天然氣管道泄漏檢測與定位技術(shù)

王克磊

【摘要】管道運輸是天然氣的主要輸送方式，然而由于腐蝕、人為等原因?qū)е碌奶烊粴夤艿佬孤┦鹿蕰r有發(fā)生，不僅造成自然資源的浪費、環(huán)境的污染，而且也影響正常的生產(chǎn)和生活，危害人類的身心健康，造成人類生命財產(chǎn)的巨大損失。因此，如何根據(jù)天然氣管道運行信號，及時發(fā)現(xiàn)天然氣管道泄漏并準確判斷管道泄漏位置就具有重大的現(xiàn)實意義和廣闊的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】天然氣管道；泄漏檢測；技術(shù)指標；泄漏定位

【前言】

隨著我國海洋油氣資源開發(fā)力度不斷加大，越來越多的海底管道投入使用。海底管道長期暴露于惡劣的海洋環(huán)境中，承受著復(fù)雜的工作載荷、環(huán)境載荷及意外風(fēng)險載荷（錨泊、拖網(wǎng)、碰撞等），故海底管道的泄漏及結(jié)構(gòu)損壞等事故屢見不鮮。海底管道承擔(dān)著輸送石油、天然氣以及其他介質(zhì)等重要任務(wù)，一旦發(fā)生失效，不僅維修與更換極其困難，而且影響正常生產(chǎn)運輸，污染海洋環(huán)境，給國家經(jīng)濟和國民生活造成巨大的損失。

一、管道泄漏檢測與定位的性能指標要求

一個高效可靠的管道泄漏檢測與定位系統(tǒng)，必須在有天然氣泄漏發(fā)生時，及時地發(fā)現(xiàn)泄漏并能準確地指出管道泄漏的發(fā)生位置，而且能適應(yīng)管道周圍的復(fù)雜自然環(huán)境和運行工況變化，亦即要求管道泄漏檢測與定位系統(tǒng)的誤報率、漏報率低，而魯棒性強，同時還應(yīng)便于維護。一般采用如下幾個指標來衡量。

（一）靈敏性。

泄漏檢測系統(tǒng)能夠檢測從天然氣管道發(fā)生滲漏直至管道斷裂全部范圍內(nèi)的泄漏情況，并發(fā)出正確的報警提示，包括系統(tǒng)能夠檢測出的泄漏量的變化范圍和管道長度，尤其是最小可測天然氣泄漏量和最大可測管道長度。

（二）定位精度。

定位精度指系統(tǒng)能夠檢測出的泄漏位置與實際泄漏位置的差異，當(dāng)天然氣管道發(fā)生不同等級的泄漏時，檢測系統(tǒng)提供的泄漏點位置與管道真實泄漏點之間的誤差要小，便于管道維護人員盡快到達泄漏地點組織維修。

（三）響應(yīng)時間。

響應(yīng)時間指從天然氣泄漏發(fā)生到被檢測出并進行報警的時間間隔，響應(yīng)時間縮短，以便管道維護人員能夠及時發(fā)現(xiàn)泄漏并采取維護措施，來減少損失。檢測系統(tǒng)應(yīng)具有較低的誤報率和漏報警率。即檢測系統(tǒng)的除噪、抗干擾能力，能夠準確地檢測出泄漏，不發(fā)生或少發(fā)生實際未泄漏而報警或?qū)嶋H泄漏而未報警的情況。

（四）評估能力。檢測系統(tǒng)對天然氣的泄漏量大小、泄漏時間、泄漏損失等情況的估計具有較準確的能力。

（五）適應(yīng)能力。檢測系統(tǒng)對天然氣管道的運行工況變化的適應(yīng)性，對不同的管道周圍環(huán)境，不同的天然氣介質(zhì)及管道拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，均有效。

（六）有效性。可連續(xù)檢測管道泄漏的能力。

（七）維護要求。檢測系統(tǒng)使用和維護的簡易性，當(dāng)檢漏系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，要容易調(diào)整，可盡快修好。

（八）性價比。檢測系統(tǒng)所能提供的檢測性能與系統(tǒng)投資、運行及維護的花費的比值要高。

二、天然氣管道泄漏檢測與定位方法

海底管道檢測技術(shù)是進行完整性評價的基礎(chǔ)和前提，檢測技術(shù)水平的高低決定完整性評價的準確程度。海底管道檢測技術(shù)主要包括外檢測技術(shù)和內(nèi)檢測技術(shù)。海底管道外檢測主要是對海底水流沖刷致使的局部管道懸空、渦激振動導(dǎo)致的管道屈曲變形、開裂破壞、地震作用下海底土壤液化致使的管道沉陷、第三方活動導(dǎo)致的涂層損傷與機械損傷、外保護層系統(tǒng)及腐蝕電位讀數(shù)等進行診斷。管道外檢測通常由潛水員和潛水器在水下完成，技術(shù)方法除了傳統(tǒng)的目視檢測外，也涉及水下測厚、電位測量及水下磁粉和超聲檢測等先進方法。按檢測操作是在水面上還是在水面下進行，外檢測方法又可分為水面檢測和水下檢測。

（一）水面檢測是利用檢測工具在水面上對管道進行檢測，包括：采用超聲波測量技術(shù)檢測埋得不深的管道，確定坑道的輪廓和管道的埋土深度；檢測陰極保護情況；通過水的取樣檢測泄漏等。

（二）水下檢測需要利用載人潛水艇、遙控設(shè)備等海上運輸設(shè)備輔助進行管道定位和跟蹤、管道拍照、識別坑道輪廓和斷面、判斷管道埋土深度及高度和長度、檢測陰極保護、泄漏檢測和定位、管道厚度檢測、保護層檢測、腐蝕和外部機械損傷檢測等。根據(jù)需要檢測的內(nèi)容和管道的深度，可以選擇潛水員或潛水艇。通常，水深在0～50m之間可用潛水員；50～300m之間可以用潛水艇；有人駕駛的潛水艇可以在1 000m深的水中工作；對特別深的情況，需采用遙控設(shè)備。海底管道內(nèi)檢測通常是在不影響油氣正常運輸?shù)那闆r下，根據(jù)漏磁、超聲波、渦流等探傷原理，利用檢測器對管道幾何變形、管壁腐蝕、裂紋狀況、壁厚變化、穿孔泄漏、焊縫等進行檢測。管道內(nèi)檢測主要利用各種內(nèi)檢測儀器設(shè)備來完成，內(nèi)檢測器按功能可分為用于檢測管道幾何變形的測徑儀、用于檢測因腐蝕產(chǎn)生的體積型缺陷的漏磁通檢測儀、用于探測管道泄漏的泄漏檢測儀、用于檢測裂紋類平面型缺陷的渦流檢測儀、超聲波檢測儀以及以彈性剪切波為基礎(chǔ)的裂紋檢測儀等。管內(nèi)檢測器的選擇必須根據(jù)每條管道的具體情況、所檢測缺陷的類型來確定。

三、天然氣管道泄漏檢測與定位的具體方法

管內(nèi)檢測法

管內(nèi)檢測法一般基于磁通、渦流、攝像等通球技術(shù)，該方法在長輸油氣管道中使用較多。其中基于磁通檢測原理的智能爬機在管道工業(yè)中應(yīng)用最為普遍，該裝置在管道內(nèi)靠氣缸伸縮產(chǎn)生蠕動前進，前進過程中隨帶的信號采集系統(tǒng)就會收集天然氣管道內(nèi)壁信息，由于鐵磁性材料與缺陷處介質(zhì)的導(dǎo)磁率不同，理論上當(dāng)管道內(nèi)壁表面完好無缺陷時，其磁力線全部通過由鐵磁材料構(gòu)成的被測物；一旦管道內(nèi)壁存在缺陷，缺陷處的磁阻將變化，從而磁通會在缺陷處發(fā)生畸變。利用相關(guān)軟件對爬機采集的漏磁信號數(shù)據(jù)進行分析處理后，可以得到管內(nèi)壁厚度、腐蝕狀況、粗糙度等信息，當(dāng)然也可判斷管道是否是天然氣泄漏。

人工巡檢法

人工巡檢法是目前我國大部分天然氣公司慣用的管道檢測方法，即由天然氣巡線員攜帶手式天然氣體檢漏儀或天然氣檢漏車定期沿管道敷設(shè)位置路面巡視，通過看、聞、測、聽等方式來判斷是否有天然氣泄漏。由于不同種類的天然氣泄漏后，其密度不同、周圍自然環(huán)境不同而導(dǎo)致其流向不同、天然氣濃度不同，同時天然氣管道周圍的污水、垃圾等也會產(chǎn)生沼氣使天然氣體干擾其檢測的準確度，因此該法檢漏和定位的準確度與巡檢人員的經(jīng)驗和主觀判斷關(guān)系重大。由于光在信號傳輸、衰減和抗干擾方面有著獨特的優(yōu)越性，檢測元件法中具有代表性的檢測元件是光纖傳感器，其利用光的特性進行泄漏檢測，即在管道施工時將光纖鋪設(shè)于管道外，當(dāng)天然氣泄漏時造成光纖傳輸損耗增加，當(dāng)傳感器接受的光強低于設(shè)定值時，系統(tǒng)就會發(fā)出警報。

紅外線成像法

紅外線成像法是由直升飛機攜帶一高精度紅外攝像機沿管道飛行，通過記錄和分析埋地天然氣管道周圍不規(guī)則的熱輻射效應(yīng)來判斷天然氣管道是否泄漏，但該法的缺點是不能對管線進行連續(xù)實時檢測，發(fā)現(xiàn)泄漏的實時性差，同時其檢測成本高，對管道的敷設(shè)深度也有一定限制。

負壓波法

負壓波法是在國內(nèi)研究較多的一種方法，當(dāng)管道某處突然發(fā)生泄漏時，泄漏處將出現(xiàn)瞬態(tài)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(jù)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。

流量平衡法

該方法也稱為質(zhì)量分析法，是一種最基本的檢測方法。它根據(jù)進出口管道流體的流量差來判斷管道是否發(fā)生泄漏。

聲波法

管道發(fā)生泄漏時會產(chǎn)生噪聲，泄漏產(chǎn)生的噪音強度及清晰度受到管內(nèi)壓力、泄漏點的孔尺寸及形狀、管道直徑、壁厚，以及材質(zhì)等因素的影響。通過安裝在管道外壁的聲波傳感器可監(jiān)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(guān)分析即可對泄漏源進行定位。

結(jié)束語：

泄漏是天然氣管道安全輸送的主要隱患，如何預(yù)防泄漏事故的發(fā)生，保證全線安全穩(wěn)定運行是一個綜合性課題。管道泄漏檢測是多領(lǐng)域、跨學(xué)科的課題，涉及到流體力學(xué)、傳感技術(shù)、微弱信號檢測、信號處理等多個學(xué)科，世界上對管道泄漏監(jiān)測技術(shù)的研究已經(jīng)有幾十年的歷史，但由于管道運行過程的復(fù)雜因素，使得至今沒有一種權(quán)威通用并且簡單可靠的泄漏監(jiān)測辦法。當(dāng)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。同時，要保證天然氣管道的安全運行不僅需要選擇經(jīng)濟合適的泄漏檢測方法，還需要從管道設(shè)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(fā)生。

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