大直径管材泄漏监测技术研究

何伟 郑祥盘 魏作友 陈红星

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.02.036

收稿日期：2023-06-28

摘  要：管道运输系统保障已成为人们日常生活不可或缺的一部分。大直径聚乙烯管道（PE管道）因其具有抗应力、耐磨损、耐腐蚀等特性，广泛应用于燃气输送、废水排放等方面。当前，管道泄漏事件时有发生，给人们的生命和财产安全带来威胁。因此，开展管道监测技术研究，及时准确地发现管道泄漏等风险具有重要的现实意义。文章在介绍PE管道国内外发展历史的基础上，对比分析了近些年的管道泄漏监测方法，阐述了该领域的发展趋势。

关键词：PE管道；管道泄漏；监测技术

中图分类号：TP277  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2024）02-0167-05

Research on Leakage Monitoring Technology for Large-diameter Pipes

HE Wei1，2， ZHENG Xiangpan1，2， WEI Zuoyou1， CHEN Hongxing2

（1.Fujian NewChoice Pipe Materials Science & Technology Co.， Ltd.， Quanzhou 362801， China;

2.College of Physics & Electronic Information Engineering， Minjiang University， Fuzhou  350108， China）

Abstract： The guarantee of pipeline transportation system has become an indispensable part of people's daily life. Large diameter polyethylene pipes （PE pipes） are widely used in gas transportation， wastewater discharge， and other aspects due to their characteristics of stress resistance， wear resistance， and corrosion resistance. Currently， pipeline leakage incidents occur frequently， posing a threat to people's lives and property safety. Therefore， conducting research on pipeline monitoring technology and timely and accurately identifying risks such as pipeline leaks is of great practical significance. On the basis of introducing the development history of PE pipelines both domestically and internationally， this paper compares and analyzes the leakage monitoring methods of pipelines in recent years， and elaborates on the development trends in this field.

Keywords： PE pipeline; pipeline leakage; monitoring technology

0  引  言

隨着城市化进程的不断加快，管道运输系统保障已成为人民生活不可或缺的一部分，无论是天然气等能源的输送，还是废气、废水等废物的排放，都离不开管道运输[1，2]。大直径聚乙烯管道（PE管道）因其自身的高抗应力、耐磨损、耐腐蚀性，广泛应用于众多场合[3]。此外，PE管道还应用于城市或农村自来水管道系统、产业原料输送管道以及船用或海水工程管道等领域[4，5]。

PE管道大多应用于长距离、跨区域的运输场合，实际上大部分管道都是深埋于地下，给监测和维修带来一定的挑战[6]。而且这些管道的使用环境非常复杂，管道内传输的物质各不相同，容易造成管道的腐蚀。虽然在管道使用前已经采取了一定的防腐蚀、防泄漏等处理并留有裕量，但因受管材、施工损伤等影响，管道还是面临泄漏甚至破裂等风险，会造成严重的后果。尤其是天然气管道，如果出现泄漏，可能会造成难以估量的损失，给城市居民生命财产安全埋下巨大隐患[7，8]。因此，对管道开展监测技术研究，及时准确地发现泄漏等风险并采取相应的措施具有十分重要的意义。

1  PE管道发展现状

由于PE管道的使用越来越广泛，各大公司加大了对PE管道专用材料、焊接技术等方面的研发力度，成绩斐然，大幅提高了年产值。但由于相关先进技术封锁和原料生产不足等因素，我国的PE产品和技术与发达国家相比还有一段不小的差距，中高端PE产品主要依赖国外进口。为了缩短与国外的差距，国内厂家正在加紧研发步伐，不断研发PE管道新型材料和改良生产工艺，提高中高端产品竞争力，向高质量发展转变[9]。

1933年，英国帝国化学工业集团公司首先发现了聚乙烯材质，尤其是第二次世界大战爆发后，铜铁等金属出现短缺，许多国家开始在城市的燃气输送、输水等领域应用塑料材质管道。实践证明，因PE管道在使用寿命、耐腐蚀和抗磨损上优于金属和其他塑料管材，得到广泛的使用。时至今日，在大多数场合，无论是新铺设管道还是旧管道改造，PE管道均成为不二之选。在欧洲，PE管道的普及率极高，英国、丹麦等国均超过90%，法国1998年新敷设燃气管道中几乎100%采用聚乙烯管道[10]。我国是从20世纪80年代初开始的PE管道研究工作，并在积累一定的技术基础后，于1982年在上海铺设一条PE材质的城镇燃气输送管道。为了有力推进PE管道的研发和推广，国家科委1987年把“聚乙烯燃气管专用料研制和加工应用技术开发”列为国家“七五”攻关项目，取得丰硕成果。十一五期间，我国提出PE管材覆盖全国绝大部分城乡气管网和“西气东输”项目工程[11]。目前，PE管道正在国内迅速地推广普及，如图1所示为一些典型的应用场景。

PE管道因其显著优势而得到广泛使用，但在使用过程中发现，管道泄漏问题时有发生，尤其是长距离运输中的泄漏问题更为严重。因此，如何在现如今纷繁复杂的管道网络中构建一个较为完善的监测系统，实现实时准确的管道监测成为大家尤为关注的热点问题，而管道有无泄漏监测则是其中最为核心的问题之一，下面就管道泄漏的理论方法、技术、典型监测系统，以及所用到的关键装置等进行了详细的阐述。

2  管道泄漏监测技术研究现状

2.1  管道泄漏主要监测方法

管道网络铺设得越来越复杂，相应地对管道泄漏监测技术的要求也越来越高。早期管道监测采用人工分段巡检的方式，即分批分组安排一部分人负责某一段管道的监测。该方法直观有效，但耗费人力、速度较慢、实时性差[12]，只能发现已经泄漏的情况，对存在管道破裂泄漏隐患的情况不能及早察觉。因此，人工巡检不能成为主流，只能作为一种辅助手段，我们需要采取一些更先进、更智能的管道泄漏监测方法。以下是目前常用的管道泄漏监测技术：

1）清管器法[13]。最常用的是漏磁清管器，即磁性清管器在管道内随传输物体一起运动，会在管壁上形成一个完整的磁场。当管道出现裂缝或者破损时，该部分的磁通会发生变化，能够被相应的传感器检测到，发送回控制中心进行分析，从而获得管道出现裂缝或发生破损的位置。该方法的灵敏度和定位精度都很高，但清管器的价格昂贵，无法做到实时在线监测，并且使用场合受限。

2）体积或质量平衡法[14]。在正常的运输过程中，进入管道物质的质量或体积，应当与退出管道物质的质量或体积相当。若检测到二者存在质量或体积差，则说明管道发生泄漏。该方法使用一些常用的測量仪器（如流量计、温度计或压力表等），适合输气管道的连续监测，但由于管道所处环境变化大、一些输送的气体本身存在弹性，容易出现误判断，并且还存在定位精度低和实时性差等缺点。

3）负压波法[15，16]。管道发生泄漏时，泄漏位置的压力会发生突降，并且会在管道上形成一个远低于管道内部压力的低密度纵波即负压波。负压波法的原理是在管道两端安装压力传感器，当检测到有负压波存在则说明管道发生了泄漏，通过分析负压波传输到两端的时间差和传输速度即可定位管道泄漏位置。该方法灵敏度高、定位精度高、响应速度快，但存在误报率高的问题。只有管道出现突发压降时才会产生负压波，因此该方法主要应用在泄漏量较大的场景，不适用于缓慢泄漏的检测。

4）压力点分析法[17]。压力点分析法的原理是在管道沿线布置传感器，先记录管道正常工作时的参数指标和压力数值；当管道出现泄漏时，传感器会检测到压力变化，并且平均值远低于正常值，然后转向另一个稳态。以上变化过程会被沿线的传感器所捕捉到，然后将这一变化过程传输回指挥中心进行分析，确定泄漏的地方。但该方法需要获取初始泄漏的瞬时信息，所以无法检测到微小的泄漏；若要提高定位精度，则需要配置更多的传感器，大大增加了监测成本。

5）探地雷达法[18，19]。探地雷达法是采用雷达发射纳秒级脉冲电磁信号，该信号耦合到管道的介质中，在泄漏过程中遇到不同介质会产生波阻界面，从而产生更强的反射信号。分析发射信号与接收信号的差别，可以确定埋地管道泄漏所在的位置。该方法响应速度快、可靠性高、对环境的适应性强，但是成本高，容易在黏土中失效，对技术工的技术水平要求较高。

6）声波法[20，21]。管道发生泄漏时，管壁内外的压力差使得泄漏点处形成涡流，产生声波。该声波因泄漏的发生而持续存在，并且具有宽频谱。通过管道两端的传感器采集声波信息并进行频谱分析，可以得到管道泄漏的位置和声波强度等信息。该方法因具有定位精度高、响应时间短、性价比高等特点，广泛应用于管道监测（尤其是燃气输送管道监测）中。

2.2  管道泄漏监测效果评价标准

需要采用一些指标来评价和比较不同管道泄漏监测方法的优劣。例如，通过管道泄漏位置的定位精度、从泄漏发生到监测到泄漏的时间长短、泄漏误报或泄漏漏报，以及监测方法对环境适应程度等指标来衡量监测方法的优劣。通常采用几个主要指标来衡量管道泄漏监测效果[22]：

1）定位精度。定位精度是指泄漏的实际位置与监测算法所确定位置之间的误差大小，误差越小表示定位精度越高，而提高定位精度可以为抢修泄漏争取宝贵的时间。

2）敏感度。敏感度是指管道发生泄漏的过程中，监测装置发出警报的敏锐程度，也是衡量监测技术好坏的重要指标之一。

3）响应速度。响应速度是指从管道发生泄漏到监测技术发出泄漏警报的响应时间长短。响应速度缓慢，可能会导致更为严重的危害后果。因此在保证一定准确度的前提下响应速度越快越好。

4）误报/漏报率。误报是指没有发生泄漏而监测系统却发出了泄漏警报；漏报是指发生了泄漏但监测系统却没有发出警报。这两种情况都是我们不希望看到的，因此需要尽量降低监测系统的误报/漏报率。

5）环境适应度。环境适应度是指系统对环境变化的适应程度，适应程度高则表明系统可以在更多的场合使用。管道系统的铺设范围越来越大，同一系统所面对的环境也天差地别，所以监测装置对环境的适应程度也是衡量监测系统好坏的一个重要指标。

6）维护要求。好的监测方法应该操作简单，所需维护少或维护起来轻松快捷。

7）性价比。性价比是指管道监测系统的性能值与成本值之比，确保监测系统拥有良好的性价比。

表1给出了以上几种监测方法的性能指标对比。从表1中可以看出，基于声波法的管道监测技术具有成本低、及时性好、定位准确、适应范围广等优势，是一种较好的监测手段。

3  管道泄漏监测系统构成

3.1  管道泄漏监测系统硬件系统

基于互联网和物联网技术构建管道泄漏监测系统，图2为一种典型的硬件系统构成。主要由传感模块、边缘计算模块、数据传输模块、用户监测平台模块、控制模块等模块组成。

1）传感模块。根据所采用监测方法和需要获取的信息选择合适的传感器，如需要获取压力信息则选取压力传感器，需要获取温度信息则选取温度传感器。

2）边缘计算模块。以一定的模式对采集到的信息进行预处理，然后通过发送电路将数据传输给用户终端

3）通信模块。接收现场边缘计算模块传输回来的数据，存储数据以供用户监测平台使用。

4）控制模块。接收控制信号，据此控制管道阀门的开启或关闭。泄漏发生时，用户监测平台会向控制模块发出动作信号。控制模块接收到控制信号后关闭阀门，将管道泄漏带来的危害降到最低

5）用户监测平台模块。进行数据分析，判断是否发生泄漏，是否需要发出警报，可实现以可视化形式显示相关数据以及进行历史数据查询等。

3.2  管道泄漏监测系统软件系统

软件系统所能实现的功能如下：

1）实时监控。将传感器采集到的信息实时显示在用户界面。

2）历史数据查询。

3）灵活设置。进行传感器量程设置、报警阙值设定。

4）预警功能。实时判断是否发生泄漏，如发生泄漏则发出警报。

5）联动控制功能。联动声光告警、发出关闭管道阀门的控制信号。对应的系统流程图如图3所示。

4  某地管道泄漏监测案例

以某地城市供水管道数据为例进行管道泄漏监测方法的验证。根据典型系统构成搭建具体的管道泄漏监测系统，如图4所示。其中左侧是传感器及控制器端，安装在管道设施上面，边缘计算网关将其汇聚于一层，然后根据具体的业务需求，转发到上层设施。

如图5所示为管道1在某一时间段内运行时管道压力和流量参数的数据曲线。从图中可以看出，压力和流量骤减，发生了泄漏，压力和流量为零是关闭阀门后的状态呈现，而后压力和流量恢复表示管道修复完成，阀门重新开启。该实验验证了所提管道泄漏监测系统的有效性。

5  管道泄漏监测技术发展趋势

随着经济的蓬勃发展，PE管道在各种恶劣环境中使用的频率越来越高，管道所输送的东西越来越复杂，如燃气、石油、回注水等。这些物质附带的微生物会在不同程度上腐蚀管道，从而诱发管道泄漏的风险。但现有监测技术只是在泄漏发生后发出警报，难以对泄漏发生的潜在风险进行可靠的预测。监测技术的发展方向将是管道泄漏在线监测技术和泄漏风险评估技术的有机融合，结合二者的优点，实现管道泄漏潜在风险的提前预判和泄漏发生的准确定位。并且，部分现役管道监测装置的元器件在一些恶劣环境中容易发生故障，因此需要提升此类元器件恶劣工况下的适应性和可靠性。

随着大数据时代的到来，数字化和智能化将是管道监测平台未来的发展方向。管道监测技术应该融合物联网、5G通信等技术，将所得数据实时传输到控制中心，实现管道监测的远程数字化和可视化管理。

6  结  论

PE管道的广泛使用，使得管道泄漏监测技术得到了长足的发展，衍生出种类繁多的监测方法。本文在阐述PE管道发展进程的基础上，根据决定监测效果的评价指标，分析不同管道监测方法的优劣。结果表明，基于声波法的管道监测技术具有成本低、及时性好、定位准确、适应范围广等优势。未来管道泄漏监测将面临更加恶劣和复杂的环境，监测技术将朝着高可靠性、高智能化的方向发展。

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作者简介：何伟（1982—），男，汉族，福建福州人，教授，工学博士，研究方向：交通运输工程；郑祥盘（1981—），男，汉族，福建三明人，教授，工学博士，研究方向：机械装备及其自动化研究；魏作友（1969—），男，汉族，福建南平人，高级工程师，本科，研究方向：高分子材料加工应用；陈红星（1993—），男，汉族，福建南平人，讲师，工学博士，研究方向：电力电子变流技术和智能控制。