输气管道泄露检测技术进展

宫 克，冷 俊，潘 一，曹成龙，王彦博，康超男，段元蒙

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

输气管道泄露检测技术进展

宫 克，冷 俊，潘 一，曹成龙，王彦博，康超男，段元蒙

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

输气管道泄露检测技术是在管道出现老化、腐蚀、人为破坏和自身缺陷等问题时，及时发现并做出报警反应的检测技术。输气管道泄漏不仅会带来巨大的经济损失，而且外漏后的天然气也存在严重的安全隐患，如不及时发现，容易造成重大事故。因此管道检漏技术就是油气安全运输的保障。首先对检漏技术进行了分类，并着重对红外线成像检漏技术、负压波检测技术、漏磁检漏技术、分布式光纤检漏技术等9种新型的间接检漏技术进行了原理分析、进展介绍和适应性评价，最后对管道检漏技术的发展前景做出了展望。

管道检漏；红外线；负压波；嗅觉传感器；气体成像

随着天然气的使用量逐渐加大，输气成为一个非常重要的环节，目前我国主要的输气方法就是通过管道输送。据统计，世界上总管网的 50% 已运行了30年以上[1]，随着管道运行后期，管道的老化、腐蚀、人为破坏和管道自身缺陷等问题，常常造成管道泄漏事故，在生产上造成不必要的损失[2]。油气管道的泄漏不仅给企业带来巨大的经济损失，同时，管道内外漏后的油气存在安全隐患，如果不及时发现，很容易引发火灾、中毒、爆炸、伤亡等事故[3]。因此高质量的管道泄漏检测技术就是油气安全运输的根本保障。

1 检测技术的分类

目前世界上在输气管道泄漏检测上面的研究可以说是非常先进的，其检测的方式方法多种多样，大体上可分为直接检漏和间接检漏两类[4]。

这其中直接检漏是指利用人为巡视或可携带仪器直接的对管道泄漏做出响应，主要用于检测微小的管道泄漏，在管道工作状态和非工作状态下均能进行检测[5]。间接检漏是指通过管道中声波、压力波、涡流、流量等物理参数和物质平衡关系对管道进行检漏[6]。常规的检漏技术包括：纹影成像技术检测法、智能爬行检测方法、嗅觉传感器技术、气体检测法、探地雷达、应力波检测技术、流量或质量平衡法、统计检漏法，动态模型分析法等[7]。这些输气管道检漏的方法大多存在检验精度不够，对微小泄漏检测能力较弱等问题。

2 新型检漏技术

2.1 红外线成像检漏技术

当输气管道泄漏时会造成周围土壤温度的变化，红外线成像技术正是应用这一现象，通过与正常土壤的温度比较来检测是否发生泄漏[8]。这项技术是由美国的OILTON公司发明的，具体方法是用直升机装载着精密的红外线摄像仪，沿着输气管飞行，记录输气管道周围不规则的地热辐射效应，利用光谱分析检测来判断是否发生管道泄漏并且确定泄露的具体位置。原苏联曾用美国研制的远距离激光分析仪装载到直升机上，沿着输气管道进行飞行。成功检测到大小为几米，乙烷体积分数仅为百分之一的气体云[9]。

该项技术具有检测速度快，检测范围广，精确度高等优点，但其对于埋藏较深的管道检测还是有一定的困难的。据有关资料记载，当飞机飞行高度为300 m时，管道埋藏深度应在6 m内，而且这种方法不能够对管道进行连续检测[10]。

2.2 负压波检漏技术

近几年负压波检测法是国际上颇为关注的管道泄漏检测方法，其原理是当发生气体泄漏时，管道中的泄漏点处周围的气体密度相对减小，导致压强突降，又因为气体是连续的，所以气体在泄漏点周围产生压力差。这种压力差推动着上下游的高压气体向着泄漏点处的低压气体流动，形成了一个以泄漏点为中心的压力波，在力学上称为负压波。因为管壁的波导作用，负压波在传播的过程中衰减较小，所以可以传播很远距离[11]。利用安装在管道两端的压力传感器，就能检测到压力波动的信号，并且根据两端接收到负压波的时间差，来确定管道泄漏的具体位置。

利用负压波检测管道泄漏其优点在于具有较高的定位精度和较快的响应速度。其缺点在于难以检测较小的泄漏，需管道有大量泄漏时才能检测。由于输气管道工作时工况复杂，压力传感器常常受到各种信号的干扰，导致检测精度下降[12]。

2.3 漏磁检漏技术

漏磁是指管道在外加磁场磁化的情况下，如果管道完好无缺损，磁力线在管道内成均匀分布，当管道内壁或外壁出现缺陷时，磁力线则会发生变形，部分磁力线将穿出管壁产生漏磁现象。漏磁检测技术就是通过紧贴管壁的探头来检测漏磁场，再将检测到的感应信号经滤波、放大、模数转换等处理后记录到检测器上的存储器，最后通过软件分析处理，判断是否存在缺陷[13]。

目前漏磁检测法被国内外公认为最完善的管道检测方法之一，其不仅可以检测管道的泄漏，还可以对管道的腐蚀程度做出检测，为管道维修提供依据，大大减少了管道维修的盲目性，节约资金[14]。

2.4 分布式光纤检漏技术

光纤传感技术在上世纪70年代，随着光纤通讯的迅速发展而被人们所关注。光纤检漏技术主要依靠光纤后向散射光的分布变化，来分析检测应变、光纤周围温度等被测量的分布变化。后向散射光又分为弹性散射光和非弹性散射光，其中弹性散射光包括瑞利散射光，非弹性散射光包括喇曼散射光和布里渊散射光[15]。利用不同散射光的不同性质可以研制出多种传感器。例如：利用背向瑞利散射研制的OTDR传感器，利用布里渊散射研制的B-OTDR、B-OTDA传感器，利用喇曼散射研制的R-OTDR等。FBG传感器是在20世纪90年代发展起来的一种新型全光纤无源器件，他可以对天然气管道进行在线监测，而且这种传感技术主要采用长波调制法，避免光强的影响和干涉型光纤传感相位测量模糊等问题。利用准分布式光纤光栅适合大范围检测的特点，可以沿着管道铺设一条光缆，用FBG作为传感器，获取天然气管道沿程的应变信号，通过对取得的信号的分析和处理，可以检测出输气管道泄漏的位置[16]。

分布式光纤检漏的优点在于，传感光纤上的任意一点都具有传感能力，可以获得连续的信息。能够定位泄露的位置，定位准确度高。检测距离远并且具有很高的灵敏度[15]。虽然分布式光纤检漏有很多优点但是依然存在这一些亟待解决的问题。

(1)、泄漏点的声信号压力对光线的影响(2)、光纤对声信号的敏感程度(3)、光纤包覆材料的老化问题(4)、检测信号的处理算法问题(5)、光路中光强损失问题。

目前我国对光纤检漏技术的研究还处于初级阶段，而且输气管道中大部分的泄漏都属于小泄漏，针对这种小泄漏OTDR技术可以说是无能为力，而且在这种大范围的光纤覆盖情况下，材料的老化，以及使用寿命和成本等都需要全面考虑。因此，分布式光纤检测技术仍有很大的发展空间。

2.5 嗅觉传感器检漏技术

嗅觉传感器技术利用传感器对天然气中的化学成分的反应，输出信号，通过计算处理得到的信号来分析管道是否泄漏。将嗅觉传感器按一定的距离安放在管道上，形成传感器网络，就可对管道进行实时监控，当有气体泄漏时，传感器就会做出反应。但目前该项技术的研究还处于初级阶段，还是一项不成熟的技术，所以尚未应用在生产中。

2.6 智能防腐层检漏技术

智能防腐层法是指在输气管道的防腐层增加一个防盗检测电路，如果发生泄漏必然破坏防腐层，防腐层是否完整可以通过电路的电阻值反应。

该检测方法具有的优点是：（1）具有较高的灵敏度，（2）较高的定位精度，（3）传输、传感成本低，（4）系统易恢复。缺点是：（1）该检测方法受环境影响比较大，温度和湿度的变化都可能影响电阻率的变化，发生误报警。（2）安装系统需要较高的费用[17]。

2.7 基于管内声波的检漏技术

近几年，声波以其特有的信号特征成为了管道泄漏检测领域研究的热点。经研究表明，由于管道泄漏所产生的低频特征信号能够在管道内进行远距离传播，而且其信号特征不同于工况扰动所产生的信号特征[18]。早在上个世纪九十年代，Jolly等就曾利用声波检测出管道的泄漏[19]。华科等人在2009年开发了基于声波的输气管道泄漏检测与定位系统，并且或得了很好的检测效果[20]。基于管内声波的泄漏检测原理是：利用安装在管道上下游的声波传感器所收集的声波信号，通过对信号特征的具体分析来判断是否发生管道泄漏[21]。

该方法在实验中表明具有较好的定位精度、方案简单并且还能检测微小泄漏等特点，但是在现场的工作环境中，由于噪音较大，还是会对检测的精度产生影响，而且对于长管道的检测效果也不是很好，所有尚未广泛应用于现场[22]。

2.8 气体成像检漏技术

气体成像法原理利用气体在光学技术下成像的难易，来判断管道是否发生泄漏。该技术不仅可以检测地面上的输气管道泄漏情况，还能检测地下输气管道的[23]。

2.9 场图像检漏技术

原名field-signature method，简称为FSM[24]。该项技术不仅可以检测管道的泄漏，而且可以在管道泄漏前检测管道的腐蚀程度，是否发生裂纹等微小的损坏。其原理是当电流流入管道时，会显示出电场，该电场具有唯一的电场“指纹”就是所谓的场图像。根据检测到的电场指纹的变化，来判断管道的损伤与泄漏。该技术可以实现对管道腐蚀程度的检测，具有灵敏度高，覆盖范围大等优点，适合长输气管道的检测。

3 结 论

随着世界石油储量的逐渐减小和人们对能源需求的逐渐增加，天然气必然会称为未来的主要能源。对于天然气输送管道的检漏尤为重要。随着科技的进步与发展，以后的检漏手段将更加趋于人工智能化，对设备灵敏度的需求也将越来越高。多种检测方案配合使用弥补单一方案的缺点，会使管道检漏技术更加完善。对于天然气长输管道的小泄漏检测和定位仍是未来研究的重点。随着科学技术的发展，大量的新科技应用在管道检漏中，必将为输气管道泄漏的研究增加新的活力。

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Research Progress in Leaking Detection Technology for Gas Transmission Pipelines

GONG Ke, LENG Jun, PAN Yi, CAO Cheng-long, WANG Yan-bo, KANG Chao-nan, DUAN Yuan-meng
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)

Gas pipeline leak detection technology is a detection technology of discovering and making detection alarm reaction when the pipeline is becoming aging, corrosion, 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, pipeline 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 and adaptability evaluation of nine types of indirect detection techniques were carried out, including the infrared imaging detection technology, the negative pressure wave detection technology, the magnetic flux leakage detection technology, the distributed optical fiber leak detection technology and so on. Finally, the development prospect of the pipeline leak detection technology was discussed.

Pipeline leak detection; Infrared; Negative pressure wave; Olfactory sensor; Gas imaging

TE 832

A

1671-0460（2014）12-2663-03

2014-06-06

宫克（1992-），男，辽宁铁岭人。E-mail：gongke1111@126.com。

潘一（1976-），男，辽宁抚顺人，博士，副教授，从事油气田开发研究工作。