大直徑管材泄漏監(jiān)測技術(shù)研究

何偉 鄭祥盤 魏作友 陳紅星

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.02.036

收稿日期：2023-06-28

摘? 要：管道運輸系統(tǒng)保障已成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡囊徊糠帧４笾睆骄垡蚁┕艿溃≒E管道）因其具有抗應(yīng)力、耐磨損、耐腐蝕等特性，廣泛應(yīng)用于燃氣輸送、廢水排放等方面。當(dāng)前，管道泄漏事件時有發(fā)生，給人們的生命和財產(chǎn)安全帶來威脅。因此，開展管道監(jiān)測技術(shù)研究，及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)管道泄漏等風(fēng)險具有重要的現(xiàn)實意義。文章在介紹PE管道國內(nèi)外發(fā)展歷史的基礎(chǔ)上，對比分析了近些年的管道泄漏監(jiān)測方法，闡述了該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：PE管道；管道泄漏；監(jiān)測技術(shù)

中圖分類號：TP277? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）02-0167-05

Research on Leakage Monitoring Technology for Large-diameter Pipes

HE Wei1，2， ZHENG Xiangpan1，2， WEI Zuoyou1， CHEN Hongxing2

（1.Fujian NewChoice Pipe Materials Science & Technology Co.， Ltd.， Quanzhou 362801， China;

2.College of Physics & Electronic Information Engineering， Minjiang University， Fuzhou? 350108， China）

Abstract： The guarantee of pipeline transportation system has become an indispensable part of people's daily life. Large diameter polyethylene pipes （PE pipes） are widely used in gas transportation， wastewater discharge， and other aspects due to their characteristics of stress resistance， wear resistance， and corrosion resistance. Currently， pipeline leakage incidents occur frequently， posing a threat to people's lives and property safety. Therefore， conducting research on pipeline monitoring technology and timely and accurately identifying risks such as pipeline leaks is of great practical significance. On the basis of introducing the development history of PE pipelines both domestically and internationally， this paper compares and analyzes the leakage monitoring methods of pipelines in recent years， and elaborates on the development trends in this field.

Keywords： PE pipeline; pipeline leakage; monitoring technology

0? 引? 言

隨著城市化進程的不斷加快，管道運輸系統(tǒng)保障已成為人民生活不可或缺的一部分，無論是天然氣等能源的輸送，還是廢氣、廢水等廢物的排放，都離不開管道運輸[1，2]。大直徑聚乙烯管道（PE管道）因其自身的高抗應(yīng)力、耐磨損、耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于眾多場合[3]。此外，PE管道還應(yīng)用于城市或農(nóng)村自來水管道系統(tǒng)、產(chǎn)業(yè)原料輸送管道以及船用或海水工程管道等領(lǐng)域[4，5]。

PE管道大多應(yīng)用于長距離、跨區(qū)域的運輸場合，實際上大部分管道都是深埋于地下，給監(jiān)測和維修帶來一定的挑戰(zhàn)[6]。而且這些管道的使用環(huán)境非常復(fù)雜，管道內(nèi)傳輸?shù)奈镔|(zhì)各不相同，容易造成管道的腐蝕。雖然在管道使用前已經(jīng)采取了一定的防腐蝕、防泄漏等處理并留有裕量，但因受管材、施工損傷等影響，管道還是面臨泄漏甚至破裂等風(fēng)險，會造成嚴(yán)重的后果。尤其是天然氣管道，如果出現(xiàn)泄漏，可能會造成難以估量的損失，給城市居民生命財產(chǎn)安全埋下巨大隱患[7，8]。因此，對管道開展監(jiān)測技術(shù)研究，及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)泄漏等風(fēng)險并采取相應(yīng)的措施具有十分重要的意義。

1? PE管道發(fā)展現(xiàn)狀

由于PE管道的使用越來越廣泛，各大公司加大了對PE管道專用材料、焊接技術(shù)等方面的研發(fā)力度，成績斐然，大幅提高了年產(chǎn)值。但由于相關(guān)先進技術(shù)封鎖和原料生產(chǎn)不足等因素，我國的PE產(chǎn)品和技術(shù)與發(fā)達國家相比還有一段不小的差距，中高端PE產(chǎn)品主要依賴國外進口。為了縮短與國外的差距，國內(nèi)廠家正在加緊研發(fā)步伐，不斷研發(fā)PE管道新型材料和改良生產(chǎn)工藝，提高中高端產(chǎn)品競爭力，向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變[9]。

1933年，英國帝國化學(xué)工業(yè)集團公司首先發(fā)現(xiàn)了聚乙烯材質(zhì)，尤其是第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，銅鐵等金屬出現(xiàn)短缺，許多國家開始在城市的燃氣輸送、輸水等領(lǐng)域應(yīng)用塑料材質(zhì)管道。實踐證明，因PE管道在使用壽命、耐腐蝕和抗磨損上優(yōu)于金屬和其他塑料管材，得到廣泛的使用。時至今日，在大多數(shù)場合，無論是新鋪設(shè)管道還是舊管道改造，PE管道均成為不二之選。在歐洲，PE管道的普及率極高，英國、丹麥等國均超過90%，法國1998年新敷設(shè)燃氣管道中幾乎100%采用聚乙烯管道[10]。我國是從20世紀(jì)80年代初開始的PE管道研究工作，并在積累一定的技術(shù)基礎(chǔ)后，于1982年在上海鋪設(shè)一條PE材質(zhì)的城鎮(zhèn)燃氣輸送管道。為了有力推進PE管道的研發(fā)和推廣，國家科委1987年把“聚乙烯燃氣管專用料研制和加工應(yīng)用技術(shù)開發(fā)”列為國家“七五”攻關(guān)項目，取得豐碩成果。十一五期間，我國提出PE管材覆蓋全國絕大部分城鄉(xiāng)氣管網(wǎng)和“西氣東輸”項目工程[11]。目前，PE管道正在國內(nèi)迅速地推廣普及，如圖1所示為一些典型的應(yīng)用場景。

PE管道因其顯著優(yōu)勢而得到廣泛使用，但在使用過程中發(fā)現(xiàn)，管道泄漏問題時有發(fā)生，尤其是長距離運輸中的泄漏問題更為嚴(yán)重。因此，如何在現(xiàn)如今紛繁復(fù)雜的管道網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建一個較為完善的監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)實時準(zhǔn)確的管道監(jiān)測成為大家尤為關(guān)注的熱點問題，而管道有無泄漏監(jiān)測則是其中最為核心的問題之一，下面就管道泄漏的理論方法、技術(shù)、典型監(jiān)測系統(tǒng)，以及所用到的關(guān)鍵裝置等進行了詳細的闡述。

2? 管道泄漏監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1? 管道泄漏主要監(jiān)測方法

管道網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)得越來越復(fù)雜，相應(yīng)地對管道泄漏監(jiān)測技術(shù)的要求也越來越高。早期管道監(jiān)測采用人工分段巡檢的方式，即分批分組安排一部分人負責(zé)某一段管道的監(jiān)測。該方法直觀有效，但耗費人力、速度較慢、實時性差[12]，只能發(fā)現(xiàn)已經(jīng)泄漏的情況，對存在管道破裂泄漏隱患的情況不能及早察覺。因此，人工巡檢不能成為主流，只能作為一種輔助手段，我們需要采取一些更先進、更智能的管道泄漏監(jiān)測方法。以下是目前常用的管道泄漏監(jiān)測技術(shù)：

1）清管器法[13]。最常用的是漏磁清管器，即磁性清管器在管道內(nèi)隨傳輸物體一起運動，會在管壁上形成一個完整的磁場。當(dāng)管道出現(xiàn)裂縫或者破損時，該部分的磁通會發(fā)生變化，能夠被相應(yīng)的傳感器檢測到，發(fā)送回控制中心進行分析，從而獲得管道出現(xiàn)裂縫或發(fā)生破損的位置。該方法的靈敏度和定位精度都很高，但清管器的價格昂貴，無法做到實時在線監(jiān)測，并且使用場合受限。

2）體積或質(zhì)量平衡法[14]。在正常的運輸過程中，進入管道物質(zhì)的質(zhì)量或體積，應(yīng)當(dāng)與退出管道物質(zhì)的質(zhì)量或體積相當(dāng)。若檢測到二者存在質(zhì)量或體積差，則說明管道發(fā)生泄漏。該方法使用一些常用的測量儀器（如流量計、溫度計或壓力表等），適合輸氣管道的連續(xù)監(jiān)測，但由于管道所處環(huán)境變化大、一些輸送的氣體本身存在彈性，容易出現(xiàn)誤判斷，并且還存在定位精度低和實時性差等缺點。

3）負壓波法[15，16]。管道發(fā)生泄漏時，泄漏位置的壓力會發(fā)生突降，并且會在管道上形成一個遠低于管道內(nèi)部壓力的低密度縱波即負壓波。負壓波法的原理是在管道兩端安裝壓力傳感器，當(dāng)檢測到有負壓波存在則說明管道發(fā)生了泄漏，通過分析負壓波傳輸?shù)絻啥说臅r間差和傳輸速度即可定位管道泄漏位置。該方法靈敏度高、定位精度高、響應(yīng)速度快，但存在誤報率高的問題。只有管道出現(xiàn)突發(fā)壓降時才會產(chǎn)生負壓波，因此該方法主要應(yīng)用在泄漏量較大的場景，不適用于緩慢泄漏的檢測。

4）壓力點分析法[17]。壓力點分析法的原理是在管道沿線布置傳感器，先記錄管道正常工作時的參數(shù)指標(biāo)和壓力數(shù)值；當(dāng)管道出現(xiàn)泄漏時，傳感器會檢測到壓力變化，并且平均值遠低于正常值，然后轉(zhuǎn)向另一個穩(wěn)態(tài)。以上變化過程會被沿線的傳感器所捕捉到，然后將這一變化過程傳輸回指揮中心進行分析，確定泄漏的地方。但該方法需要獲取初始泄漏的瞬時信息，所以無法檢測到微小的泄漏；若要提高定位精度，則需要配置更多的傳感器，大大增加了監(jiān)測成本。

5）探地雷達法[18，19]。探地雷達法是采用雷達發(fā)射納秒級脈沖電磁信號，該信號耦合到管道的介質(zhì)中，在泄漏過程中遇到不同介質(zhì)會產(chǎn)生波阻界面，從而產(chǎn)生更強的反射信號。分析發(fā)射信號與接收信號的差別，可以確定埋地管道泄漏所在的位置。該方法響應(yīng)速度快、可靠性高、對環(huán)境的適應(yīng)性強，但是成本高，容易在黏土中失效，對技術(shù)工的技術(shù)水平要求較高。

6）聲波法[20，21]。管道發(fā)生泄漏時，管壁內(nèi)外的壓力差使得泄漏點處形成渦流，產(chǎn)生聲波。該聲波因泄漏的發(fā)生而持續(xù)存在，并且具有寬頻譜。通過管道兩端的傳感器采集聲波信息并進行頻譜分析，可以得到管道泄漏的位置和聲波強度等信息。該方法因具有定位精度高、響應(yīng)時間短、性價比高等特點，廣泛應(yīng)用于管道監(jiān)測（尤其是燃氣輸送管道監(jiān)測）中。

2.2? 管道泄漏監(jiān)測效果評價標(biāo)準(zhǔn)

需要采用一些指標(biāo)來評價和比較不同管道泄漏監(jiān)測方法的優(yōu)劣。例如，通過管道泄漏位置的定位精度、從泄漏發(fā)生到監(jiān)測到泄漏的時間長短、泄漏誤報或泄漏漏報，以及監(jiān)測方法對環(huán)境適應(yīng)程度等指標(biāo)來衡量監(jiān)測方法的優(yōu)劣。通常采用幾個主要指標(biāo)來衡量管道泄漏監(jiān)測效果[22]：

1）定位精度。定位精度是指泄漏的實際位置與監(jiān)測算法所確定位置之間的誤差大小，誤差越小表示定位精度越高，而提高定位精度可以為搶修泄漏爭取寶貴的時間。

2）敏感度。敏感度是指管道發(fā)生泄漏的過程中，監(jiān)測裝置發(fā)出警報的敏銳程度，也是衡量監(jiān)測技術(shù)好壞的重要指標(biāo)之一。

3）響應(yīng)速度。響應(yīng)速度是指從管道發(fā)生泄漏到監(jiān)測技術(shù)發(fā)出泄漏警報的響應(yīng)時間長短。響應(yīng)速度緩慢，可能會導(dǎo)致更為嚴(yán)重的危害后果。因此在保證一定準(zhǔn)確度的前提下響應(yīng)速度越快越好。

4）誤報/漏報率。誤報是指沒有發(fā)生泄漏而監(jiān)測系統(tǒng)卻發(fā)出了泄漏警報；漏報是指發(fā)生了泄漏但監(jiān)測系統(tǒng)卻沒有發(fā)出警報。這兩種情況都是我們不希望看到的，因此需要盡量降低監(jiān)測系統(tǒng)的誤報/漏報率。

5）環(huán)境適應(yīng)度。環(huán)境適應(yīng)度是指系統(tǒng)對環(huán)境變化的適應(yīng)程度，適應(yīng)程度高則表明系統(tǒng)可以在更多的場合使用。管道系統(tǒng)的鋪設(shè)范圍越來越大，同一系統(tǒng)所面對的環(huán)境也天差地別，所以監(jiān)測裝置對環(huán)境的適應(yīng)程度也是衡量監(jiān)測系統(tǒng)好壞的一個重要指標(biāo)。

6）維護要求。好的監(jiān)測方法應(yīng)該操作簡單，所需維護少或維護起來輕松快捷。

7）性價比。性價比是指管道監(jiān)測系統(tǒng)的性能值與成本值之比，確保監(jiān)測系統(tǒng)擁有良好的性價比。

表1給出了以上幾種監(jiān)測方法的性能指標(biāo)對比。從表1中可以看出，基于聲波法的管道監(jiān)測技術(shù)具有成本低、及時性好、定位準(zhǔn)確、適應(yīng)范圍廣等優(yōu)勢，是一種較好的監(jiān)測手段。

3? 管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

3.1? 管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)

基于互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，圖2為一種典型的硬件系統(tǒng)構(gòu)成。主要由傳感模塊、邊緣計算模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、用戶監(jiān)測平臺模塊、控制模塊等模塊組成。

1）傳感模塊。根據(jù)所采用監(jiān)測方法和需要獲取的信息選擇合適的傳感器，如需要獲取壓力信息則選取壓力傳感器，需要獲取溫度信息則選取溫度傳感器。

2）邊緣計算模塊。以一定的模式對采集到的信息進行預(yù)處理，然后通過發(fā)送電路將數(shù)據(jù)傳輸給用戶終端

3）通信模塊。接收現(xiàn)場邊緣計算模塊傳輸回來的數(shù)據(jù)，存儲數(shù)據(jù)以供用戶監(jiān)測平臺使用。

4）控制模塊。接收控制信號，據(jù)此控制管道閥門的開啟或關(guān)閉。泄漏發(fā)生時，用戶監(jiān)測平臺會向控制模塊發(fā)出動作信號。控制模塊接收到控制信號后關(guān)閉閥門，將管道泄漏帶來的危害降到最低

5）用戶監(jiān)測平臺模塊。進行數(shù)據(jù)分析，判斷是否發(fā)生泄漏，是否需要發(fā)出警報，可實現(xiàn)以可視化形式顯示相關(guān)數(shù)據(jù)以及進行歷史數(shù)據(jù)查詢等。

3.2? 管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)所能實現(xiàn)的功能如下：

1）實時監(jiān)控。將傳感器采集到的信息實時顯示在用戶界面。

2）歷史數(shù)據(jù)查詢。

3）靈活設(shè)置。進行傳感器量程設(shè)置、報警闕值設(shè)定。

4）預(yù)警功能。實時判斷是否發(fā)生泄漏，如發(fā)生泄漏則發(fā)出警報。

5）聯(lián)動控制功能。聯(lián)動聲光告警、發(fā)出關(guān)閉管道閥門的控制信號。對應(yīng)的系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

4? 某地管道泄漏監(jiān)測案例

以某地城市供水管道數(shù)據(jù)為例進行管道泄漏監(jiān)測方法的驗證。根據(jù)典型系統(tǒng)構(gòu)成搭建具體的管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，如圖4所示。其中左側(cè)是傳感器及控制器端，安裝在管道設(shè)施上面，邊緣計算網(wǎng)關(guān)將其匯聚于一層，然后根據(jù)具體的業(yè)務(wù)需求，轉(zhuǎn)發(fā)到上層設(shè)施。

如圖5所示為管道1在某一時間段內(nèi)運行時管道壓力和流量參數(shù)的數(shù)據(jù)曲線。從圖中可以看出，壓力和流量驟減，發(fā)生了泄漏，壓力和流量為零是關(guān)閉閥門后的狀態(tài)呈現(xiàn)，而后壓力和流量恢復(fù)表示管道修復(fù)完成，閥門重新開啟。該實驗驗證了所提管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的有效性。

5? 管道泄漏監(jiān)測技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，PE管道在各種惡劣環(huán)境中使用的頻率越來越高，管道所輸送的東西越來越復(fù)雜，如燃氣、石油、回注水等。這些物質(zhì)附帶的微生物會在不同程度上腐蝕管道，從而誘發(fā)管道泄漏的風(fēng)險。但現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)只是在泄漏發(fā)生后發(fā)出警報，難以對泄漏發(fā)生的潛在風(fēng)險進行可靠的預(yù)測。監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向?qū)⑹枪艿佬孤┰诰€監(jiān)測技術(shù)和泄漏風(fēng)險評估技術(shù)的有機融合，結(jié)合二者的優(yōu)點，實現(xiàn)管道泄漏潛在風(fēng)險的提前預(yù)判和泄漏發(fā)生的準(zhǔn)確定位。并且，部分現(xiàn)役管道監(jiān)測裝置的元器件在一些惡劣環(huán)境中容易發(fā)生故障，因此需要提升此類元器件惡劣工況下的適應(yīng)性和可靠性。

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，數(shù)字化和智能化將是管道監(jiān)測平臺未來的發(fā)展方向。管道監(jiān)測技術(shù)應(yīng)該融合物聯(lián)網(wǎng)、5G通信等技術(shù)，將所得數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)娇刂浦行模瑢崿F(xiàn)管道監(jiān)測的遠程數(shù)字化和可視化管理。

6? 結(jié)? 論

PE管道的廣泛使用，使得管道泄漏監(jiān)測技術(shù)得到了長足的發(fā)展，衍生出種類繁多的監(jiān)測方法。本文在闡述PE管道發(fā)展進程的基礎(chǔ)上，根據(jù)決定監(jiān)測效果的評價指標(biāo)，分析不同管道監(jiān)測方法的優(yōu)劣。結(jié)果表明，基于聲波法的管道監(jiān)測技術(shù)具有成本低、及時性好、定位準(zhǔn)確、適應(yīng)范圍廣等優(yōu)勢。未來管道泄漏監(jiān)測將面臨更加惡劣和復(fù)雜的環(huán)境，監(jiān)測技術(shù)將朝著高可靠性、高智能化的方向發(fā)展。

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作者簡介：何偉（1982—），男，漢族，福建福州人，教授，工學(xué)博士，研究方向：交通運輸工程；鄭祥盤（1981—），男，漢族，福建三明人，教授，工學(xué)博士，研究方向：機械裝備及其自動化研究；魏作友（1969—），男，漢族，福建南平人，高級工程師，本科，研究方向：高分子材料加工應(yīng)用；陳紅星（1993—），男，漢族，福建南平人，講師，工學(xué)博士，研究方向：電力電子變流技術(shù)和智能控制。