管道安全监测研究综述

刘兵 王杰 孟龙

摘要：随着经济社会的发展，石油、天然气、水煤浆等能源的消耗量越来越大，管道运输凭借其投资建设相对较小、占地面积小、运输量大、有利于环保等优点在全世界各国都越来越受到重视，得到了广泛应用。由于管道的逐渐增多和老化，事故也逐渐增多，如何有效地监测管道的安全状态成为学者们的研究重点。本文介绍了管道安全监测应用广泛的几类技术，阐述近几年国内外研究现状，最后对我国管道安全监测的发展进行展望。

关键词：管道运输;泄漏;安全监测;检测技术

1     引言

能源问题事关我国的经济社会发展、社会的稳定以及国家安全，是重大战略问题，能源消耗的逐渐增多，是社会发展的基本规律。我国的人均资源占有率较低，大量资源需要依赖进口，以石油为例：1993年，我国成为石油净进口国[1]，2003年我国的石油进口量超过1亿吨，成为仅次于美国的世界第二大石油消费国，我国石油的对外依存度也已经达到了40%[2]。能源的安全及时供给已成为我国经济社会能否持续稳定发展的决定性因素。

能源运输方式主要有公路、铁路、水运、空运和管道运输五种方式，管道运输凭借其具有投资建设相对较小、占地面积小、密闭性好、不间断、较为环保等优点成为重要的运输方式。管道在现代化的工业生产和人们生活中占有相当重要的位置，其在输送水、油、气、煤以及通信、供电、交通、运输和排水等方面得到了广泛的应用，因而被称为生命线工程[3]。占我国能源生产的比例超过75%的煤炭[4]，将其制成水煤浆再进行管道运输也成为近年来相关企业的发展重点，由此可见管道运输对于我国能源运输的重要性。

但由于大多数运输管道已经服役数十年进入了“老龄期”，近年来安全事故频发，造成了人员伤亡、环境污染、能源浪费以及巨大经济损失等严重后果，管道的安全监测问题成为近年来研究学者以及企业的研究重点。

2     运输管道的安全问题分析

据国外有关数据，1971年全世界大约有70%的管道的管龄在10年以下，到1995年只有8%的管道的管龄在10年以下，而管龄超过35年的管道在30%左右[5]，老龄化的管道很容易发生事故。有较多管道在设计中存在不合理性，比如从天然气管道设计中可以看出，例如像管线的布置缺少一定的合理性、管道的强度未能达到标准要求以及在实际设计过程中，没有充分考虑到热力等计算[6]。由于通常管道都被深埋在土地里，土壤可以直接破坏老化的防腐层，造成管道外层金属的腐蚀。很多管道会运输带有酸性的流体，容易造成管道内层金属的腐蚀。管道建设的周期通常较久，施工地形往往也较为复杂，对于工人的专业能力素质有较高的要求，因此很多管道的施工质量达不到要求，埋下了安全隐患。管道的占压情况十分严重，管道占压会因人为活动的增多而给管道带来额外的失效风险[7]。人为破坏也是引发管道安全问题的重要因素之一，包括偷盗以及对政府怨恨而故意破坏等，此类破坏在总的发生事故中占有的百分率有15%左右[8]。

3     传统监测技术

3.1  基于介质的技术

（1）     人工监测法。这是早期管道安全监测的主要方式，工作人员分段巡视管道，通常运输介质中会加入臭味剂，工作人员或者经过培训的动物通过观察、闻味、听等方式判断管道是否出现安全问题。臭味剂多为硫化物，其中四氢噻吩使用最为广泛[9]。此法优点是简单易行，对于大事故不会误报，缺点是灵敏度低，依赖工作人员的经验，不能连续检测，目前该法基本已经被其他先进方法取代。

（2）     土壤监测法。此法也称为气体敏感法，通过采集分析管道周围土壤判断是否出现泄漏，随着科技的进步该法的灵敏度和精确度可以逐渐提升。

（3）     空气采样法。原理和土壤监测法类似，只不过采集的对象是管道周围的空气，利用检测仪器对管道周围的空气进行采集分析，若空气中含有泄漏气体的浓度超过阈值则进行报警。仪器主要有火焰电离检测器和可燃性气体检测器。

3.2  基于管道壁参数的监测技术

（1）     漏磁通检测法。该方法是由磁粉检测技术发展起来的，利用磁现象来检测管道表面及近表面缺陷的一种无损检测方法[10]。

（2）     超声波检测法。该法利用超声波检测器发出超声波脉冲，再由检测器探头接收反弹波，由于有损伤的管道壁会导致超声波的反弹波接收时间不一致，从而检测出管道内部是否有损伤。

（3）     涡流检测法。涡流检测器采用在一对一次线圈通以微弱电流，使管道内壁面因电磁感应产生涡流，再以安放在一次线圈之间的二次线圈进行检测，检测出管壁情况[11]。

（4）     照相检测法和录像检测法。该法是将摄像机直接安装在管道內探测器上，利用运输的液体介质驱动探测器在管道内移动，同时对管道内部进行拍照和录像。

3.3  基于光纤的监测技术

此法需要先在管道表面上铺设光纤，原理是管道的泄漏会产生宽带声波信号，该声压使铺设在管道表面的光纤产生光学相位信号。基于该原理，可采用相关仪器进行干涉。干涉后，通过宽带相位生成载波电路调解产生的感知相位信号，从而确定出产生泄漏的地方。此类技术包括准分布式光纤检测法、多光纤探头遥测法、塑料包覆石英（PCS）光纤传感器检测法、光纤温度传感器检测法等。

3.4  基于声学的监测技术

此法原理是当运输管道发生泄漏等事故时，产生的高频振动噪声会沿着管道壁传播，安装在管道上的检测器会捕捉这些信号并加以分析，判断是否发生泄漏。常用的监测方法有声波法和声发射法。

（1）     应力波法。先将对泄漏噪声十分敏感的传感器安装在管道上，对接收到的管道应力波信号功率谱的变化进行分析，便可分析出是否发生泄漏。

（2）     负压波法。当泄漏事故发生时，发生泄漏处的运输流体密度会减小，导致瞬时压力下降，以泄漏前的压力为标准，产生的减压波被叫做负压波，通过分析负压波便可确定出泄漏点。

（3）     声发射法。当管道发生泄漏事故，通过泄漏处的流体向外喷射会形成声源，进而形成声波，通过对这些声波进行采集和分析处理，就可以判断出泄漏处。

3.5  基于软件的监测技术

随着计算机、信号处理、模式识别等技术的迅速发展，基于软件的监测方法越来越受到人们的关注，逐渐成为管道安全监测技术的主流和趋势。这类方法的原理主要是对实时采集的压力、流量和温度等信号进行实时分析和处理，以此来监测泄漏并定位，有质量/ 流量平衡法、流量或压力突变法、压力梯度法、压力点分析法、相关分析法、实时模型法等。

4     国内外研究现状

国外输油管道管理先进的国家，如美国、英国、法国等，自上世纪70年代以来，就开始了管道泄漏检测技术的研究，并在许多油气管道上安装了泄漏监测系统，取得了显著的效果。近年来的国外研究已经相当先进，着重研究提高精确度并降低成本。我国的管道安全监测技术研究起步较晚，但发展很快。

导波超声（GUWs）在管道安全监测中的应用已有三十多年的历史，与传统的振动技术相比，GUW技术的优势在于它能够检测出管道在满意长度上的微小损伤，但由于该系统的物理特性非常复杂，这使得基于模型的技术在计算上难以实现，基于统计学习算法的数据驱动方法更适合于这种情况。Debarshi Sen[12]等提出一种基于数据驱动的半监督和监督学习算法，除了避免使用基于模型的方法之外，该方法还有助于减少部署的传感器数量，从而降低维护成本该法有助于减少部署的传感器数量从而降低维护成本，并证明可以精确地检测和定位两个不同长度的管道上的裂纹。

即使是连续工作的泵振动，也有足够的声信号进行可靠的损伤定位，由于管道在工业装置中逐渐磨损，其声足迹与以前在周期性损坏的管道中所确定的相似。Bouko Vogelaar[13]等研究了劣化管道的时移声监测，使用近焊缝反射技术以及拆卸和重新组装的传感器环，成功地应用于工业管道运行期间的结构健康监测。

金属腐蚀是人类面对的一个重大课题，给人类带来了巨大损失，运输管道的金属腐蚀问题也一直在发生，越来越成为近年来的研究重点。王健[14]研究了管道在线超声波腐蚀监测技术，着重研究并设计了管道超聲波腐蚀检测系统中的超声波发射电路和超声波接收电路，根据超声波腐蚀检测的原理对管道超声波腐蚀检测系统进行了整体设计，通过实验测得的数据精确度较高，可以满足化工厂腐蚀检测的需求。丁守宝[15]等研究了高温管道腐蚀状况的在线监测，通过实验数据的对比分析，得出基于磁致伸缩效应的超声导波技术可以实现高温管道腐蚀的在线监测，并指出目前管道超声导波监测技术应用中存在的问题并提出了展望。于海洋[16]研究了直埋供热管道锈蚀监测，提出了一种有效监测管道外壁锈蚀的方法，通过实验方法建立供热管道的锈蚀模型，利用光纤传感器监测直埋管道外壁的锈蚀情况，实现对整个管网的管道外壁的实时、分布式监测，得到管道外壁的锈蚀速率随时间的变化关系。

中国北斗卫星导航系统（BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统，致力于向全球用户提供高质量的定位，导航和授时服务，包括开放服务和授权服务两种方式。是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。利用北斗定位技术可以实现管道沿线地质灾害的监测与预警，以期减少地质灾害对油气管道造成的威胁与破坏。张洪奎[17]利用北斗定位技术实现了在管道地质灾害监测与预警的应用，结合研究区前期有效降雨量与预报降雨量建立了地质灾害预警模型，通过手机预警APP按输油处、输油站分级分权限推送红、橙、黄、蓝4个等级的预警信息，研究结果可为油气管道地质灾害实时监测与预警的智能化应用提供参考。郭翌寒[18]提出基于北斗的管线安全预警系统的设计与实现，系统综合了GIS空间分析、物联网实时监测预警、管网专业模型和分析模型集成等技术，该系统的构建有助于大幅提升防灾能力，推进城市建设与数字化城市管理系统、智慧城市的融合。

5结语

管道的安全监测无论对于现在还是将来都是极其重要的，是保证国家能源安全稳定供给的重中之重，我国管道安全监测的起步相对外国较晚，许多理论研究还只是停留在理论阶段。我国企业和研究人员可以通过改进传感器提升接收危险信号的灵敏度，改进算法提高检测的分辨力度等方面提升管道安全监测的效率。没有一种监测技术或方法是万能的，都有各自的优缺点，所以应该因地制宜地开展实验和应用，大力发展和完善管道的安全监测技术，同时也要考虑到成本，切实提高我国管道安全监测技术水平。

参考文献：

[1] 冯磊.石油进口贸易的现状、问题及对策[J].宏观经济管理，2013（10）：59-60+71.

[2] 张树奎，金永兴.大力发展管道运输提高持续发展能力[J].南通航运职业技术学院学报，2005（03）：66-68.

[3] 张宇.输油管道泄漏检测新方法与关键技术研究[D].天津大学，2009.

[4] 周之榛，刘亚丹.水煤浆制备及现状综述[J].价值工程，2019，38（36）：209-211.

[5]潘家华.关于老龄管道的安全运行[J].油气储运，2008（05）：1-3+65+68.

[6]刘佳仑，罗丹.天然气长输管道运输安全问题及合理应对方式研究[J].中国石油和化工标准与质量，2020，40（04）：80-81.

[7] 孙伟栋，席少龙，余良民.老龄管道安全运行危害因素分析[J].中小企業管理与科技（中旬刊），2015（10）：295.

[8] 叶琳.埋地管道破坏原因分析及风险控制[D].北京建筑大学，2017.

[9]杨杰，王桂增.输气管道泄漏诊断技术综述[J].化工自动化及仪表，2004（03）：1-5+10-6.

[10] 李志鹏，李艳红，胡国新，张永刚.燃气管道检测技术综述[J].煤气与热力，2003（09）：566-567+570.

[11] 常连庚，陈崇祺，张永江，季峰.管道腐蚀外检测技术的研究[J].管道技术与设备，2003（01）：40-42.

[12] Debarshi Sen，Amirali Aghazadeh，Ali Mousavi，Satish Nagarajaiah，Richard Baraniuk，Anand Dabak.Data-driven semi-supervised and supervised learning algorithms for health monitoring of pipes[J].Mechanical Systems and Signal Processing，2019，131.

[13] Bouko Vogelaar，Giel Priems，Kees Bourgonje，Michael Golombok.Time-lapse acoustic monitoring of deteriorating pipes[J].Structural Health Moni-toring，2019，18（5-6）.

[14] 王健.管道在线超声波腐蚀监测技术的研究[D].沈阳工业大学，2013.

[15] 丁守宝，叶宇峰，夏立，元亚明.高温管道腐蚀状况在线监测[J].无损检测，2011，33（11）：46-51.

[16] 于海洋.直埋供热管道锈蚀监测及安全性分析[D].大连理工大学，2013.

[17] 张洪奎.北斗定位技术在管道地质灾害监测与预警的应用[J/OL].油气 储运 ：1-11[2020-06-07].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/13.1093.TE.20200508.1517.011.html.

[18] 郭翌寒.基于北斗的管线安全预警系统的设计与实现[J].现代信息科技，2019，3（13）：86-87.

作者简介：

刘兵（1995.04）男，汉族，河南省信阳市，研究生，研究方向：智能物流系统.