大直徑管材泄漏監測技術研究

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：管道運輸系統保障已成為人們日常生活不可或缺的一部分。大直徑聚乙烯管道（PE管道）因其具有抗應力、耐磨損、耐腐蝕等特性，廣泛應用于燃氣輸送、廢水排放等方面。當前，管道泄漏事件時有發生，給人們的生命和財產安全帶來威脅。因此，開展管道監測技術研究，及時準確地發現管道泄漏等風險具有重要的現實意義。文章在介紹PE管道國內外發展歷史的基礎上，對比分析了近些年的管道泄漏監測方法，闡述了該領域的發展趨勢。

關鍵詞：PE管道；管道泄漏；監測技術

中圖分類號：TP277? 文獻標識碼：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）因其自身的高抗應力、耐磨損、耐腐蝕性，廣泛應用于眾多場合[3]。此外，PE管道還應用于城市或農村自來水管道系統、產業原料輸送管道以及船用或海水工程管道等領域[4，5]。

PE管道大多應用于長距離、跨區域的運輸場合，實際上大部分管道都是深埋于地下，給監測和維修帶來一定的挑戰[6]。而且這些管道的使用環境非常復雜，管道內傳輸的物質各不相同，容易造成管道的腐蝕。雖然在管道使用前已經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險，會造成嚴重的后果。尤其是天然氣管道，如果出現泄漏，可能會造成難以估量的損失，給城市居民生命財產安全埋下巨大隱患[7，8]。因此，對管道開展監測技術研究，及時準確地發現泄漏等風險并采取相應的措施具有十分重要的意義。

1? PE管道發展現狀

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、焊接技術等方面的研發力度，成績斐然，大幅提高了年產值。但由于相關先進技術封鎖和原料生產不足等因素，我國的PE產品和技術與發達國家相比還有一段不小的差距，中高端PE產品主要依賴國外進口。為了縮短與國外的差距，國內廠家正在加緊研發步伐，不斷研發PE管道新型材料和改良生產工藝，提高中高端產品競爭力，向高質量發展轉變[9]。

1933年，英國帝國化學工業集團公司首先發現了聚乙烯材質，尤其是第二次世界大戰爆發后，銅鐵等金屬出現短缺，許多國家開始在城市的燃氣輸送、輸水等領域應用塑料材質管道。實踐證明，因PE管道在使用壽命、耐腐蝕和抗磨損上優于金屬和其他塑料管材，得到廣泛的使用。時至今日，在大多數場合，無論是新鋪設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年新敷設燃氣管道中幾乎100%采用聚乙烯管道[10]。我國是從20世紀80年代初開始的PE管道研究工作，并在積累一定的技術基礎后，于1982年在上海鋪設一條PE材質的城鎮燃氣輸送管道。為了有力推進PE管道的研發和推廣，國家科委1987年把“聚乙烯燃氣管專用料研制和加工應用技術開發”列為國家“七五”攻關項目，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氣管網和“西氣東輸”項目工程[11]。目前，PE管道正在國內迅速地推廣普及，如圖1所示為一些典型的應用場景。

PE管道因其顯著優勢而得到廣泛使用，但在使用過程中發現，管道泄漏問題時有發生，尤其是長距離運輸中的泄漏問題更為嚴重。因此，如何在現如今紛繁復雜的管道網絡中構建一個較為完善的監測系統，實現實時準確的管道監測成為大家尤為關注的熱點問題，而管道有無泄漏監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、典型監測系統，以及所用到的關鍵裝置等進行了詳細的闡述。

2? 管道泄漏監測技術研究現狀

2.1? 管道泄漏主要監測方法

管道網絡鋪設得越來越復雜，相應地對管道泄漏監測技術的要求也越來越高。早期管道監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某一段管道的監測。該方法直觀有效，但耗費人力、速度較慢、實時性差[12]，只能發現已經泄漏的情況，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測方法。以下是目前常用的管道泄漏監測技術：

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隨傳輸物體一起運動，會在管壁上形成一個完整的磁場。當管道出現裂縫或者破損時，該部分的磁通會發生變化，能夠被相應的傳感器檢測到，發送回控制中心進行分析，從而獲得管道出現裂縫或發生破損的位置。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測，并且使用場合受限。

2）體積或質量平衡法[14]。在正常的運輸過程中，進入管道物質的質量或體積，應當與退出管道物質的質量或體積相當。若檢測到二者存在質量或體積差，則說明管道發生泄漏。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監測，但由于管道所處環境變化大、一些輸送的氣體本身存在彈性，容易出現誤判斷，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]。管道發生泄漏時，泄漏位置的壓力會發生突降，并且會在管道上形成一個遠低于管道內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，當檢測到有負壓波存在則說明管道發生了泄漏，通過分析負壓波傳輸到兩端的時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、響應速度快，但存在誤報率高的問題。只有管道出現突發壓降時才會產生負壓波，因此該方法主要應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指標和壓力數值；當管道出現泄漏時，傳感器會檢測到壓力變化，并且平均值遠低于正常值，然后轉向另一個穩態。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，大大增加了監測成本。

5）探地雷達法[18，19]。探地雷達法是采用雷達發射納秒級脈沖電磁信號，該信號耦合到管道的介質中，在泄漏過程中遇到不同介質會產生波阻界面，從而產生更強的反射信號。分析發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。該方法響應速度快、可靠性高、對環境的適應性強，但是成本高，容易在黏土中失效，對技術工的技術水平要求較高。

6）聲波法[20，21]。管道發生泄漏時，管壁內外的壓力差使得泄漏點處形成渦流，產生聲波。該聲波因泄漏的發生而持續存在，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、響應時間短、性價比高等特點，廣泛應用于管道監測（尤其是燃氣輸送管道監測）中。

2.2? 管道泄漏監測效果評價標準

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

1）定位精度。定位精度是指泄漏的實際位置與監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。敏感度是指管道發生泄漏的過程中，監測裝置發出警報的敏銳程度，也是衡量監測技術好壞的重要指標之一。

3）響應速度。響應速度是指從管道發生泄漏到監測技術發出泄漏警報的響應時間長短。響應速度緩慢，可能會導致更為嚴重的危害后果。因此在保證一定準確度的前提下響應速度越快越好。

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

5）環境適應度。環境適應度是指系統對環境變化的適應程度，適應程度高則表明系統可以在更多的場合使用。管道系統的鋪設范圍越來越大，同一系統所面對的環境也天差地別，所以監測裝置對環境的適應程度也是衡量監測系統好壞的一個重要指標。

6）維護要求。好的監測方法應該操作簡單，所需維護少或維護起來輕松快捷。

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

表1給出了以上幾種監測方法的性能指標對比。從表1中可以看出，基于聲波法的管道監測技術具有成本低、及時性好、定位準確、適應范圍廣等優勢，是一種較好的監測手段。

3? 管道泄漏監測系統構成

3.1? 管道泄漏監測系統硬件系統

基于互聯網和物聯網技術構建管道泄漏監測系統，圖2為一種典型的硬件系統構成。主要由傳感模塊、邊緣計算模塊、數據傳輸模塊、用戶監測平臺模塊、控制模塊等模塊組成。

1）傳感模塊。根據所采用監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處理，然后通過發送電路將數據傳輸給用戶終端

3）通信模塊。接收現場邊緣計算模塊傳輸回來的數據，存儲數據以供用戶監測平臺使用。

4）控制模塊。接收控制信號，據此控制管道閥門的開啟或關閉。泄漏發生時，用戶監測平臺會向控制模塊發出動作信號?？刂颇K接收到控制信號后關閉閥門，將管道泄漏帶來的危害降到最低

5）用戶監測平臺模塊。進行數據分析，判斷是否發生泄漏，是否需要發出警報，可實現以可視化形式顯示相關數據以及進行歷史數據查詢等。

3.2? 管道泄漏監測系統軟件系統

軟件系統所能實現的功能如下：

1）實時監控。將傳感器采集到的信息實時顯示在用戶界面。

2）歷史數據查詢。

3）靈活設置。進行傳感器量程設置、報警闕值設定。

4）預警功能。實時判斷是否發生泄漏，如發生泄漏則發出警報。

5）聯動控制功能。聯動聲光告警、發出關閉管道閥門的控制信號。對應的系統流程圖如圖3所示。

4? 某地管道泄漏監測案例

以某地城市供水管道數據為例進行管道泄漏監測方法的驗證。根據典型系統構成搭建具體的管道泄漏監測系統，如圖4所示。其中左側是傳感器及控制器端，安裝在管道設施上面，邊緣計算網關將其匯聚于一層，然后根據具體的業務需求，轉發到上層設施。

如圖5所示為管道1在某一時間段內運行時管道壓力和流量參數的數據曲線。從圖中可以看出，壓力和流量驟減，發生了泄漏，壓力和流量為零是關閉閥門后的狀態呈現，而后壓力和流量恢復表示管道修復完成，閥門重新開啟。該實驗驗證了所提管道泄漏監測系統的有效性。

5? 管道泄漏監測技術發展趨勢

隨著經濟的蓬勃發展，PE管道在各種惡劣環境中使用的頻率越來越高，管道所輸送的東西越來越復雜，如燃氣、石油、回注水等。這些物質附帶的微生物會在不同程度上腐蝕管道，從而誘發管道泄漏的風險。但現有監測技術只是在泄漏發生后發出警報，難以對泄漏發生的潛在風險進行可靠的預測。監測技術的發展方向將是管道泄漏在線監測技術和泄漏風險評估技術的有機融合，結合二者的優點，實現管道泄漏潛在風險的提前預判和泄漏發生的準確定位。并且，部分現役管道監測裝置的元器件在一些惡劣環境中容易發生故障，因此需要提升此類元器件惡劣工況下的適應性和可靠性。

隨著大數據時代的到來，數字化和智能化將是管道監測平臺未來的發展方向。管道監測技術應該融合物聯網、5G通信等技術，將所得數據實時傳輸到控制中心，實現管道監測的遠程數字化和可視化管理。

6? 結? 論

PE管道的廣泛使用，使得管道泄漏監測技術得到了長足的發展，衍生出種類繁多的監測方法。本文在闡述PE管道發展進程的基礎上，根據決定監測效果的評價指標，分析不同管道監測方法的優劣。結果表明，基于聲波法的管道監測技術具有成本低、及時性好、定位準確、適應范圍廣等優勢。未來管道泄漏監測將面臨更加惡劣和復雜的環境，監測技術將朝著高可靠性、高智能化的方向發展。

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作者簡介：何偉（1982—），男，漢族，福建福州人，教授，工學博士，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：高分子材料加工應用；陳紅星（1993—），男，漢族，福建南平人，講師，工學博士，研究方向：電力電子變流技術和智能控制。