天然氣管道泄漏檢測與定位技術

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、人為等原因導致的天然氣管道泄漏事故時有發生，不僅造成自然資源的浪費、環境的污染，而且也影響正常的生產和生活，危害人類的身心健康，造成人類生命財產的巨大損失。因此，如何根據天然氣管道運行信號，及時發現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實意義和廣闊的應用前景。

【關鍵詞】天然氣管道；泄漏檢測；技術指標；泄漏定位

【前言】

隨著我國海洋油氣資源開發力度不斷加大，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境中，承受著復雜的工作載荷、環境載荷及意外風險載荷（錨泊、拖網、碰撞等），故海底管道的泄漏及結構損壞等事故屢見不鮮。海底管道承擔著輸送石油、天然氣以及其他介質等重要任務，一旦發生失效，不僅維修與更換極其困難，而且影響正常生產運輸，污染海洋環境，給國家經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，必須在有天然氣泄漏發生時，及時地發現泄漏并能準確地指出管道泄漏的發生位置，而且能適應管道周圍的復雜自然環境和運行工況變化，亦即要求管道泄漏檢測與定位系統的誤報率、漏報率低，而魯棒性強，同時還應便于維護。一般采用如下幾個指標來衡量。

（一）靈敏性。

泄漏檢測系統能夠檢測從天然氣管道發生滲漏直至管道斷裂全部范圍內的泄漏情況，并發出正確的報警提示，包括系統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。

定位精度指系統能夠檢測出的泄漏位置與實際泄漏位置的差異，當天然氣管道發生不同等級的泄漏時，檢測系統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）響應時間。

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

（四）評估能力。檢測系統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）適應能力。檢測系統對天然氣管道的運行工況變化的適應性，對不同的管道周圍環境，不同的天然氣介質及管道拓撲結構發生變化時，均有效。

（六）有效性?？蛇B續檢測管道泄漏的能力。

（七）維護要求。檢測系統使用和維護的簡易性，當檢漏系統出現故障時，要容易調整，可盡快修好。

（八）性價比。檢測系統所能提供的檢測性能與系統投資、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

海底管道檢測技術是進行完整性評價的基礎和前提，檢測技術水平的高低決定完整性評價的準確程度。海底管道檢測技術主要包括外檢測技術和內檢測技術。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、第三方活動導致的涂層損傷與機械損傷、外保護層系統及腐蝕電位讀數等進行診斷。管道外檢測通常由潛水員和潛水器在水下完成，技術方法除了傳統的目視檢測外，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、遙控設備等海上運輸設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。根據需要檢測的內容和管道的深度，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，需采用遙控設備。海底管道內檢測通常是在不影響油氣正常運輸的情況下，根據漏磁、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。管道內檢測主要利用各種內檢測儀器設備來完成，內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的裂紋檢測儀等。管內檢測器的選擇必須根據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

管內檢測法

管內檢測法一般基于磁通、渦流、攝像等通球技術，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中應用最為普遍，該裝置在管道內靠氣缸伸縮產生蠕動前進，前進過程中隨帶的信號采集系統就會收集天然氣管道內壁信息，由于鐵磁性材料與缺陷處介質的導磁率不同，理論上當管道內壁表面完好無缺陷時，其磁力線全部通過由鐵磁材料構成的被測物；一旦管道內壁存在缺陷，缺陷處的磁阻將變化，從而磁通會在缺陷處發生畸變。利用相關軟件對爬機采集的漏磁信號數據進行分析處理后，可以得到管內壁厚度、腐蝕狀況、粗糙度等信息，當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、周圍自然環境不同而導致其流向不同、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驗和主觀判斷關系重大。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于管道外，當天然氣泄漏時造成光纖傳輸損耗增加，當傳感器接受的光強低于設定值時，系統就會發出警報。

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則的熱輻射效應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實時檢測，發現泄漏的實時性差，同時其檢測成本高，對管道的敷設深度也有一定限制。

負壓波法

負壓波法是在國內研究較多的一種方法，當管道某處突然發生泄漏時，泄漏處將出現瞬態壓力突降，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

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

聲波法

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

結束語：

泄漏是天然氣管道安全輸送的主要隱患，如何預防泄漏事故的發生，保證全線安全穩定運行是一個綜合性課題。管道泄漏檢測是多領域、跨學科的課題，涉及到流體力學、傳感技術、微弱信號檢測、信號處理等多個學科，世界上對管道泄漏監測技術的研究已經有幾十年的歷史，但由于管道運行過程的復雜因素，使得至今沒有一種權威通用并且簡單可靠的泄漏監測辦法。當泄漏過程緩慢時，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濟合適的泄漏檢測方法，還需要從管道設計、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生。

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