不可少的一部分。

2 基于硬件的泄漏檢測(cè)方法

基于硬件的管道泄漏檢測(cè)方法主要有觀察巡視法、放射性示蹤法、分布式光纖溫度傳感器監(jiān)測(cè)法、激光檢測(cè)法、氣體成像法、超聲波檢漏法、電纜檢測(cè)法等。

2.1 觀察巡視法

此種方法是由專(zhuān)業(yè)的管道管理操作人員或經(jīng)過(guò)嚴(yán)格訓(xùn)練過(guò)的動(dòng)物建立專(zhuān)職的巡線隊(duì)伍，對(duì)管線進(jìn)行不定期或定期的巡查，通過(guò)看、聞、聽(tīng)等方式查看輸油管線是否發(fā)生泄漏。目前該方法也運(yùn)用了現(xiàn)代的高科技手段，例如美國(guó)的OILTON 等公司運(yùn)用機(jī)載紅外線技術(shù)，它通過(guò)高精度的紅外攝像機(jī)分析管道周?chē)⑿〉臏囟茸兓瘉?lái)判斷管道是否發(fā)生泄漏。該方法原理簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，費(fèi)用較高，但實(shí)時(shí)性差。檢測(cè)結(jié)果主要依賴于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和查看前后泄漏的發(fā)展，無(wú)法對(duì)管道泄漏進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，靈敏性差[5]。此方法適用于所有埋地管道。

目前國(guó)內(nèi)的大多數(shù)油氣管道都配備了專(zhuān)業(yè)的管道巡線員。國(guó)內(nèi)個(gè)別管道公司采用直升飛機(jī)進(jìn)行巡線。

2.2 放射性示蹤法

在輸送的油品中加入一定比例的具有放射性的指示劑，當(dāng)輸油管道發(fā)生泄漏時(shí)，放射性指示劑滲入土壤，當(dāng)輸油管道加隔離球輸送純凈油品時(shí)，將殘余的放射性指示劑洗刷干凈，然后放入探測(cè)器，在漏點(diǎn)能探測(cè)出放射性信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)就能定位漏點(diǎn)的位置[6]。

2.3 分布式光纖溫度傳感器監(jiān)測(cè)法

在加熱輸油管道發(fā)生泄漏時(shí)，分布式光纖溫度傳感器能夠非常準(zhǔn)確的測(cè)量和感知管道周?chē)鷾囟鹊淖兓瑥亩_定位管道泄漏的位置。分布式光纖溫度技術(shù)是根據(jù)拉曼光反射、布里淵光反射和光纖光柵原理研制出來(lái)的。這種檢測(cè)方法的精確度能達(dá)到0.5～2.0 m。現(xiàn)在國(guó)外已應(yīng)用基于光纖光柵原理的準(zhǔn)分布式溫度傳感系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)也正在應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行泄漏檢測(cè)[7,8]。

2.4 激光檢測(cè)法

該方法是利用激光吸收光譜及諧波探測(cè)的基本原理，基于現(xiàn)代光學(xué)、微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)，其測(cè)量系統(tǒng)主要包括激光掃描探頭、運(yùn)動(dòng)控制和定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)三個(gè)部分[9]。

2.5 氣體成像法

近年來(lái)，氣體成像法技術(shù)采用光在空氣中發(fā)生折射而成像的理論進(jìn)行管道泄漏的檢測(cè)，主要用于輸氣管道泄漏時(shí)的檢測(cè)，該設(shè)備簡(jiǎn)單輕巧，易使用。如英國(guó)的 GMI 公司基于紅外光譜吸收技術(shù)研制的OMD 系統(tǒng)就是基于氣體成像的原理，它是一種新型車(chē)載檢漏設(shè)備，主要用于城市燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)，其檢測(cè)精度可達(dá)1 μg/g[10]。

2.6 電纜檢測(cè)法

這種檢漏方法是通過(guò)沿輸油管道鋪設(shè)包有特殊絕緣層的電纜，這種絕緣層遇到油品會(huì)溶解，因此當(dāng)管道泄漏時(shí)將會(huì)出現(xiàn)短路而發(fā)出警報(bào)，并為定位泄漏位置提供保障[11]。

3 基于軟件的泄漏檢測(cè)方法

基于硬件的管道泄漏檢測(cè)方法主要有流量平衡法、負(fù)壓波法、壓力點(diǎn)分析法、分段試壓法和實(shí)時(shí)模型法等。

3.1 流量平衡法

該方法是基于管道流體流動(dòng)的質(zhì)量守恒原理，即一條不泄漏的管道內(nèi)，“流入與流出必相等”。實(shí)時(shí)測(cè)出管道出口與入口流量，有差值則表明管道內(nèi)可能發(fā)生泄漏[12]。實(shí)際上，由于所測(cè)流量取決于流體的各種性質(zhì)（如溫度、壓力、密度、黏度）以及流體的狀態(tài)，而使情況變得復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中可用一些公式進(jìn)行修正。

3.2 負(fù)壓波法

當(dāng)輸油管道發(fā)生泄漏時(shí)，管內(nèi)流體在泄漏點(diǎn)流失，因此引起該點(diǎn)的密度減小，壓力瞬間下降，且在此處產(chǎn)生以一定速度向上、下游傳播的負(fù)壓波，設(shè)置在泄漏點(diǎn)兩端的檢波器能檢測(cè)到傳到各自的時(shí)間，從而推算出傳到上下游的時(shí)間差，由負(fù)壓波的傳播速度與時(shí)間差確定泄漏點(diǎn)的位置[13,14]。

3.3 壓力點(diǎn)分析法

壓力點(diǎn)分析法(PPA)是一種非常有效地檢測(cè)液體、氣體及某些多相流管道泄漏方法。當(dāng)管道運(yùn)行正常時(shí)，其密度與壓力的變化呈現(xiàn)為連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)管道發(fā)生泄漏，穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)將被破壞，隨之建立新的穩(wěn)定狀態(tài)。在這一過(guò)程中，管道內(nèi)將產(chǎn)生一擴(kuò)張波，并沿管道傳輸，管道內(nèi)各點(diǎn)壓力并隨之變化。安裝在管道上的檢測(cè)裝置將會(huì)檢測(cè)到傳來(lái)的泄漏特征信號(hào)[15]。通過(guò)分析檢測(cè)到的信號(hào)，提取數(shù)據(jù)變化曲線，并與穩(wěn)定狀態(tài)下的相比較，從而確定管道是否出現(xiàn)泄漏。

3.4 分段試壓法

此方法是按順序分段關(guān)閉管道上的閥門(mén)，通過(guò)觀測(cè)關(guān)閉管段壓力的變化，從而確定管道泄漏位置和程度[16]。國(guó)家相關(guān)部門(mén)制定了管道安全規(guī)則，這個(gè)安全規(guī)則要求新投產(chǎn)的管道或者改線的管道、更換管道后再投產(chǎn)的都應(yīng)進(jìn)行分段試壓法。這種方法不足之處在于工作量較大，檢測(cè)比較費(fèi)時(shí)，且無(wú)法用于運(yùn)行的管道。

3.5 實(shí)時(shí)模型法

這種方法通過(guò)動(dòng)量平衡、質(zhì)量平衡、流體動(dòng)力及流量平衡方程建立數(shù)學(xué)模型模擬液體在管道內(nèi)的流動(dòng)，以定時(shí)測(cè)取運(yùn)行管道的實(shí)際值作為初值條件，對(duì)管道內(nèi)的流體的流量和壓力等參數(shù)做出預(yù)測(cè)[17,18]。將預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比來(lái)判斷是否泄漏，并確定泄漏位置，這種方法定位精確，但誤報(bào)率較高。

4 管道泄漏檢測(cè)的技術(shù)指標(biāo)及對(duì)比

管道泄漏檢測(cè)的各種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為了對(duì)這些方法進(jìn)行比較，應(yīng)建立一套評(píng)價(jià)指標(biāo)。通常來(lái)說(shuō)，對(duì)一種泄漏檢測(cè)方法優(yōu)劣或一個(gè)檢漏系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)應(yīng)從以下幾個(gè)方面加以考慮：

(1)靈敏度。能檢測(cè)到的最小瞬時(shí)泄漏量與當(dāng)時(shí)管道瞬時(shí)輸量之比的百分?jǐn)?shù)。

(2)定位精度。系統(tǒng)檢測(cè)出的泄漏點(diǎn)位置跟實(shí)際位置間的誤差與管道長(zhǎng)度之比的百分比。

(3)評(píng)估能力。管道泄漏檢測(cè)方法是否能夠檢測(cè)出泄漏位置及泄漏量大小的能力。

(4)反應(yīng)時(shí)間。泄漏發(fā)生后系統(tǒng)能檢測(cè)出來(lái)的最短時(shí)間。

(5)有效性。泄漏檢測(cè)系統(tǒng)是否能連續(xù)監(jiān)測(cè)整條管道。

(6)誤報(bào)率。系統(tǒng)誤報(bào)次數(shù)占總報(bào)警次數(shù)的百分比。

(7)適應(yīng)能力。管道泄漏檢測(cè)方法是否能在管道所處的任何條件下對(duì)管道泄漏進(jìn)行檢測(cè)的能力。

(8)可維護(hù)性。管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)是否能過(guò)對(duì)簡(jiǎn)單問(wèn)題進(jìn)行自我修復(fù)或操作工作者進(jìn)行簡(jiǎn)單維修。

(9)費(fèi)用。泄漏檢測(cè)系統(tǒng)所產(chǎn)生的一切費(fèi)用。主要管道泄漏檢測(cè)方法性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 管道泄漏檢測(cè)方法性能對(duì)比Table 1 Performance comparison of leakage-detection techniques for oil-gas pipelines

5 管道泄漏檢測(cè)技術(shù)展望

基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種類(lèi)型的管道系統(tǒng)，并且仍將不斷發(fā)展和進(jìn)步。計(jì)算機(jī)硬件處理能力的提高、新軟件的開(kāi)發(fā)、降低運(yùn)行和維修成本的壓力以及先進(jìn)統(tǒng)計(jì)和追蹤系統(tǒng)的研發(fā)，都將推動(dòng)管道檢測(cè)技術(shù)向前發(fā)展。

利用這種控制系統(tǒng)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集時(shí)切實(shí)可行的。該控制系統(tǒng)已經(jīng)不僅被用于大型復(fù)雜的管道系統(tǒng)，即使小規(guī)模管道系統(tǒng)，也可采用自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析計(jì)算，以減小人力物力消耗。盡管操作條件變化可能不大，但是一年中累積的節(jié)約量是相當(dāng)可觀的。

結(jié)合系統(tǒng)控制，對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備和其他系統(tǒng)組件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控可以降低燃料消耗。評(píng)估顯示，對(duì)泵、壓縮機(jī)和其他機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可減少維修費(fèi)并延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

計(jì)算機(jī)軟件也會(huì)變得更加簡(jiǎn)便和實(shí)用。管道操作和設(shè)計(jì)人員可通過(guò)計(jì)算機(jī)完成日常工作。此外，隨著軟件功能的日益強(qiáng)大，新技術(shù)從研究到投入生產(chǎn)所經(jīng)歷的周期也會(huì)大大縮短。許多現(xiàn)代化的管道系統(tǒng)都包括進(jìn)油點(diǎn)和分油點(diǎn)，同時(shí)也可以輸送多種油品。只有利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制、計(jì)量和設(shè)備檢測(cè)，才能使整個(gè)系統(tǒng)高效運(yùn)行。

管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展也將進(jìn)一步得益于管道系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬。泄漏檢測(cè)過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)掌握各個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)值，而獲得這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)唯一的方式就是將檢測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)掃描獲得的數(shù)據(jù)不斷傳入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)能過(guò)計(jì)算進(jìn)入和流出管段流體的體積流量，最后通過(guò)比較來(lái)判斷是否發(fā)生泄漏。今后，管道系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬將越來(lái)越多地用于處理和解決復(fù)雜的設(shè)計(jì)問(wèn)題，如兩相流問(wèn)題。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控和模擬的普遍應(yīng)用，必將導(dǎo)致監(jiān)控和檢測(cè)效率的提高、操作成本的降低和安全性的提高。

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