某高含硫天然氣項目對管道檢漏技術的選擇研究

張莉

（西南石油大學，成都610500）

1 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和大氣污染防治措施的深入實施，我國對天然氣資源的需求量呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長，天然氣的開采和管道建設步伐也在持續(xù)加速中。預計2020年，天然氣管道里程將達到10.4 萬公里。對我國天然氣管道服役年齡的粗略統(tǒng)計顯示，10年以下的占71%、10～20年的占11%、20年以上的占17%。可以預見，在未來10～20年，我國天然氣管道將進入老齡化階段，管道事故也會隨著時間的推移頻繁發(fā)生。

與此同時，高含硫氣田的大規(guī)模開發(fā)，使承載高壓高含硫氣體輸送的集輸管道成為風險最為集中的地方。一旦發(fā)生管道泄漏，非常容易造成群死群傷事故。如何對高含硫天然氣集輸管道運行進行監(jiān)控，防患于未然，成為國內眾多天然氣工作者所關注的內容。本文通過對目前國內外主要使用的管道檢漏系統(tǒng)的梳理，介紹某高含硫天然氣項目如何評估和選擇管道泄漏檢測系統(tǒng)。

2 常見國內外管道泄漏檢測及定位方法簡介

管道泄漏檢測技術從20世紀70年代興起，現(xiàn)已得到了長足的發(fā)展。管道泄漏檢測技術眾多，分類方法也很多元化。最基本的兩大類即周期性泄漏檢測方法和在線泄漏檢測方法。而在線泄漏檢測方法又分為內部檢測法和外部檢測法。內部檢測法通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集管道內流體的流量、壓力、溫度等，判斷管道是否泄漏，并可通過計算對泄漏進行監(jiān)測和定位。外部檢測法通過探測從管道漏失的流體及其所造成的管道外部環(huán)境參數(shù)改變來實現(xiàn)[1]。下文僅對幾種常見在線泄漏檢測方法做一個簡單介紹。

2.1 內部檢測法

2.1.1 管道平衡法

在正常運行狀態(tài)下，管道的輸入和輸出量應該相等。一旦發(fā)生管道破裂導致泄漏時，管道輸入與輸出測量值將出現(xiàn)不平衡，從而可判斷出管道內是否有泄漏發(fā)生。

2.1.2 統(tǒng)計分析法

統(tǒng)計分析法根據(jù)管道進出站的流量和壓力，連續(xù)計算泄漏的統(tǒng)計概率。確定管道發(fā)生泄漏后，通過統(tǒng)計平均值估算泄漏量，并利用最小二乘法進行泄漏定位[2]。

2.1.3 負壓波法

管道發(fā)生泄漏時，泄漏點作為壓力波源，通過氣體介質以聲速從泄漏點朝管道上下游傳播。在管道兩端安裝的壓力傳感器捕捉到負壓波信息，即可檢查出泄漏。通過負壓波在管道內傳播的速度和到達管道兩端的時間差可確定泄漏位置。

2.2 外部檢測法

2.2.1 聲波法

聲波法是將泄漏時產(chǎn)生的噪聲作為信號源，由聲波傳感器采集該信號，從而確定泄漏位置和泄漏程度。

2.2.2 分布式光纖法

分布式光纖法基于光纖波導現(xiàn)象，利用一根光纖作為敏感元件，當光源發(fā)出的激光脈沖經(jīng)過光纖或射出光纖時受到外界因素（如溫度、壓力等）的影響，光的特性被調制，根據(jù)處理傳感器接收到的數(shù)據(jù)信號可得到外界參數(shù)的變化，實現(xiàn)對物理量的測量[3]。分布式光纖法主要分為分布式溫度傳感法和分布式振動傳感法。

①分布式溫度傳感法。該方法的基本原理是根據(jù)管道中輸送的流體泄漏后，改變管道周圍的溫度，沿管道敷設的光纖檢測溫度的變化，當溫度變化量超過一定的范圍，就認為管道泄漏。②分布式振動傳感法。該方法的基本原理是管道泄漏后，會產(chǎn)生聲波，光纖檢測到聲波（或振動），系統(tǒng)便會報警。該方法靈敏度高、可檢測管道泄漏、挖掘、機械施工等事件。

2.3 紅外光譜氣體云成像法

紅外光譜氣體云成像技術使用氣體云成像相機來檢測出長波長（7.5～14.5 μm）紅外光譜。相機安裝在一個可移動的基座上，可通過程序使其連續(xù)而系統(tǒng)地移動掃過廣大區(qū)域，對全部廠區(qū)進行有效監(jiān)控，一旦發(fā)生泄漏將自動報告光學圖像[4]。

3 某高含硫項目對管道檢漏系統(tǒng)的選擇

四川某高含硫項目的管道具有穿越地形復雜，運行壓力高（大于7 MPa），輸送介質含高濃度硫化氫（約12%～15%），腐蝕性強，毒性大的特點，一旦發(fā)生管道泄漏，不但影響管道系統(tǒng)運行和生產(chǎn)，同時將威脅管道沿線居民的生命安全，并對環(huán)境造成污染。通過對管道失效后果進行評估，根據(jù)API 1155中的4 類性能準則，制定了管道泄漏檢測系統(tǒng)的性能評價指標，要求系統(tǒng)需具備在線實時動態(tài)跟蹤管道運行狀況的功能，同時，能檢測到的泄漏量應≤1%的管道設計輸量，報警響應時間≤10min，誤報警頻次≤2 次/年且泄漏定位精度為監(jiān)測管段長度的1%。下面即從這幾方面對這幾種檢測方法進行對比（見表1）。

性能指標檢測到的最小泄漏量（≤1%的管道設計輸量）報警響應時間（≤10min）誤報警（2 次/年）泄漏定位精度（監(jiān)測管段長度的1%）管道平衡法統(tǒng)計分析法負壓波法聲波法分布式溫度傳感法(DTS)分布式聲波傳感法(DAS)紅外光譜氣體云成像法≤5%≤1%≤1%高較高≤1%很高較慢低快快較快高低低較較慢快 快低低較高 高較高較高較高很高很高高

從表1可以看出，這幾種檢漏系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，適用情況也各不相同，這給高含硫集輸系統(tǒng)管道檢漏方案的選擇帶來困難。在實際方案的制定中，需要了解管道的信息，正確分析管道工況，對檢測系統(tǒng)的性能指標進行優(yōu)先次序排列，然后從眾多的檢漏方法中進行篩選，最后選定最優(yōu)的解決方案。

通過對管道的風險進行評估，得出該項目管道最大的風險為沿途第三方挖掘/爆破作業(yè)，其次為管道接縫處以及由于腐蝕引起的管道微小泄漏。因此，對泄漏系統(tǒng)的靈敏性要求很高，而DAS 由于對管道周圍產(chǎn)生的振動十分敏感，因此可作為首選。同時，系統(tǒng)誤報率也是一個重要的考核指標。若系統(tǒng)誤報率太高，將使操作員失去對系統(tǒng)的信心，從而在真正泄漏警報發(fā)生時不能引起操作員的重視，導致不能及時發(fā)現(xiàn)泄漏并采取相應措施。報警響應時間的長短將決定從發(fā)生泄漏到泄漏被控制所需的時間。由于高含硫項目管道內輸送介質的危險性，一旦泄漏若不能得到及時控制，后果不堪設想。因此，基于以上考慮，在對檢漏系統(tǒng)的選擇上，會優(yōu)先考慮系統(tǒng)的靈敏度和可靠性，其次考慮系統(tǒng)的準確度。從上表的性能評價匯總可以看出，單一的管道泄漏檢測技術無法滿足要求，通常會使用多種泄漏檢測方法來提高管道泄漏檢測系統(tǒng)的靈敏性和準確度。最終該高含硫項目決定采用DAS 和紅外光譜氣體云成像法作為主要的泄漏檢測方案，同時配合使用DTS 和負壓波檢測技術對管道泄漏進行確認。

4 結語

綜上所述，管道泄漏檢測技術很多且還在不斷發(fā)展中，通過對現(xiàn)有各種管道檢漏系統(tǒng)技術的對比，可以看出單一檢測方法無法實現(xiàn)對管道的風險控制，因此在選擇合適的管道檢漏系統(tǒng)時需要根據(jù)管道的設計參數(shù)、傳輸介質的參數(shù)進行分析，建立針對特定管道的性能評價指標體系，對系統(tǒng)的靈敏度、定位精度、反應時間、成本進行綜合考慮。在現(xiàn)場應用中，通常會使用多種泄漏檢測方法結合的方案，從而提高管道泄漏檢測的靈敏度和泄漏點定位的精確度，達到提升管道檢漏系統(tǒng)綜合性能，及時準確地控制險情，保護環(huán)境和保障人們生命財產(chǎn)安全的目的。