天然气储运泄漏检测方法

张逸飞，郭志强，周昌智，黄 斐，吉宏林，刘思明

(1.上海船舶工艺研究所，上海 200032；2.中远海运重工有限公司，上海 200135)

0 引 言

随着世界能源需求的增长和环境保护意识的增强，天然气在各行业的使用比例逐年增长。天然气是一种清洁优质的能源，燃烧热值高、污染少、经济效益好[1]。管道运输与液态运输是天然气运输的2种典型方式。

天然气管道运输可追溯至19世纪90年代，美国人在俄克拉荷马州建立1条长为4 km的天然气输送试验管道，在随后的时间里天然气管道运输行业蓬勃发展。俄罗斯建成世界上较发达的油气输送管网，其中天然气管道长为17.8万 km。著名的“兄弟”天然气管道于1967年建成投产，自俄罗斯西部纳德姆气田出发穿过乌克兰后分为两路：一支北上到达德国、法国和捷克[2]；一支南下供应奥地利、匈牙利和意大利等国。我国的天然气管道运输行业起步较晚，但发展迅速，2005年总投资1 400亿元的西气东输工程全线商业运营，使来自塔里木盆地丰富的天然气资源通过管道进入长三角千家万户。

大宗天然气的液态运输主要以船运为主，来自澳大利亚、卡塔尔、阿联酋、马来西亚和印度尼西亚等国的液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)由LNG船通过海路源源不断地到达中国港口，被储存在LNG接收站。液货船的结构形式不同，分为薄膜型、球罐型和棱柱型等3种。目前法国GTT公司拥有Mark系列和NO系列两种薄膜型液货围护技术，在LNG液货围护系统领域占据全世界90%以上的市场份额[3-4]。1艘满载的17.4万m3LNG船所运输的天然气足够上海市冬天2～3 d的用气量。

理想状态的密闭容器不应发生泄漏，但由于真空密封不完整、微小缺陷和气体向材料中扩散等难以克服因素的存在，泄漏的发生难以避免。伴随天然气储运行业的蓬勃发展，天然气泄漏的发生成为棘手的问题，天然气管道的逐步“老龄化”使天然气泄漏风险逐步增大。面对LNG船复杂的建造工艺，精细化的生产制造管理难以避免LNG围护系统焊接过程中的缺陷产生，而LNG船海上航行面临诸多复杂环境，气体泄漏仍是LNG船维保面临的难题。行之有效的天然气泄漏检测方法成天然气储运安全的有力保障。

1 天然气管道泄漏检测方法发展现状

管道泄漏检测是一种故障诊断技术，其任务是了解和掌握管道输送系统在运行过程中的状态，并判断是否工作正常，以便发现泄漏故障并进行准确定位[5]。

管道的泄漏检测方法分类标准十分繁杂：从检测参数角度可分为直接检测和间接检测[6]；从检测装置所处位置可将长输管道泄漏检测技术分为内部检测和外部检测[7]；根据检测方法是否需要人工进行判断可分为自动检测、半自动检测和人工检测[8]；在某些文献中依据检测手段将泄漏检测分为硬件检测法和软件检测法[9-10]。管道泄漏检测技术分类如图1所示。

图1 管道泄漏检测技术分类

1.1 硬件检测法

硬件检测法是指在管道外部利用相应的设备装置进行检测，其特点是设备对缺陷的存在十分灵敏，并可进行可靠的缺陷定位，但系统安装往往庞大复杂，因此设备安装受环境限制较大。常用硬件检测法包括土壤检测法、线缆传感器法、光纤传感器法和声学传感器法等。

1.1.1 土壤检测法

美国于20世纪50年代利用放射性检测物对原油管道进行泄漏检测，一次有效检测距离超过20.0 km，随后苏联、日本、法国和丹麦等相继效仿，检测范围从原油管道发展至水管道和输气管道等。土壤检测法是指在管道流体中投放溴-82、碘-131和钠-24等放射性物质，这些放射性物质从管道漏孔中逸出渗透至土壤中，通过在土壤中探测这些放射性物质的存在判断泄漏位置，后来随着技术发展，放射性物质逐渐被具有挥发性的示踪剂取代。由于检测周期漫长，难以检测管道实时状态，该方法已被逐渐取代[11]。

1.1.2 线缆传感器法

随着材料技术与传感器技术的发展，发现某些材料随着接触物特性的不同而改变，而这些材料被制作为泄漏检测原件[12]。线缆在管道泄漏检测中不仅充当传感器的角色，而且作为信号传输的介质。线缆传感器法是指泄漏气体与线缆接触发生相互作用，导致线缆的电阻和电容等特性发生改变，即可确定泄漏的程度与位置。利用附着于管道安装的柔性碳氢化合物传感器线缆，在形成简单回路后可对泄漏进行定位。

1.1.3 光纤传感器法

光纤传感器法是随着光学技术发展而产生的一门新技术。该方法主要分为2类：光时域反射法和拉曼效应[13]。其主要原理是基于光纤内部光散射的温度特性。在光纤中传输时，由于分子振动的存在光出现散射，背散射光携带管道的局部温度信息。拉曼背散射包含斯托克斯和反斯托克斯两个光谱频移分量，反斯托克斯分量的幅值随着温度改变而剧烈变化，由此检测缺陷。

1.1.4 声学传感器法

至20世纪70年代，对泄漏机理及泄漏所产生特征信号的研究被提上日程，声学传感器法是热点研究之一。该方法是指管道中的声波发生泄漏，泄漏点处的压力减小，泄漏点的内外气体存在压差；在压力作用下，泄漏点附近的气体向泄漏点处补充；这种过程由泄漏点向两侧扩散，在气柱的作用下形成声波在管道内传播[14]。由泄漏点产生的低频噪声会区别于背景信号而被传感器捕获，通过自相关分析[15-16]确定缺陷。利用声波传感器捕获管道泄漏如图2所示，其中：t1为声波至传感器S1的时间；t2为声波至传感器S2的时间；L为S1至S2的距离；xv为泄漏点至传感器的距离；v为声波传播速度；vf为流体速度。

图2 利用声波传感器捕获管道泄漏示例

1.2 软件检测法

软件检测法是指基于对内部管道参数(压力、流量和温度)的监测，其有效性取决于与系统特征、操作条件和收集数据相关的不确定性。常用软件检测法包括质量/体积平衡法、实时瞬态模型法和统计法等。

1.2.1 质量/体积平衡法

质量/体积平衡法实际上基于质量守恒原理，是指流体在进入管道后，一部分会逸出管道，管道上游与下游流量的差值变化超过某一确定的阈值，即可识别泄漏。但该方法建立在管道流量处于平衡态的假设下，因此为避免测量误差产生，需要尽可能增大测量周期，以减小系统波动产生的误差。1个总质量/体积达1%量级的泄漏，需要1 h的系统累积。该方法存在泄漏点难以定位的问题，因此在实际的工程应用中往往选择将其与其他方法结合使用，以最大化地发挥其优势[17]。

1.2.2 实时瞬态模型法

实时瞬态模型法一般基于质量守恒、能量守恒和动量守恒原理，是指在管道的实时测量值与测算值间的差距超过允许范围时，即可判断管道发生泄漏[18]。但该方法的建立十分复杂，且在已有的实时瞬态模型中较难确定模型所适应的管道。为保证实时瞬态模型的有效性，管道两侧的压力及温度监测必不可少。为提高模型的检测精度，对噪声信号的控制和处理尤为重要。影响实时瞬态模型有效性的因素如下：(1)流量测试的位置、精度，流量大小、流速变化及系统未捕获的进出管道流量；(2)测量过程中的温度和湿度等环境监测误差；(3)用于描述管道中的流体瞬态行为及流体与管道周围环境相互作用(特别是热相互作用)的方程的完整性和适当性，包括模型边界条件的实用性。

1.2.3 统计法

统计法是指使用先进的统计技术分析管道的流量、压力和温度测量值，判断管道发生泄漏的概率。由于可连续监测管道和流量/压力仪器的变化，因此该方法适用于复杂的管道系统。该方法可用于泄漏点定位。该方法可进行实时泄漏分析，并在石油管道泄漏检测中得到应用[19]，但其最大问题为噪声，在户外环境中噪声时常影响缺陷判断。

2 LNG船围护系统泄漏检测方法发展现状

除管道运输外，海运是天然气运输的另一重要方式[20]。目前，薄膜型围护系统占据大型LNG船围护系统市场的主要份额，因其单位装载力的建造成本低、运维方便、空间利用率高和蒸发率低而得到广泛认可。对于运量小、投资回报率低的中小型LNG船则采用C型独立储罐即自持式压力容器的设计。围护系统结构设计差异导致检测方式大不相同[21]。

2.1 薄膜型围护系统

Mark型和NO型均具有50 a以上的历史，目前2种主流的薄膜型围护系统为Mark Ⅲ型和NO96型。Mark Ⅲ型为封闭的低温保温系统，由2层薄膜和保温层构成，直接由船体结构支撑。主要薄膜由波纹型的不锈钢薄膜制成，次要薄膜由复合材料制成。NO型在200多艘船舶上得到应用，NO96系列是其最新技术方案。NO96型的2层薄膜均采用殷瓦钢制成，厚度仅为0.7 mm。同Mark型一样，NO96型的主要薄膜直接接触液体货物，次要薄膜则属于100%的冗余设计，防止可能出现的泄漏。薄膜型围护系统的结构特点决定泄漏检测方法。

2.1.1 气泡法

气泡法是较为熟知的泄漏检测方法之一，是指在泄漏发生时，器壁两侧存在压差，泄漏点处形成气泡，即可判定泄漏点位置，并通过气泡产生速率判断泄漏速率大小[22]。气泡法分为涂抹法与浸泡法，浸泡法要求将容器浸泡于液体中，其适用性受限于设备体积和防腐防锈要求，且不能广泛适用，而常用检测方法为涂抹法。对于LNG围护系统这类大型容器的检测，抽真空及充压需要较长的试验预备时间，而制造局部压差则更具有可行性，因此在LNG薄膜型围护系统的密性检测中常用真空罩制造局部压差，进行气泡法试验。气泡法检漏方便快捷，但存在检测精度低的问题，一般用于粗检。

2.1.2 氦质谱检漏法

在检测时常用某种气体喷吹漏孔，该气体在通过漏孔后进入检漏仪即可检出泄漏的存在。由于在质谱法中较常用的检漏气体为氦，因此称质谱法为氦质谱法[23]。氦在空气中的体积分数微小，约二十万分之一，因此氦作为检漏气体背景噪声较小；氦质量小(相对分子质量为4)，易于穿过漏孔。对于同一漏孔，除氢外，氦比其他气体漏率大、易发现、灵敏度高；氦为惰性气体，不与被检件器壁发生化学反应，不影响被检件的真空洁净度，使用安全。氦质谱法检漏的关键部件为质谱室，质谱室可使不同质量的气体在变为离子后在场中分开，仅具有某种核质比的离子可通过质谱室的狭缝形成离子流。

2.1.3 压力变化检漏法

压力变化检漏法按被检件压力变化形式分为升压检漏法和降压检漏法。升压检漏法是指将被检件与泵机相连，在抽取一定真空度后关闭阀门，监测被检件内压力随时间的上升情况，可绘出被检件的真空衰减率曲线[24]。该方法灵敏度不仅与被检件本底压力相关，而且与压力监测时长和设备仪器灵敏度相关。降压检漏法是指将被检件充压至一定水平，监测被检件压力随时间的下降情况。在压力变化检漏法中测得的泄漏率与恒压状态的所测值存在偏差，在压力监测过程中随着被检件器壁泄漏的发生，这种偏差会越来越大，因此建立相应的修正曲线尤其重要。

2.1.4 氨检漏法

氨检漏法是指向被检件内充入一定体积分数的氨，并在被检件表面施涂反应油漆或粘贴反应试布；在被检件内的氨发生泄漏时，泄漏的氨与反应油漆或反应试布发生显色反应；在一定时间内，根据显色反应的成斑面积可对泄漏点的漏率进行粗略判断[25]。该方法在薄膜型LNG围护系统的密性检测中应用广泛，原因在于薄膜型LNG围护系统待检表面积大，该方法对于泄漏点的定位与定量具有可靠性高和检测效率高等诸多优势，但该方法存在反应油漆清洗困难和氨作为有毒气体易对环境产生污染等缺点。

2.1.5 红外热像检测法

红外热像检测法是一种新型实时泄漏检测方法。由斯特藩-玻尔兹曼定律可知：红外波具有较强的温度效应。红外热像基于红外辐射原理，通过探测器接收目标物产生的红外辐射，将目标物表面温度分布转化为热图像，具有灵敏度高、响应速度快、测量范围宽、非接触式测量、不影响被测目标等诸多优点[26]。对于围护系统中储存的低温LNG，一旦发生泄漏会与背景温度产生较大的温度差，该方法则为理想的检测方法，并可用于储罐液位检测。由于物料与储罐材料存在差异，热容量不同，因此液体部位与储罐上部空间的红外辐射强度不同。红外热像的液位检测已在储罐液位检测中得以应用。后续在LNG围护系统的液位检测中仍具有广阔的应用前景。储罐液位红外热像如图3所示。

图3 储罐液位红外热像

2.2 储罐型围护系统

储罐型围护系统在小型LNG船中较为常见。储罐被设计为低温压力容器，使用常规压力容器规范(通常为蒸汽压力)，设计压力大于0.2 MPa，较常见的形状为圆柱形和双瓣形。储罐型围护系统的泄漏检测方法主要为相控阵超声波探伤(Phased Array Ultrasonic Testing，PAUT)检测法和声发射泄漏检测法。

2.2.1 PAUT检测法

根据大多数法规，储罐焊缝检验要求采用体积法检测，如射线探伤(Radiography Testing，RT)和超声波探伤(Ultrasonic Testing，UT)等，通常采用常规RT完成。RT存在辐射，并时常存在一些检测盲区。PAUT作为UT的一个分支，在储罐型围护系统泄漏检测中应用广泛，一些权威组织如美国机械工程师协会(ASME)等允许采用UT代替RT[27]。该方法分4步：(1)制备带自然缺陷或人工缺陷的焊接试样；(2)制定采用PAUT设备进行焊缝检测的工艺；(3)为制定工艺，对参考试样进行“开放”试验；(4)为对整个数据采集系统作演示评定，进行“封闭试验”。

2.2.2 声发射泄漏检测法

声发射泄漏检测法是指利用声发射源释放的弹性波在结构中传播时携带的大量结构或材料缺陷处的信息，采用仪器检测、记录和分析声发射信号，并利用声发射信号推断设备存在的缺陷。该方法是一种动态无损检测(Non-Destructive Testing，NDT)方法，其信号来自缺陷本身，因此采用该方法可判断缺陷的活动性和严重性[28]。与常规NDT方法相比，该方法在储罐检测中具有一些特殊优势：(1)在役储罐的耐压试验需要将原有工作介质置换为水或空气，而该方法在原有介质中即可进行；(2)该方法可一次性检测和评价设备整体与整个结构中的缺陷状态；(3)该方法可预防由未知不连续缺陷引起的系统灾难性失效，并限定系统的最高工作压力。

3 结 语

天然气泄漏检测担负保障天然气资源储运设备安全的职责，受到广泛研究，天然气储运设备泄漏检测手段正从传统方法向多学科融合方向发展。针对管道的检测方法不再满足于定位和定量检测，对管道状态的实时监测、基于管道运行状态的统计建模和高危泄漏点的预测成为新的研究热点。对围护系统的泄漏检测逐步发展为多学科融合的交叉学科，薄膜型围护系统泄漏检测将伴随船舶制造业的发展向数字化方向前进。