管道安全監測研究綜述

劉兵 王杰 孟龍

摘要：隨著經濟社會的發展，石油、天然氣、水煤漿等能源的消耗量越來越大，管道運輸憑借其投資建設相對較小、占地面積小、運輸量大、有利于環保等優點在全世界各國都越來越受到重視，得到了廣泛應用。由于管道的逐漸增多和老化，事故也逐漸增多，如何有效地監測管道的安全狀態成為學者們的研究重點。本文介紹了管道安全監測應用廣泛的幾類技術，闡述近幾年國內外研究現狀，最后對我國管道安全監測的發展進行展望。

關鍵詞：管道運輸;泄漏;安全監測;檢測技術

1???? 引言

能源問題事關我國的經濟社會發展、社會的穩定以及國家安全，是重大戰略問題，能源消耗的逐漸增多，是社會發展的基本規律。我國的人均資源占有率較低，大量資源需要依賴進口，以石油為例：1993年，我國成為石油凈進口國[1]，2003年我國的石油進口量超過1億噸，成為僅次于美國的世界第二大石油消費國，我國石油的對外依存度也已經達到了40%[2]。能源的安全及時供給已成為我國經濟社會能否持續穩定發展的決定性因素。

能源運輸方式主要有公路、鐵路、水運、空運和管道運輸五種方式，管道運輸憑借其具有投資建設相對較小、占地面積小、密閉性好、不間斷、較為環保等優點成為重要的運輸方式。管道在現代化的工業生產和人們生活中占有相當重要的位置，其在輸送水、油、氣、煤以及通信、供電、交通、運輸和排水等方面得到了廣泛的應用，因而被稱為生命線工程[3]。占我國能源生產的比例超過75%的煤炭[4]，將其制成水煤漿再進行管道運輸也成為近年來相關企業的發展重點，由此可見管道運輸對于我國能源運輸的重要性。

但由于大多數運輸管道已經服役數十年進入了“老齡期”，近年來安全事故頻發，造成了人員傷亡、環境污染、能源浪費以及巨大經濟損失等嚴重后果，管道的安全監測問題成為近年來研究學者以及企業的研究重點。

2???? 運輸管道的安全問題分析

據國外有關數據，1971年全世界大約有70%的管道的管齡在10年以下，到1995年只有8%的管道的管齡在10年以下，而管齡超過35年的管道在30%左右[5]，老齡化的管道很容易發生事故。有較多管道在設計中存在不合理性，比如從天然氣管道設計中可以看出，例如像管線的布置缺少一定的合理性、管道的強度未能達到標準要求以及在實際設計過程中，沒有充分考慮到熱力等計算[6]。由于通常管道都被深埋在土地里，土壤可以直接破壞老化的防腐層，造成管道外層金屬的腐蝕。很多管道會運輸帶有酸性的流體，容易造成管道內層金屬的腐蝕。管道建設的周期通常較久，施工地形往往也較為復雜，對于工人的專業能力素質有較高的要求，因此很多管道的施工質量達不到要求，埋下了安全隱患。管道的占壓情況十分嚴重，管道占壓會因人為活動的增多而給管道帶來額外的失效風險[7]。人為破壞也是引發管道安全問題的重要因素之一，包括偷盜以及對政府怨恨而故意破壞等，此類破壞在總的發生事故中占有的百分率有15%左右[8]。

3???? 傳統監測技術

3.1? 基于介質的技術

（1）???? 人工監測法。這是早期管道安全監測的主要方式，工作人員分段巡視管道，通常運輸介質中會加入臭味劑，工作人員或者經過培訓的動物通過觀察、聞味、聽等方式判斷管道是否出現安全問題。臭味劑多為硫化物，其中四氫噻吩使用最為廣泛[9]。此法優點是簡單易行，對于大事故不會誤報，缺點是靈敏度低，依賴工作人員的經驗，不能連續檢測，目前該法基本已經被其他先進方法取代。

（2）???? 土壤監測法。此法也稱為氣體敏感法，通過采集分析管道周圍土壤判斷是否出現泄漏，隨著科技的進步該法的靈敏度和精確度可以逐漸提升。

（3）???? 空氣采樣法。原理和土壤監測法類似，只不過采集的對象是管道周圍的空氣，利用檢測儀器對管道周圍的空氣進行采集分析，若空氣中含有泄漏氣體的濃度超過閾值則進行報警。儀器主要有火焰電離檢測器和可燃性氣體檢測器。

3.2? 基于管道壁參數的監測技術

（1）???? 漏磁通檢測法。該方法是由磁粉檢測技術發展起來的，利用磁現象來檢測管道表面及近表面缺陷的一種無損檢測方法[10]。

（2）???? 超聲波檢測法。該法利用超聲波檢測器發出超聲波脈沖，再由檢測器探頭接收反彈波，由于有損傷的管道壁會導致超聲波的反彈波接收時間不一致，從而檢測出管道內部是否有損傷。

（3）???? 渦流檢測法。渦流檢測器采用在一對一次線圈通以微弱電流，使管道內壁面因電磁感應產生渦流，再以安放在一次線圈之間的二次線圈進行檢測，檢測出管壁情況[11]。

（4）???? 照相檢測法和錄像檢測法。該法是將攝像機直接安裝在管道內探測器上，利用運輸的液體介質驅動探測器在管道內移動，同時對管道內部進行拍照和錄像。

3.3? 基于光纖的監測技術

此法需要先在管道表面上鋪設光纖，原理是管道的泄漏會產生寬帶聲波信號，該聲壓使鋪設在管道表面的光纖產生光學相位信號。基于該原理，可采用相關儀器進行干涉。干涉后，通過寬帶相位生成載波電路調解產生的感知相位信號，從而確定出產生泄漏的地方。此類技術包括準分布式光纖檢測法、多光纖探頭遙測法、塑料包覆石英（PCS）光纖傳感器檢測法、光纖溫度傳感器檢測法等。

3.4? 基于聲學的監測技術

此法原理是當運輸管道發生泄漏等事故時，產生的高頻振動噪聲會沿著管道壁傳播，安裝在管道上的檢測器會捕捉這些信號并加以分析，判斷是否發生泄漏。常用的監測方法有聲波法和聲發射法。

（1）???? 應力波法。先將對泄漏噪聲十分敏感的傳感器安裝在管道上，對接收到的管道應力波信號功率譜的變化進行分析，便可分析出是否發生泄漏。

（2）???? 負壓波法。當泄漏事故發生時，發生泄漏處的運輸流體密度會減小，導致瞬時壓力下降，以泄漏前的壓力為標準，產生的減壓波被叫做負壓波，通過分析負壓波便可確定出泄漏點。

（3）???? 聲發射法。當管道發生泄漏事故，通過泄漏處的流體向外噴射會形成聲源，進而形成聲波，通過對這些聲波進行采集和分析處理，就可以判斷出泄漏處。

3.5? 基于軟件的監測技術

隨著計算機、信號處理、模式識別等技術的迅速發展，基于軟件的監測方法越來越受到人們的關注，逐漸成為管道安全監測技術的主流和趨勢。這類方法的原理主要是對實時采集的壓力、流量和溫度等信號進行實時分析和處理，以此來監測泄漏并定位，有質量/ 流量平衡法、流量或壓力突變法、壓力梯度法、壓力點分析法、相關分析法、實時模型法等。

4???? 國內外研究現狀

國外輸油管道管理先進的國家，如美國、英國、法國等，自上世紀70年代以來，就開始了管道泄漏檢測技術的研究，并在許多油氣管道上安裝了泄漏監測系統，取得了顯著的效果。近年來的國外研究已經相當先進，著重研究提高精確度并降低成本。我國的管道安全監測技術研究起步較晚，但發展很快。

導波超聲（GUWs）在管道安全監測中的應用已有三十多年的歷史，與傳統的振動技術相比，GUW技術的優勢在于它能夠檢測出管道在滿意長度上的微小損傷，但由于該系統的物理特性非常復雜，這使得基于模型的技術在計算上難以實現，基于統計學習算法的數據驅動方法更適合于這種情況。Debarshi Sen[12]等提出一種基于數據驅動的半監督和監督學習算法，除了避免使用基于模型的方法之外，該方法還有助于減少部署的傳感器數量，從而降低維護成本該法有助于減少部署的傳感器數量從而降低維護成本，并證明可以精確地檢測和定位兩個不同長度的管道上的裂紋。

即使是連續工作的泵振動，也有足夠的聲信號進行可靠的損傷定位，由于管道在工業裝置中逐漸磨損，其聲足跡與以前在周期性損壞的管道中所確定的相似。Bouko Vogelaar[13]等研究了劣化管道的時移聲監測，使用近焊縫反射技術以及拆卸和重新組裝的傳感器環，成功地應用于工業管道運行期間的結構健康監測。

金屬腐蝕是人類面對的一個重大課題，給人類帶來了巨大損失，運輸管道的金屬腐蝕問題也一直在發生，越來越成為近年來的研究重點。王健[14]研究了管道在線超聲波腐蝕監測技術，著重研究并設計了管道超聲波腐蝕檢測系統中的超聲波發射電路和超聲波接收電路，根據超聲波腐蝕檢測的原理對管道超聲波腐蝕檢測系統進行了整體設計，通過實驗測得的數據精確度較高，可以滿足化工廠腐蝕檢測的需求。丁守寶[15]等研究了高溫管道腐蝕狀況的在線監測，通過實驗數據的對比分析，得出基于磁致伸縮效應的超聲導波技術可以實現高溫管道腐蝕的在線監測，并指出目前管道超聲導波監測技術應用中存在的問題并提出了展望。于海洋[16]研究了直埋供熱管道銹蝕監測，提出了一種有效監測管道外壁銹蝕的方法，通過實驗方法建立供熱管道的銹蝕模型，利用光纖傳感器監測直埋管道外壁的銹蝕情況，實現對整個管網的管道外壁的實時、分布式監測，得到管道外壁的銹蝕速率隨時間的變化關系。

中國北斗衛星導航系統（BDS）是中國自行研制的全球衛星導航系統，致力于向全球用戶提供高質量的定位，導航和授時服務，包括開放服務和授權服務兩種方式。是繼美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）之后第三個成熟的衛星導航系統。利用北斗定位技術可以實現管道沿線地質災害的監測與預警，以期減少地質災害對油氣管道造成的威脅與破壞。張洪奎[17]利用北斗定位技術實現了在管道地質災害監測與預警的應用，結合研究區前期有效降雨量與預報降雨量建立了地質災害預警模型，通過手機預警APP按輸油處、輸油站分級分權限推送紅、橙、黃、藍4個等級的預警信息，研究結果可為油氣管道地質災害實時監測與預警的智能化應用提供參考。郭翌寒[18]提出基于北斗的管線安全預警系統的設計與實現，系統綜合了GIS空間分析、物聯網實時監測預警、管網專業模型和分析模型集成等技術，該系統的構建有助于大幅提升防災能力，推進城市建設與數字化城市管理系統、智慧城市的融合。

5結語

管道的安全監測無論對于現在還是將來都是極其重要的，是保證國家能源安全穩定供給的重中之重，我國管道安全監測的起步相對外國較晚，許多理論研究還只是停留在理論階段。我國企業和研究人員可以通過改進傳感器提升接收危險信號的靈敏度，改進算法提高檢測的分辨力度等方面提升管道安全監測的效率。沒有一種監測技術或方法是萬能的，都有各自的優缺點，所以應該因地制宜地開展實驗和應用，大力發展和完善管道的安全監測技術，同時也要考慮到成本，切實提高我國管道安全監測技術水平。

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作者簡介：

劉兵（1995.04）男，漢族，河南省信陽市，研究生，研究方向：智能物流系統.