燃氣管道泄漏檢測與定位技術

摘 要

摘要：探討了管道泄漏檢測技術的發(fā)展，分析了人工巡檢法、SCADA監(jiān)控法、光纖傳感器檢測法和負壓波檢測法，提出了提高管網(wǎng)泄漏檢測能力的建議。關鍵詞：燃氣管道；檢測；泄漏；定位Detecti
摘要：探討了管道泄漏檢測技術的發(fā)展，分析了人工巡檢法、SCADA監(jiān)控法、光纖傳感器檢測法和負壓波檢測法，提出了提高管網(wǎng)泄漏檢測能力的建議。
關鍵詞：燃氣管道；檢測；泄漏；定位
Detection and Location Technologies for Gas Pipeline Leakage
ZHANG Weiqin，YAO Shuiun
Abstract：The development of gas pipeline leakage detection technology is discussed.The manual patrol inspection method，SCADA monitoring method，fibre-optical sensor method and negative pressure wave method analyzed.Suggestions for improving network leakage detection capacity are made.
Key words：gas pipeline；detection；leakage；location
1 管道泄漏檢測技術的發(fā)展[1～4]
    隨著燃氣事業(yè)的發(fā)展，管道泄漏檢測技術得到了不斷發(fā)展，從最簡單的人工分段巡視發(fā)展到較為復雜的計算機軟硬件結(jié)合方法，從陸地檢測發(fā)展到利用飛機在空中進行檢測。
    根據(jù)不同的分類依據(jù)，管道泄漏檢測方法有多種分類。根據(jù)檢測位置不同，可分為管外檢測法和管內(nèi)檢測法；根據(jù)檢測對象不同，可分為直接檢測法和間接檢測法。
    管內(nèi)檢測法比較有代表性的為漏磁檢測法，該方法要求傳感器與管壁緊密接觸，由于焊縫等因素的影響，管壁凸凹不平，有時難以達到要求。
    管外檢測多用于突發(fā)性泄漏，而管內(nèi)檢測適用于檢測管道腐蝕狀況及微小泄漏。管內(nèi)檢測法多采用磁通、超聲波、渦流、錄像等技術，檢測準確，但只適用于較大管徑的管道，易發(fā)生堵塞、停運等事故，費用高。
    直接檢測法是對管道泄漏出的物質(zhì)進行檢測，主要有：直接觀察法、泄漏檢測電纜法、示蹤劑檢測法和光纖泄漏檢測法，其中基于光纖傳感器的光纖泄漏檢測法越來越受到人們的重視。
    間接檢測法是對泄漏時產(chǎn)生的現(xiàn)象進行檢測，主要有：負壓波法、壓力梯度法、實時模型法、質(zhì)量平衡法、統(tǒng)計決策法、應力波法和聲發(fā)射法。
2 檢測方法
2.1 常用檢測方法
   ① 人工巡檢法
   人工巡檢法是目前最常用的一種檢測方法，一般由巡檢人員帶著GPS定位器和一些簡便的巡檢設備沿管道逐段巡檢，主要是通過人觀察管道是否存在泄漏點。這種方法直觀簡單，設備費用小，但耗費人力，主觀性強，不適用于管道實時監(jiān)控，只能發(fā)現(xiàn)一些較大的泄漏及地面上的破壞性作業(yè)。目前人工巡檢法已部分被自動監(jiān)控系統(tǒng)所取代。
   ② SCADA監(jiān)控法
   該方法通過在調(diào)壓箱和計量箱處加裝壓力及溫度傳感器，并通過SCADA系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，通過壓力的變化判斷是否存在泄漏點。這種方法雖然可進行實時監(jiān)控，但往往需要人工巡檢法作為輔助，容易發(fā)生錯誤判斷，且往往無法判斷泄漏點的位置。
    使用人工巡檢法與SCADA監(jiān)控法相結(jié)合的方式來監(jiān)測管網(wǎng)耗費人力，且不能真正做到實時準確地監(jiān)測，所以需要尋找新的方法來解決這個問題。
2.2 新檢測方法
2.2.1光纖傳感器檢測法
   ① 概述[5]
   光纖光柵傳感器屬于光纖傳感器的一種。光纖光柵傳感技術已在建筑、海洋石油平臺、油田及航空、大壩等工程進行了實時安全、溫度及應變監(jiān)測。光纖光柵傳感器可廣泛地測量溫度、應力、應變、壓力、電流、流量、電磁場、振動等參量，還可實現(xiàn)準分布式傳感測量網(wǎng)絡。光纖傳感器種類繁多，能以高分辨率測量許多物理參量，與傳統(tǒng)的機電類傳感器相比具有很多優(yōu)勢，如：本質(zhì)防爆、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、體積小、重量輕、靈活方便等，因此其應用范圍非常廣泛，特別適用于惡劣環(huán)境中。
   光纖光柵傳感器除了具有普通光纖傳感器的許多優(yōu)點外，最重要的就是它的傳感信號為波長調(diào)制。這一傳感機制的好處在于：a.測量信號不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素的影響；b.避免了一般干涉型傳感器中相位測量的不清晰和對固有參考點的需要；c.能方便地使用波分復用技術在一根光纖中串接多個光柵進行分布式測量。另外，光纖光柵很容易埋入材料中對其內(nèi)部的應變和溫度進行高分辨率和大范圍測量。
    ② 原理[6]
    光纖傳感器主要由光源、光纖與探測器3部分組成。光源發(fā)出的光耦合進光纖，經(jīng)光纖進入調(diào)制區(qū)，調(diào)制區(qū)內(nèi)的光信號受外界被測參量的作用，其光學性質(zhì)如光的強度、相位、頻率、偏振態(tài)、波長等發(fā)生變化。再經(jīng)過光纖進入光探測器，從而獲得被測參量。
    ③ 光纖傳感器的實際應用[7]
    永久連續(xù)的井下傳感有利于油田的管理、優(yōu)化和發(fā)展，目前只有少數(shù)油田使用了永久連續(xù)井下油田監(jiān)控系統(tǒng)，而且主要是電傳感器，高溫操作和長期穩(wěn)定性的要求限制了電傳感器的使用。光纖光柵傳感器因其具有抗電磁干擾、耐高溫、長期穩(wěn)定并且抗高輻射等優(yōu)點，非常適合于井下傳感，挪威相關學者正在開發(fā)用于永久井下測量的光纖光柵溫度和壓力傳感器。有研究者在海上鉆井平臺的復合材料索鏈中安裝光纖光柵傳感器，用來測試索鏈棒的強度和疲勞度。美國和英國都在將光纖光柵傳感技術用于海洋石油平臺的結(jié)構(gòu)監(jiān)測。
    自我國在新疆石門子水庫首次利用分布式光纖監(jiān)測技術測量碾壓硅拱壩溫度以來，至今已有多個工程應用實例。水電水利工程中有許多物理場需要監(jiān)測，如溫度場、應力場、位移場、滲流場等。以往采用單點監(jiān)測方法，測點少，結(jié)果不直觀，需要通過分析才能最終了解場的情況，這種傳統(tǒng)的單點監(jiān)測方法不僅費工、費時、費資金，而且效果不理想。而采用分布式光纖監(jiān)測技術可以準確地測定光纖沿線任一點的溫度、應力和位移，信息量大，結(jié)果直觀。如果將光纖按一定的網(wǎng)絡敷設，可實現(xiàn)對大壩安全的全方位監(jiān)測，可以克服傳統(tǒng)單點監(jiān)測方法容易漏測和滲流難以定位的弊端，極大提高安全監(jiān)測的有效性。分布式光纖監(jiān)測技術是當代高科技的結(jié)晶，是一種理想的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)。分布式光纖監(jiān)測技術還廣泛應用于石油天然氣行業(yè)的石油、天然氣輸送管道或儲罐泄漏監(jiān)測，油庫、油管、油罐的溫度監(jiān)測及故障點檢測，大型民用工程的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測，公路、地鐵隧道行業(yè)的火災監(jiān)測和報警等。如果應用于天然氣管網(wǎng)，以大慶地區(qū)為例，中壓管網(wǎng)約177km，用光纖傳感器的平均費用為8×104元/km，則大慶地區(qū)天然氣管網(wǎng)的光纖傳感器總費用為1416×104元。
2.2.2負壓波檢測法[8]
    當燃氣管道泄漏時，沿管道傳播的負壓波中包含泄漏信息，負壓波能夠傳播至幾十千米以外的遠端。在管道兩端安裝壓力變送器，能夠捕捉到包含泄漏信息的負壓波，因此可以檢測泄漏的發(fā)生，并根據(jù)泄漏產(chǎn)生的負壓波傳播到管道兩端的時間差進行泄漏點定位。
    負壓波檢測法是目前國際上應用較多的管道泄漏檢測和泄漏點定位方法。清華大學與中國石油天然氣東北輸油管理局在鐵秦管道的新民至黑山站間，天津大學和新鄉(xiāng)輸油公司在中洛管道濮陽至滑縣站間均采用了負壓波法的泄漏實時監(jiān)測系統(tǒng)[9]。
2.3 新檢測方法應用前景
傳感器檢測法與負壓波檢測法均是采用在管道或管道接頭處安裝相關傳感器的方式來實現(xiàn)對管內(nèi)或管外情況的監(jiān)測。在燃氣管網(wǎng)的應用中，需要根據(jù)管道的長度加裝傳感器以及發(fā)射器，同時在各個調(diào)壓箱或閥門井處加裝控制器。報警信息接入SCADA系統(tǒng)，操作人員根據(jù)報警定位信息進行處理，及時采取措施。新檢測方法的工作流程見圖1。
 

3 建議
    ① 管道的泄漏及多點泄漏檢測和定位是研究的重點和難點，如何改進現(xiàn)有技術手段或結(jié)合其他新方法來解決這一問題，是今后研究的主要方向。
    ② 在采用傳感器時，應針對傳感器類型以及傳感器發(fā)射和接收信號的方式做進一步研究。
   ③ 將SCADA系統(tǒng)聯(lián)合其他檢測軟件系統(tǒng)進行使用，提高SCADA系統(tǒng)在運行中的效率。
參考文獻：
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(本文作者：張維勤 姚樹軍 中石油昆侖燃氣有限公司大慶燃氣公司 黑龍江大慶 163453)