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輸氣管道泄露檢測技術(shù)進(jìn)展

文檔作者：宮克，冷俊，潘一，曹成龍，王彥博，康超男，段元蒙文檔來源：遼寧石油化工大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年11月17日
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第43卷第12期
2014年12月
當(dāng) 代 化 工
Contemporary Chemical Industry
Vo1．43，No．12
December，201 4
輸氣管道泄露檢測技術(shù)進(jìn)展
宮克，冷俊，潘一，曹成龍，王彥博，康超男，段元蒙
(遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧撫順113001)
摘 要：輸氣管道泄露檢測技術(shù)是在管道出現(xiàn)老化、腐蝕、人為破壞和自身缺陷等問題時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并做
出報(bào)警反應(yīng)的檢測技術(shù)。輸氣管道泄漏不僅會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且外漏后的天然氣也存在嚴(yán)重的安全隱
患，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，容易造成重大事故。因此管道檢漏技術(shù)就是油氣安全運(yùn)輸?shù)谋Ｕ?。首先對檢漏技術(shù)進(jìn)行了
分類，并著重對紅外線成像檢漏技術(shù)、負(fù)壓波檢測技術(shù)、漏磁檢漏技術(shù)、分布式光纖檢漏技術(shù)等9種新型的間
接檢漏技術(shù)進(jìn)行了原理分析、進(jìn)展介紹和適應(yīng)性評價(jià)，最后對管道檢漏技術(shù)的發(fā)展前景做出了展望。
關(guān)鍵詞：管道檢漏；紅外線；負(fù)壓波；嗅覺傳感器；氣體成像
中圖分類號：TE 832 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671—0460(2014)12—2663—03
Research Progress in Leaking Detection Technology for Gas
Transmission Pipelines
GONG Ke，LENG Jun， Ⅳ Yi，CAO Cheng-long，WANG Yah—bo，KANG Chao—nan，DUAN Yuan—meng
(Liaoning Shihua University,Liaoning Fushun 113001，China)
Abstract：Gas pipeline leak detection technology is a detection techn ology of discovering and making detection alarm
reaction when the pipeline is becoming aging，eo~osion，man—made destruction and its defects．The leakage from gas
pipelines will not only bring huge economic loss，but also the leakage of natural gas is serious and hidden security
danger．If the leakage cannot be found in time，it is easy to cause a major accident．Therefore，piFIeline leak detection
technology is a guarantee of the security of oil and gas transportation．In this paper,the leak detection technologies
were classified，and principle analysis an d adaptability evaluation of nine types of indirect detection techn iques were
carried out，including the infrared imaging detection techn ology ,the negative pressure wave detection technology,the
magnetic flux leakage detection technology ,the distributed optical fiber leak detection techn ology and so on．Finally,
the development prospect of the pipeline leak detection technology was discussed．
Key words：Pipeline leak detection；Infrared；Negative pressure wave；Olfactory sensor；Gas imaging
隨著天然氣的使用量逐漸加大，輸氣成為一個(gè)
非常重要的環(huán)節(jié)，目前我國主要的輸氣方法就是通
過管道輸送。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上總管網(wǎng)的50％ 已運(yùn)
行了3O年以上”]，隨著管道運(yùn)行后期，管道的老化、
腐蝕、人為破壞和管道自身缺陷等問題，常常造成
管道泄漏事故，在生產(chǎn)上造成不必要的損失口 。油
氣管道的泄漏不僅給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同
時(shí)，管道內(nèi)外漏后的油氣存在安全隱患，如果不及
時(shí)發(fā)現(xiàn)，很容易引發(fā)火災(zāi)、中毒、爆炸、傷亡等事
故p 。因此高質(zhì)量的管道泄漏檢測技術(shù)就是油氣安
全運(yùn)輸?shù)母颈Ｕ稀?
這其中直接檢漏是指利用人為巡視或可攜帶
儀器直接的對管道泄漏做出響應(yīng)，主要用于檢測微
小的管道泄漏，在管道工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下均
能進(jìn)行檢測閉。間接檢漏是指通過管道中聲波、壓
力波、渦流、流量等物理參數(shù)和物質(zhì)平衡關(guān)系對管
道進(jìn)行檢漏 。常規(guī)的檢漏技術(shù)包括：紋影成像技
術(shù)檢測法、智能爬行檢測方法、嗅覺傳感器技術(shù)、
氣體檢測法、探地雷達(dá)、應(yīng)力波檢測技術(shù)、流量或
質(zhì)量平衡法、統(tǒng)計(jì)檢漏法，動(dòng)態(tài)模型分析法等 。
這些輸氣管道檢漏的方法大多存在檢驗(yàn)精度不夠，
對微小泄漏檢測能力較弱等問題。
1 檢測技術(shù)的分類 2 新型檢漏技術(shù)
目前世界上在輸氣管道泄漏檢測上面的研究
可以說是非常先進(jìn)的，其檢測的方式方法多種多樣，
大體上可分為直接檢漏和間接檢漏兩類 。
2．1 紅外線成像檢漏技術(shù)
當(dāng)輸氣管道泄漏時(shí)會造成周圍土壤溫度的變
化，紅外線成像技術(shù)正是應(yīng)用這一現(xiàn)象，通過與正
收稿日期： 2014-06—06
作者簡介： 宮克(1992一)，男，遼寧鐵嶺人。E-mail：gongkel 1 1 1@126．COil]。
通訊作者： 潘一(i976一)，男，遼寧撫順人，博士，副教授，從事油氣田開發(fā)研究工作。
化 工
常土壤的溫度比較來檢測是否發(fā)生泄漏嘲。這項(xiàng)技 2．4 分布式光纖檢漏技術(shù)
術(shù)是由美國的OILTON公司發(fā)明的，具體方法是用
直升機(jī)裝載著精密的紅外線攝像儀，沿著輸氣管飛
行，記錄輸氣管道周圍不規(guī)則的地?zé)彷椛湫?yīng)，利
用光譜分析檢測來判斷是否發(fā)生管道泄漏并且確定
泄露的具體位置。原蘇聯(lián)曾用美國研制的遠(yuǎn)距離激
光分析儀裝載到直升機(jī)上，沿著輸氣管道進(jìn)行飛行。
成功檢測到大小為幾米，乙烷體積分?jǐn)?shù)僅為百分之
一的氣體云 。
該項(xiàng)技術(shù)具有檢測速度快，檢測范圍廣，精確
度高等優(yōu)點(diǎn)，但其對于埋藏較深的管道檢測還是有
一定的困難的。據(jù)有關(guān)資料記載，當(dāng)飛機(jī)飛行高度
為300 m時(shí)，管道埋藏深度應(yīng)在6 m內(nèi)，而且這種
方法不能夠?qū)艿肋M(jìn)行連續(xù)檢測n?。
2．2 負(fù)壓波檢漏技術(shù)
近幾年負(fù)壓波檢測法是國際上頗為關(guān)注的管道
泄漏檢測方法，其原理是當(dāng)發(fā)生氣體泄漏時(shí)，管道
中的泄漏點(diǎn)處周圍的氣體密度相對減小，導(dǎo)致壓強(qiáng)
突降，又因?yàn)闅怏w是連續(xù)的，所以氣體在泄漏點(diǎn)周
圍產(chǎn)生壓力差。這種壓力差推動(dòng)著上下游的高壓氣
體向著泄漏點(diǎn)處的低壓氣體流動(dòng)，形成了一個(gè)以泄
漏點(diǎn)為中心的壓力波，在力學(xué)上稱為負(fù)壓波。因?yàn)?
管壁的波導(dǎo)作用，負(fù)壓波在傳播的過程中衰減較小，
所以可以傳播很遠(yuǎn)距離 ”。利用安裝在管道兩端的
壓力傳感器，就能檢測到壓力波動(dòng)的信號，并且根
據(jù)兩端接收到負(fù)壓波的時(shí)間差，來確定管道泄漏的
具體位置。
利用負(fù)壓波檢測管道泄漏其優(yōu)點(diǎn)在于具有較
高的定位精度和較快的響應(yīng)速度。其缺點(diǎn)在于難以
檢測較小的泄漏，需管道有大量泄漏時(shí)才能檢測。
由于輸氣管道工作時(shí)工況復(fù)雜，壓力傳感器常常受
到各種信號的干擾，導(dǎo)致檢測精度下降 。
2．3 漏磁檢漏技術(shù)
漏磁是指管道在外加磁場磁化的情況下，如果
管道完好無缺損，磁力線在管道內(nèi)成均勻分布，當(dāng)
管道內(nèi)壁或外壁出現(xiàn)缺陷時(shí)，磁力線則會發(fā)生變形，
部分磁力線將穿出管壁產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象。漏磁檢測技
術(shù)就是通過緊貼管壁的探頭來檢測漏磁場，再將檢
測到的感應(yīng)信號經(jīng)濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后
記錄到檢測器上的存儲器，最后通過軟件分析處理，
判斷是否存在缺陷u 。
目前漏磁檢測法被國內(nèi)外公認(rèn)為最完善的管道
檢測方法之一，其不僅可以檢測管道的泄漏，還可
以對管道的腐蝕程度做出檢測，為管道維修提供依
據(jù)，大大減少了管道維修的盲目性，節(jié)約資金[141。
光纖傳感技術(shù)在上世紀(jì)70年代，隨著光纖通訊
的迅速發(fā)展而被人們所關(guān)注。光纖檢漏技術(shù)主要依
靠光纖后向散射光的分布變化，來分析檢測應(yīng)變、
光纖周圍溫度等被測量的分布變化。后向散射光又
分為彈性散射光和非彈性散射光，其中彈性散射光
包括瑞利散射光，非彈性散射光包括喇曼散射光和
布里淵散射光 。利用不同散射光的不同性質(zhì)可以
研制出多種傳感器。例如：利用背向瑞利散射研制
的OTDR傳感器，利用布里淵散射研制的B—OTDR、
B—OTDA傳感器，利用喇曼散射研制的R—OTDR等。
FBG傳感器是在20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新
型全光纖無源器件，他可以對天然氣管道進(jìn)行在線
監(jiān)測，而且這種傳感技術(shù)主要采用長波調(diào)制法，避
免光強(qiáng)的影響和干涉型光纖傳感相位測量模糊等問
題。利用準(zhǔn)分布式光纖光柵適合大范圍檢測的特點(diǎn)，
可以沿著管道鋪設(shè)一條光纜，用FBG作為傳感器，
獲取天然氣管道沿程的應(yīng)變信號，通過對取得的信
號的分析和處理，可以檢測出輸氣管道泄漏的位置
【l6]
o
分布式光纖檢漏的優(yōu)點(diǎn)在于，傳感光纖上的任
意一點(diǎn)都具有傳感能力，可以獲得連續(xù)的信息。能
夠定位泄露的位置，定位準(zhǔn)確度高。檢測距離遠(yuǎn)并
且具有很高的靈敏度n 。雖然分布式光纖檢漏有很
多優(yōu)點(diǎn)但是依然存在這一些亟待解決的問題。
(1)、泄漏點(diǎn)的聲信號壓力對光線的影響(2)、光
纖對聲信號的敏感程度(3)、光纖包覆材料的老化問
題(4)、檢測信號的處理算法問題(5)、光路中光強(qiáng)損
失問題。
目前我國對光纖檢漏技術(shù)的研究還處于初級階
段，而且輸氣管道中大部分的泄漏都屬于小泄漏，
針對這種小泄漏OTDR技術(shù)可以說是無能為力，而
且在這種大范圍的光纖覆蓋情況下，材料的老化，
以及使用壽命和成本等都需要全面考慮。因此，分
布式光纖檢測技術(shù)仍有很大的發(fā)展空間。
2。5 嗅覺傳感器檢漏技術(shù)
嗅覺傳感器技術(shù)利用傳感器對天然氣中的化學(xué)
成分的反應(yīng)，輸出信號，通過計(jì)算處理得到的信號
來分析管道是否泄漏。將嗅覺傳感器按一定的距離
安放在管道上，形成傳感器網(wǎng)絡(luò)，就可對管道進(jìn)行
實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)有氣體泄漏時(shí)，傳感器就會做出反應(yīng)。
但目前該項(xiàng)技術(shù)的研究還處于初級階段，還是一項(xiàng)
不成熟的技術(shù)，所以尚未應(yīng)用在生產(chǎn)中。
2．6 智能防腐層檢漏技術(shù)
智能防腐層法是指在輸氣管道的防腐層增加一
第43卷第12期 宮克，等：輸氣管道泄露檢測技術(shù)進(jìn)展 2665
個(gè)防盜檢測電路，如果發(fā)生泄漏必然破壞防腐層， 進(jìn)步與發(fā)展，以后的檢漏手段將更加趨于人工智能
防腐層是否完整可以通過電路的電阻值反應(yīng)。 化，對設(shè)備靈敏度的需求也將越來越高。多種檢測
該檢測方法具有的優(yōu)點(diǎn)是：(I)具有較高的靈 方案配合使用彌補(bǔ)單一方案的缺點(diǎn)，會使管道檢漏
敏度，(2)較高的定位精度，(3)傳輸、傳感成本 技術(shù)更加完善。對于天然氣長輸管道的小泄漏檢測
低，(4)系統(tǒng)易恢復(fù)。缺點(diǎn)是：(1)該檢測方法受 和定位仍是未來研究的重點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，
環(huán)境影響比較大，溫度和濕度的變化都可能影響電 大量的新科技應(yīng)用在管道檢漏中，必將為輸氣管道
阻率的變化，發(fā)生誤報(bào)警。(2)安裝系統(tǒng)需要較高 泄漏的研究增加新的活力。
的費(fèi)用 。
2_7 基于管內(nèi)聲波的檢漏技術(shù)
近幾年，聲波以其特有的信號特征成為了管道
泄漏檢測領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。經(jīng)研究表明，由于管道
泄漏所產(chǎn)生的低頻特征信號能夠在管道內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)距
離傳播，而且其信號特征不同于工況擾動(dòng)所產(chǎn)生的
信號特征 。早在上個(gè)世紀(jì)九十年代，Jolly等就曾
利用聲波檢測出管道的泄漏 。華科等人在2009年
開發(fā)了基于聲波的輸氣管道泄漏檢測與定位系統(tǒng)，
并且或得了很好的檢測效果 ?；诠軆?nèi)聲波的泄
漏檢測原理是：利用安裝在管道上下游的聲波傳感
器所收集的聲波信號，通過對信號特征的具體分析
來判斷是否發(fā)生管道泄漏 。
該方法在實(shí)驗(yàn)中表明具有較好的定位精度、方
案簡單并且還能檢測微小泄漏等特點(diǎn)，但是在現(xiàn)場
的工作環(huán)境中，由于噪音較大，還是會對檢測的精
度產(chǎn)生影響，而且對于長管道的檢測效果也不是很
好，所有尚未廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場口 。
2．8 氣體成像檢漏技術(shù)
氣體成像法原理利用氣體在光學(xué)技術(shù)下成像的
難易，來判斷管道是否發(fā)生泄漏。該技術(shù)不僅可以
檢測地面上的輸氣管道泄漏情況，還能檢測地下輸
氣管道的 。
2．9 場圖像檢漏技術(shù)
原名field—signature method，簡稱為FSM 。該
項(xiàng)技術(shù)不僅可以檢測管道的泄漏，而且可以在管道
泄漏前檢測管道的腐蝕程度，是否發(fā)生裂紋等微小
的損壞。其原理是當(dāng)電流流人管道時(shí)，會顯示出電
場，該電場具有唯一的電場“指紋”就是所謂的場
圖像。根據(jù)檢測到的電場指紋的變化，來判斷管道
的損傷與泄漏。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對管道腐蝕程度的
檢測，具有靈敏度高，覆蓋范圍大等優(yōu)點(diǎn)，適合長
輸氣管道的檢測。
3 結(jié)論
隨著世界石油儲量的逐漸減小和人們對能源需
求的逐漸增加，天然氣必然會稱為未來的主要能源。
對于天然氣輸送管道的檢漏尤為重要。隨著科技的
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