燃氣管道檢測技術(shù)進展

管道運輸作為燃氣的最主要輸送方式，具有投資省、運費低、安全性好、運輸量大的優(yōu)點。然而因為一些不可避免的因素，如管道老化、腐蝕、第三方損壞和自然災(zāi)害等導(dǎo)致燃氣泄漏頻頻發(fā)生，不僅影響了燃氣的正常輸送，而且還會造成環(huán)境污染，引發(fā)

火災(zāi)、爆炸等，造成大量的人員傷亡以及財產(chǎn)損失。

１９７０年格陵蘭Ｇｏｄｔｈａｂ地下室管網(wǎng)煤氣泄漏，１９７５年８月英格蘭Ｍｅｒｓｅｙ公寓、１９７２年美ＲｉｃｈｍａｎｓｗｏｒｔｈＧｒｏｘｄｅｙＧｒｅｅｎ和１９７３年法國Ｐｅｒｐｉｇｎａｎ由于天然氣泄漏，造成建筑物破壞。根據(jù)統(tǒng)計資料，２００６－２００８年我國城市燃氣管道共發(fā)生泄漏事故４１１起，在導(dǎo)致泄漏事故的諸多原因中，有２９．４％是燃氣管道腐蝕引起的，３０．７％是外力破壞管道引起的，這兩個因素引起的泄漏事故占總體的６０．１％，是泄漏事故的主要誘因。目前世界上５０％的燃氣管道的運行時間超過了３０年，步入衰老期，已進入事故的多發(fā)期。

在燃氣管道規(guī)模日趨龐大的今天，燃氣管道泄漏檢測和定位技術(shù)的研究有著極為重要的現(xiàn)實意義，并且越來越引起世界各國的重視。雖然對管道泄漏檢測方法的研究已有幾十年的歷史，但由于燃氣管道所處環(huán)境和泄漏形式的多樣性，使得目前還沒有一種簡單可靠、通用的方法來解決燃氣管道泄漏檢測與定位問題。

國內(nèi)外燃氣管道檢測技術(shù)研究概況

根據(jù)所采用的測量手段及檢測對象的不同，管道泄漏檢測技術(shù)分為直接法和間接法。直接法是指對泄漏物直接進行檢測，其主要特征是借助于人的感官或各種特殊傳感裝置直接感知管道泄漏的存在，有時也稱為硬件檢測法。間接法是利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供的管道內(nèi)壓力、流量、溫度等數(shù)據(jù)，進行計算分析來檢測管道泄漏的方法。因為檢測的結(jié)果是通過計算分析得來，故也稱為間接推理法或軟件檢測法。

直接法

直接法技術(shù)分類

（１）人工巡視法：這是目前國內(nèi)各城市燃氣公司常用的一種泄漏檢測方法，由巡線工人手持燃氣檢漏儀或檢漏車定期沿管道敷設(shè)路徑巡視，通過看、聞、聽等多種方式來判斷是否有燃氣泄漏。此方法較為直觀、可靠，缺點在于檢測速度慢，且對檢測者經(jīng)驗的依賴性強，無法實現(xiàn)連續(xù)檢測。

（２）管內(nèi)智能爬機檢測法：爬機在管道工業(yè)中使用廣泛，如果配置各種傳感器，就能組成智能爬機檢測系統(tǒng)。目前利用爬機可以檢測管內(nèi)的壓力、流量、溫度以及管壁的完好程度。爬機可以分為兩類：超聲波檢測器和漏磁通檢測器。應(yīng)用較多的是漏磁通檢測器，將爬機放入管內(nèi)，它就會在流體的推動下運動到下游，同時收集有關(guān)管內(nèi)流動和管壁完好程度的信息，對記錄在爬機內(nèi)的數(shù)據(jù)進行處理后，可以得到很多信息，同時也可以判斷管道是否泄漏。

國外此項技術(shù)己經(jīng)比較成熟，并用于各種管道中，它

的作用不僅在于泄漏檢測，而且是綜合型的管道檢

測系統(tǒng)，但爬機只適用于那些沒有太多彎頭和連接

的管道，它的操作需要有豐富的經(jīng)驗。

（３）電纜檢測法：沿管道平行鋪設(shè)檢漏電纜，當泄漏物質(zhì)滲入電纜后，會引起電纜反射特性、阻抗等特性的變化。檢漏電纜具有透油不透水的滲透性和對烴類的敏感性，如滲透性電纜、油溶性電纜、碳氫化合物分布式傳感電纜等。這種方法靈敏度、準確度高，檢測速度快。缺點是對天然氣不敏感，施工費用高，而且電纜一旦受泄漏物污染會影響檢測精度，需要及時更換電纜。

（４）分布式光纖檢測法：沿油氣管線鋪設(shè)一條或幾條傳感光纖，采集管道周圍的應(yīng)力、壓力、振動等信號，通過信號分析和處理，對管道泄漏、地形沉降、施工或人為破壞等因素進行判斷和定位。該方法抗干擾性強、靈敏度高。

（５）紅外檢測法：利用機載精密紅外攝像裝置，記錄管道周圍地熱輻射效應(yīng)或管道上方空氣光譜，利用光譜分析檢測泄漏并進行定位，該法定位精確，靈敏度高，但檢測費用較高，且不適用于檢測埋設(shè)較深的管道。

（６）聲發(fā)射技術(shù)法：聲發(fā)射檢測技術(shù)可根據(jù)泄漏時產(chǎn)生的聲信號判斷泄漏，實現(xiàn)對泄漏信號的連續(xù)捕捉，在檢測原理上有很大的優(yōu)勢。

直接法國內(nèi)外研究進展

美國開發(fā)了一種手持式檢測器ＲＭＬＤ（ＲｅｍｏｔｅＭｅｔｈａｎｅＬｅａｋＤｅｔｅｃｔｏｒ），它采用可調(diào)諧二極管激光吸收頻譜技術(shù)。當激光通過泄漏處時，甲烷吸收部分光，從而可以檢測到甲烷泄漏，檢測范圍在３０ｍ以內(nèi)。對于一些危險地段的燃氣管道，不必接近就可檢測是否泄漏。這種激光只對甲烷敏感，因而不會受其他碳氫化合物的干擾而存在誤報。

德國漢丁堡技術(shù)大學(xué)和魯爾燃氣公司合作開發(fā)了一種燃氣濃度團識別工具———燃氣攝像機。它采用ＦＴＩＲ（ＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍＩｎｆｒａｒｅｄ）的掃描成像光譜技術(shù)，是一種遠程檢測和成像的燃氣檢測新方法。此技術(shù)通過對燃氣濃度團的疊加實現(xiàn)對甲烷的泄漏源定位。燃氣攝像機采用聚焦平面陣列檢測

器與濾波器相結(jié)合的方法可以檢測和識別０～１００ｍ范圍內(nèi)燃氣的泄漏。

俄羅斯的ＩＬＩ（ＩｎＬｉｎｅＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎ）管道檢測技術(shù)主要用來檢測與腐蝕有關(guān)的各種管道缺陷。ＩＬＩ設(shè)備在管內(nèi)氣體的推動下運動并收集管內(nèi)信息，對記錄在ＩＬＩ內(nèi)的數(shù)據(jù)進行處理可以得到管道的很多信息，可以判斷管道是否發(fā)生泄漏，ＩＬＩ是俄羅斯管道檢測的主要方法。

日本Ｔｏｈｏ燃氣公司開發(fā)了一種便攜式第三方破壞遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)測第三方周圍燃氣管道的損壞情況。該系統(tǒng)采用聲學(xué)原理，利用振動檢測法聯(lián)絡(luò)第三方，通過安裝一個對比傳感器來克服外界噪聲干擾的振動，通過監(jiān)測傳感器來辨別燃氣管道的振動。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)聲學(xué)檢測方法中采用頻率分析進行信噪分離所導(dǎo)致的造價高、安裝復(fù)雜等缺點，因此成本低廉，安裝簡便

。

國內(nèi)沈陽工業(yè)大學(xué)和新疆三葉管道技術(shù)有限責任公司聯(lián)合于２０００年５月研制成功高精度管道漏磁在線檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了管道缺陷、管壁變化、管道特征識別（管箍、補疤、彎頭、焊縫、三通等）以及內(nèi)外壁缺陷分辨的在線檢測，給出了缺陷尺寸、

程度、方位、位置等信息，能探測出５ｍｍ×５ｍｍ和０．１狋（管壁厚度）以上的缺陷。定位精度≤０．１％標記間距離，最大檢測距離可達１５０ｋｍ，達到世界先進水平。

２００５年，中國石油天然氣管道局管道技術(shù)公司

與英國Ａｄｖａｎｔｉｃａ（簡稱ＡＴ）公司合作研發(fā)了具有國際領(lǐng)先水平的無損檢測器———直徑１０１６ｍｍ管道高清晰度漏磁檢測器，最小探測缺陷深度不超過壁厚的５％至１０％。在管道內(nèi)以８ｍ／ｓ的高速運行狀態(tài)下，系統(tǒng)能夠一次性完成

３５０ｋｍ的檢測距離并穩(wěn)定地采集數(shù)據(jù)，已超過當時５ｍ／ｓ的國際水平，并且檢測器不會對管道及管道沿線的空氣、水、土地等造成破壞或污染，也不會對人體產(chǎn)生危害。

中國石油大學(xué)采用聲發(fā)射技術(shù)法對燃氣管道的泄漏和定位進行了試驗研究，該法能夠有效探測燃氣的泄漏，顯著降低誤報率，泄漏點的定位相對誤差提高至０．０１％～１．３７％。

間接法

間接法技術(shù)分類

（１）基于信號處理的方法

ａ．負壓波法：當管道因穿孔、破裂發(fā)生泄漏時，在泄漏處瞬態(tài)壓力突然降低，形成負壓力波，該負壓波以一定的速度自泄漏點向管道兩端傳播。利用管道首末端壓力傳感器檢測管內(nèi)壓力變化的拐點可判斷負壓波，并根據(jù)負壓波在管道內(nèi)的傳播波速與兩個壓力傳感器檢測到的負壓波時間差就可以進行泄漏定位。該方法具有施工量小、成本低、安裝維護方便等優(yōu)點，在長輸管線的泄漏檢測中得到廣泛應(yīng)用。但對于緩慢發(fā)生的泄漏或已經(jīng)發(fā)生的泄漏反應(yīng)弱，

甚至是無效的。基于負壓波進行泄漏檢測和定位的方法主要有相關(guān)分析法、時間序列分析法和小波變換法等。

ｂ．壓力梯度法：該方法假定管線壓力沿管線線性變化，當發(fā)生泄漏并且再次穩(wěn)定后，管內(nèi)壓力梯度發(fā)生變化。泄漏點前后沿線的壓力梯度形成兩段折線，由折線拐點即可確定泄漏點位置。但對于不等溫長輸管道，實際管道壓力梯度是非線性分布的，需要通過建立數(shù)學(xué)模型，找到符合實際的非線性壓力梯度分布實現(xiàn)泄漏定位。該法操作簡單，但是壓力和流量的測量精度對于定位結(jié)果有較大影響，定位精度較差。所以壓力梯度法一般作為輔助手段與其他方法一起使用。

ｃ．質(zhì)量平衡法：通過對管道進出的質(zhì)量流量偏差判斷泄漏。由于油氣管道首、末站一般均裝有容積式流量計，故無需增加設(shè)備投資。該方法適用于較大泄漏量的泄漏檢測，可實現(xiàn)在線實時檢測，缺點是不能實現(xiàn)泄漏定位，對于小泄漏量檢測靈敏度不

高。并且氣體具有較大的可壓縮性，使得利用質(zhì)量

平衡法檢測燃氣管道泄漏更加困難。

（２）基于模型的方法

此類方法需要建立管道的實時動態(tài)數(shù)學(xué)模型，利用模型計算管道系統(tǒng)參數(shù)，并與實測值比較，按符合程度用一定的算法進行泄漏故障診斷。根據(jù)建立模型的方法，可分為：

狀態(tài)估計法：泄漏檢測是基于已知的管線分布模型，并根據(jù)沿管道假定的一組泄漏分布實現(xiàn)泄漏檢測。通過建立管道內(nèi)流體的壓力、流量和泄漏量的狀態(tài)方程，根據(jù)流體的性質(zhì)、溫度、管道邊界條件等參數(shù)變化對模型進行實時修正，通過首、末站壓力計算兩站流量的估計值，與流量實測值比較，對其偏差信號采用適當?shù)乃惴▽崿F(xiàn)檢漏和定位。該方法難于實現(xiàn)多泄漏點的定位，僅適用于小泄漏量的檢漏和定位。

基于系統(tǒng)辨識的方法：其基本原理是描述系統(tǒng)工作過程的數(shù)學(xué)模型，反映了決定系統(tǒng)運行規(guī)律的物理定理，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型中的各種方程的系數(shù)實際上就是許多物理參數(shù)的函數(shù)，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，描述系統(tǒng)工作過程的物理規(guī)律就會發(fā)生變化。通常情況下，這些變化表現(xiàn)在物理參數(shù)的變化上，物理參數(shù)的變化引起數(shù)學(xué)模型方程中系數(shù)的改變，從而影響系統(tǒng)的輸出。因此，由系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)對模型方程系數(shù)進行實時辨識，再由辨識得到的方程系數(shù)求解出各物理參數(shù)的真實值，通過對物理參數(shù)的異常狀況的檢驗，則可以實現(xiàn)對故障狀況的檢測與診斷。該法需在管道上施加Ｍ序列激勵信號，并假設(shè)兩站的壓力不受泄漏量的影響，也僅適于小泄漏量情形。

實時模型法：利用流體的水力學(xué)特性和熱力學(xué)特性等建立管內(nèi)流體動態(tài)模型，以測量管道運行參數(shù)作為邊界條件，估算管內(nèi)流體的流態(tài)和壓力、溫度及流量值。同時，實時采集管道運行參數(shù)的實際值，與模型推演的參數(shù)值比較，當二者偏差超出設(shè)定的閾值時，即可判斷管道發(fā)生泄漏。該法的檢測精度依賴于模型和硬件的精度。

基于知識的方法：由于管道泄漏的未知因素很多，采用常規(guī)數(shù)學(xué)模型進行描述存在較大困難。基于知識的泄漏檢測方法通過非模型的方法進行識別。主要有：

ａ．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法：用泄漏信號特征指標構(gòu)造的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型，能夠運用自適應(yīng)能力學(xué)習管道的各種工況，對管道運行狀況進行分類識別。但由于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)所獲得的訓(xùn)練數(shù)據(jù)難以包含所有故障模式，離線訓(xùn)練的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型在線應(yīng)用時能夠識別的故障非常有限。

ｂ．模式識別法：可以通過試驗為管道運行的各種狀態(tài)建立模式庫，通過對輸入的模式進行匹配來判斷識別管道運行狀態(tài)。為簡化模式識別的過程，必須消除信號模式中的冗余信息和干擾信息，目前

采用較多的算法有：小波、微分等。

ｃ．統(tǒng)計決策法：管道運行經(jīng)驗表明，正常運行時，進出口壓力和流量滿足一定的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)這一原理，對管道進出口流量和壓力進行連續(xù)測量，實時計算出流量和壓力的關(guān)系。泄漏發(fā)生時，二者關(guān)系發(fā)生變化，從而可判斷出泄漏的發(fā)生。通過測量流量和壓力的統(tǒng)計平均值估算泄漏量，用最小二乘法進行泄漏定位。該方法避開復(fù)雜的管道模型，只需測定進出口的壓力、流量就可進行泄漏判斷，運行操作簡單，不受管道結(jié)構(gòu)限制，缺點是對小泄漏無法檢測。

ｄ．專家系統(tǒng)法：通過建立非線性分布參數(shù)控制系統(tǒng)，利用經(jīng)驗知識、泄漏模式、泄漏機理模型，首先完成管道最嚴重異?，F(xiàn)象的廣度搜索，然后進行深度優(yōu)先搜索，完成基于經(jīng)驗知識的定性診斷，確定有無泄漏及可能的泄漏量和定位?；谥R的泄漏檢測和定位方法目前仍處于研究試驗階段，尚無成熟的方案和產(chǎn)品用于生產(chǎn)實踐。

１．２．２

間接法國內(nèi)外研究現(xiàn)狀２００１年Ｗｉｔｎｅｓｓ提出了模型頻域分析的頻域響應(yīng)法，將管道瞬態(tài)模型轉(zhuǎn)換到頻域進行泄漏檢測定位，在管段兩端參數(shù)可測的情況下，對單一管道系統(tǒng)的單點及多點泄漏進行了仿真試驗。澳大利亞Ａｄｅｌａｉｄｅ大學(xué)的Ｗａｎｇ等人對管道瞬變流動模型進行求解，用傅里葉級數(shù)來表示，并利用不同傅里葉分量的不同衰減比來確定泄漏位置。

２００７年印度的ＨＰｒａｓｈａｎｔｈＲｅｄｄｙ提出了管道傳遞功能模型，提高了瞬態(tài)模型的計算效率。荷蘭殼牌（Ｓｈｅｌｌ）公司的ＺｈａｎｇＸＪ提出了一種氣體和液體管道的統(tǒng)計檢漏法。它通過采用模式識別和序列概率比的方法，構(gòu)造兩種狀況（正常、

泄漏）下的假設(shè)檢驗，利用統(tǒng)計分析技術(shù)對實測的壓力、流量間的關(guān)系進行分析，以此來檢測泄漏，并采用最小二乘法對泄漏進行定位。該方法已成功應(yīng)用于石油、天然氣等多種管道運輸中。其優(yōu)點是不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，可連續(xù)進行檢測，并且具有記憶功能、適應(yīng)性強、誤報率低、安裝方便、易于維護，缺點是檢漏精度受儀表精度影響大、定位精度欠佳。

２０世紀８０年代以來，我國從事管道泄漏檢測技術(shù)的科研人員在應(yīng)力波法、負壓力波法、管道實時模型法等方面進行了研究。負壓波檢測法可迅速檢測孔徑比１０％～２０％以上的突發(fā)性泄漏，在快速診斷中占據(jù)重要地位。清華大學(xué)與勝利油田油氣集輸公司聯(lián)合研制了長輸管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，以負壓波為基礎(chǔ)，利用小波變換法和相關(guān)分析法同時進行檢測。西南石油大學(xué)張紅兵考慮到管段內(nèi)燃氣流速對負壓波波速的影響，對原始的負壓波定位公式進行了改進。２００７年清華大學(xué)研究了負壓波法可檢測的最小泄漏量。上述方法對已存在的泄漏及緩慢微小泄漏且沒有負壓波出現(xiàn)的情況失效。中國石油大學(xué)的胡瑾秋等人利用諧波小波時頻圖、時頻等高線圖以及時頻剖面圖挖掘管道泄漏敏感特征，準確提取負壓波拐點，實現(xiàn)了對長輸管線小泄漏的故障診斷，諧波小波泄漏檢測法在噪聲干擾下對小泄漏信號識別的準確率較高，為長輸管道安全輸送提供了可靠的保障。基于模型的管道泄漏檢測與定位方法依據(jù)流體的輸送模型對泄漏量和泄漏位置進行預(yù)測，適用于突發(fā)泄漏、小泄漏和緩泄等多種泄漏工況的檢測和定位。近年來，隨著流量測量技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控技術(shù)及裝置的發(fā)展及應(yīng)用，為基于模型的方法在油氣管道泄漏檢測中的進一步應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。北京化工大學(xué)的孫良對基于穩(wěn)態(tài)模型和瞬態(tài)模型的泄漏檢測與定位方法在油氣管道上的應(yīng)用進行研究，他提出的等溫定位法和變步長龍格庫塔法，促進了基于模型的方法在氣體管道泄漏檢測與定位中的應(yīng)用，所提出的泄漏瞬變模型法和定位誤差補償方法提高了基于模型的管道泄漏檢測與定位方法的實時性和準確性。

北京理工大學(xué)的萬江文等人研究了管道的泄漏監(jiān)測信息和管道監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點，提出了基于分層模型的管道泄漏檢測與定位方法，有效提高了泄漏點定位的精度（最大相對誤差從４．７５％降至１．７５％），并減少了未被發(fā)現(xiàn)率和誤報率，但此研究僅局限于直線管道。

２我國燃氣管道檢測技術(shù)研究的發(fā)展方向

直接檢測法具有檢測及時、靈敏度高、漏報率和誤報率低的特點。而目前的泄漏間接檢測

技術(shù)還不很成熟，尤其對小的泄漏不敏感，國內(nèi)僅在部分輸油管道上使用，其目的也主要是防止一些不法分子在原油管道上鉆孔盜油，而在輸氣管道的應(yīng)用中還存在一些問題。因此在今后一定時期內(nèi)直接檢測法還是燃氣管道泄漏檢測的主要手段。由于直接檢測法只能間斷進行，易使管道發(fā)生堵塞、停運事故，造價較高，因此間接檢測法將會引起越來越多研究者的重視。隨著我國管道技術(shù)的進步，特別是燃氣管道ＳＣＡＤＡ（ＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）技術(shù)的逐步推廣，與ＳＣＡＤＡ、ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）等技術(shù)相結(jié)合的間接檢測法將是今后燃氣管道泄漏檢測和定位的發(fā)展方向。

目前，油氣管道完整性管理已成為管道工程領(lǐng)域研究的熱點，燃氣管道的完整性管理也必將是一種趨勢。其是繼燃氣管道安全管理、風險管理之后更高級別的安全管理新模式。它是以保證燃氣管道的經(jīng)濟安全運行為核心目標，對影響燃氣管道完整性的各種潛在因素進行綜合的、一體化的管理，使管道管理標準化、程序化、科學(xué)化、規(guī)范化，已成為當前最被認可的管道安全管理模式。通過管道完整性管理，不僅可以大大減小管線事故發(fā)生率，而且可以避免不必要和無計劃的管道維修和更換，從而獲得巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

燃氣管道的管理者應(yīng)當在廣泛了解各類實用技術(shù)、充分認識待評價燃氣管道基本特征的基礎(chǔ)上，多途徑、多角度地來完善管道完整性管理在燃氣輸配管網(wǎng)中的應(yīng)用，發(fā)展和落實我國燃氣管道的安全管理工作。

來源：２０１２遠東無損檢測新技術(shù)論壇論文精選 

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