天然气长输管道泄漏检测技术进展

方亮苏旭 赵晓龙

（西南石油大学化学化工学院）（重庆建峰化工股份有限公司）（青海油田天然气开发公司)

天然气长输管道泄漏检测技术进展

方亮*苏旭 赵晓龙

（西南石油大学化学化工学院）（重庆建峰化工股份有限公司）（青海油田天然气开发公司)

天然气管道泄漏检测技术可分为直接检漏和间接检漏两种类型。综述了国内外泄漏检测技术的原理、技术特点和优缺点，认为间接检测中的无损检测技术具有良好的应用价值，是未来检测技术的发展方向。

天然气管线泄漏检测技术压力管道

0 前言

我国是一个天然气资源比较丰富的国家。截至2008年底，我国已探明各类气田415个，探明天然气地质储量63 357亿m3，可采储量38 687亿m3（不含油田溶解气），资源探明率为11.34%，尚有待探明资源量近50万亿m3，勘探潜力很大。在这些资源量中，西部地区的资源量约占61%，东部地区约占8%，海域资源量占23%，其他地区（主要包括南方地区和青藏地区）的资源量占8%[1]。天然气市场主要是东部经济发达地区，要大规模将天然气从西部输送到东部地区，就必须发展天然气长输管道技术。我国仅西气东输管道的总长就为4 000 km。随着经济的发展，对天然气的需求量不断增加，到2015年底我国规划的天然气管道总长将达到10万km。

随着管线的增多和管龄的增长，加上施工缺陷和人为因素的作用，管道事故频频发生，造成大量的人员伤亡和巨大的经济损失。经过检测和维修的管道，可以明显降低事故发生频率，延长管道服役年限[2-3]。建立管道在线检测系统，及时准确报告泄漏事故的地点和程度，可以最大限度减少经济损失和环境污染，有效杜绝更大的安全事故发生。

对一种泄漏检测技术的评价主要包括：灵敏性、定位精度、准确性、适应能力和性价比[3]。根据检测方式的不同，泄漏检测技术可分为直接检漏和间接检漏两类。

1 直接检漏技术

直接检漏技术主要采用巡查或沿管道周围埋设传感器，当管道发生泄漏时，埋设的传感器会感应泄漏流体，通过光纤将信号传送至监测系统，监测系统马上进行报警。利用光纤进行信号传送的检漏技术可以统称为光纤检测技术，其中光纤温度传感器检测技术和分布式光纤检测技术是目前研究较多的两种技术。

1.1 光纤温度传感器检漏技术

光纤温度传感器检漏技术的作用原理是在光缆上分布式地固定光纤温度传感器，将光缆平行于输气管道铺设。天然气管道泄漏点的周围温度会下降，光纤传感器可迅速感应到环境温度的下降，当温度下降至设定的界限时就会进行报警[4]。这种技术若要求定位精度较高时，就需要将多个光纤光栅温度传感器分布在被测管线上，费用高，技术复杂。同时，当泄漏量较小时，泄漏源附近温度变化很小，泄漏不容易被检测到，这就要求泄漏检测有较高的灵敏度[5]。

1.2 分布式光纤检漏技术

分布式光纤检漏技术作用原理是天然气在泄漏时会产生泄漏振动，将分布式振动测试传感器固定在与管道并排铺设的电缆上，利用传感器提取管道沿途的泄漏振动信号，通过对信号的处理和分析，就可以有效地检测出管道发生的泄漏[6]。周琰等[7]将SCADA技术和分布式光纤检漏技术联合使用，可以检测出低压力、漏孔小的泄漏，其定位技术可控制误差小于0.8%，具有很好的应用价值。

光纤检漏技术优点是具有很高的灵敏度，并且具有良好的定位精度。但其缺点也是显而易见的，主要有以下几点：（1）受自然环境的影响很大。比较复杂的自然环境状况很容易引起系统误报，这就大大降低了该技术的应用性。（2）光纤需要与管道并排铺设，加大了工程的前期投入。（3）光纤维护比较困难。该技术还处于初级研究阶段，目前我国的天然气长输管线还未应用光纤检漏技术。

2 间接检漏技术

间接检漏技术繁多，发展比较迅速。其原理是根据一些物理参数如超声、涡流、压力波的变化或者物质平衡等对管道进行无损检测。它既可以对已经泄漏的管道进行漏点定位，也可以根据管道壁厚、腐蚀程度等参数分析管道的运行状态，检测出潜在的泄漏点，从而避免管道泄漏[8]。

2.1 声学检测技术

2.1.1 负压波检检测技术

在管道发生突然泄漏时，泄漏部位会产生一个向上游或下游传播的减压波，称之为负压波[9]，设置在泄漏点两端的传感器根据压力信号的变化和泄漏产生的负压波传播到上下游的时间差，就可以检测到泄漏并确定泄漏位置。应用负压波检测技术的关键是区分正常操作与泄漏带来的负压波，一种解决方法是在管道的两端各安置两个传感器，通过硬件电路延时的方法，滤除来自操作站的负压波信号[10]。文献[9,11]利用小波技术对有关的计算进行了深入的讨论，使计算精度和定位精度得到了进一步的提高。负压波检检测技术可以迅速检测出大的泄漏，但是对于比较小的泄漏或已经发生的泄漏检测效果不佳。

2.1.2 应力波检检测技术

管道中天然气发生泄漏时会产生一个高频的振动噪声，该噪声以应力波的形式沿管壁传播，强度随距离按指数规律衰减。在管道上安装对泄漏噪声敏感的传感器，通过分析管道应力波信号功率谱的变化，就可检测出天然气的泄漏[12]。文献[13]提出，可使用神经网络学习管道正常信号与泄漏信号，进而对管道的泄漏进行判断。神经网络具有在线学习能力，能不断地改变自身网络的权值，更准确地监控管道运行情况。由于影响管道应力波传播的因素很多，在实际中很难用解析的方法准确描述出管道振动。目前国内应力波检检测技术的研究还处于初级阶段，还未现场实施应用。

2.2 流量或压力突变技术

流量或压力突变技术是管道检漏最直接的方法之一，其基本原理是泄漏会导致下游流量的减少，同时会使下游的压力下降[9]，根据下游流量和压力的变化就可判断是否发生泄漏。该技术可具体分为流量突变技术（也称为质量平衡法）和压力突变技术（也称为压力梯度法）。

2.2.1 流量突变技术

该技术基于管道中流体流动的质量守恒关系，在管道无泄漏的情况下，进入管道的质量流量应等于流出管道的质量流量。当泄漏速度达到一定程度时，入口与出口就形成明显的流量差。检测管道多点位的输入和输出流量，或检测管道两端的流量并将信号汇总构成质量流量平衡图像，根据图像的变化特征就可确定泄漏的程度和大致的位置[14]。

2.2.2 压力突变技术

当管道正常输送时，站间管道的压力呈斜直线下降，当发生泄漏时，泄漏点前的流量变大、压力下降线变陡，泄漏点后的流量变小、压力下降线变缓，折点即为泄漏点，据此可算出实际泄漏位置。压力突变法只需要在管道两端安装压力传感器，简单、直观，不仅可以检测泄漏，而且可确定泄漏点的位置[9,15]。

管道在实际运行中，沿线压力梯度呈非线性分布，因此压力梯度法的定位精度较差，而且仪表测量对定位结果有很大影响。压力梯度技术定位可以作为一个辅助手段与其它方法一起使用。

2.3 管道参数变化检检测技术

管道参数变化检检测技术通过检测管道的质量情况来判断是否有泄漏，该方法可以获得管线完整的质量情况，可以有效预防泄漏事故的发生。目前国内外常用的方法主要有：漏磁检检测技术、超声波检检测技术和远程涡流检检测技术。

2.3.1 漏磁检检测技术

漏磁检检测技术的检测原理是将钢管在外加磁场作用下磁化，当钢管无缺陷时，磁力线封闭于管壁之内，并且均匀分布；如果钢管存在缺陷，磁通路会变窄，磁力线发生变形，部分磁力线将穿出管壁产生漏磁，漏磁场被位于紧贴钢管的、两磁极间的探头检测到。由于永磁体的磁化，沿缺陷表面产生环电流，这些信号经滤波、放大、模数转换等处理后被存储到检测器上的存储器中，检测完成后，再通过软件对数据进行处理，判断是否存在缺陷[16-17]。

漏磁检检测技术对铁磁性工业管道全长度范围内的管道缺陷具有一定的检测能力，尤其能检测管道内壁腐蚀程度，丰富了无损检测手段。同时，应用该技术可以更准确地对管道的安全性能进行评价，为管道设备的维护提供依据，避免漏检，减少管道检修的盲目性，节约资金。

2.3.2 超声波检检测技术

超声波检检测技术属于反射波检测技术，即根据反射波的强弱和传播时间来判断缺陷的大小和位置。超声波检检测技术是无损检测技术中的一种重要的检测技术,它可以测量厚度,也可以检测材料及焊缝的裂纹等缺陷[18]。全自动超声波检测（简称AUT）是超声波检测新发展的一种重要技术，AUT具有检测速度快、定位准确和高灵敏度的优点。西部原油成品油管道工程中使用AUT进行检测，结果证明AUT可以成功应用于长输管道检测[19]。超声波检检测技术受温度的影响较大，实际操作中应每隔2 h或者扫查完10道焊缝之后(以时间短者为准),以及检测工作结束之后，对其灵敏度进行校验[20]。

2.3.3 远场涡流检检测技术

远场涡流检检测技术就是应用电磁感应原理，用正弦波电流激发探头线圈,当探头接近金属表面时，线圈周围的交变磁场在金属表面产生感应电流。当探头在金属表面移动，遇到缺陷或材质、尺寸等变化时，涡流磁场对线圈的反作用将发生变化，从而引起线圈阻抗变化，通过涡流检测仪器测量出这种变化量就能判断金属表面有无缺陷或其它物理性质的变化[2]。远场涡流检检测技术是基于远场涡流效应的一种管道检测新技术，它除了具有一般常规涡流技术的优点外，对铁磁性管道可直接用内插式探头检测管壁上的裂纹、腐蚀凹坑、磨蚀减薄等缺陷[22]。从1998年开始，中国石油天然气管道局在检测在役天然气管道缺陷方面进行了大量的研究，并成功地研制出了国内第一台管道漏磁腐蚀检测器，在新疆克-乌输油管道上投入应用并取得了成功。经过随后几年的努力，现在已经将管道漏磁检测器工业化，并应用于陕-京输气管道，检测精度达到了中等水平，累计检测油气管道达20 000多km[17]。

3 新检漏技术

3.1 红外线成像技术

红外线成像技术是利用红外辐射检测泄漏液体，通过与周围土壤的正常温度进行比较，从而达到检测的目的。利用红外线遥感摄像装置可以记录输气管道周围的地热辐射效应，再利用光谱分析就可以检测出泄漏位置。这种技术可以较精确地定位泄漏点，灵敏度也较高，但不适用埋设较深的管道检漏[23]。

3.2 场图像法

场图像法(field-signature method，简称FSM)[8,24]是监测管道腐蚀、起坑、裂纹和侵蚀的优异的技术。这种在役监测技术能在管道发生泄漏前，发现管道的微小损伤。管道或其他钢结构,当电流馈入时,会显示一个唯一的电场“指纹”——场图像,所产生的电场指纹表征了结构局部几何形状,从而可通过监测电场指纹的微小变化,检测出管道结构与原始的或正常状态的偏离。FSM综合了侵蚀探头与无损检测两种技术的优点,具有高灵敏度和对实际管壁腐蚀引起的变化实时响应的能力,并能对实际监测结构作较大范围覆盖。

3.3 智能防腐层法[25]

该方法是指在长输管道的胶带防腐层上增加一个防盗监测电路，防腐层的情况可通过电路电阻值的变化来反应。该检测方法优点是：（1）有较高的灵敏度和定位精度。（2）传输、传感成本低廉，系统易恢复。其缺点是：（1）该系统对环境比较敏感，温度、湿度的变化可能会导致电阻值的变化从而误报警。（2）系统安装费用较高。

4 展望

综上所述，间接无损检测技术的发展十分迅速，其中基于电磁场和超声波理论的检漏技术的应用与发展尤为迅速和成熟。该类技术不仅可以检测并定位已发生泄漏的管道的泄漏位置，还可以检测出管道的缺陷，预防管道发生泄漏，具有良好的应用价值。目前，该类技术已有工业化应用，并具有良好的效果，是未来管线泄漏检测技术的发展方向。

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Advancement of Natural Gas Pipelines Leakage Detection Technology

Fang LiangSu Xu Zhao Xiaolong

Natural gas pipelines leakage detection technology can be divided into two ways,direct detection and indirect detection.The principles,characteristics,advantages and disadvantages of leakage detections at home and abroad were described.The nondestructive detection was taken as a detection of well application value,it also was considered to be the development direction of detection technology in the future.

Natural gas;Pipelines;Leakage;Detection technology;Pressure pipeline

TQ 051.21

*方亮，男，1984年生，硕士研究生。成都市，610500。

2011-10-31）