1、管道泄漏檢測技術(shù)及評(píng)價(jià)摘 要: 從管道安全生產(chǎn)、降低事故危害、操作性及經(jīng)濟(jì)性等多角度全面分析管道泄漏檢測診斷系統(tǒng)應(yīng)具備的基本特性, 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 對(duì)常用油氣管道泄漏檢測技術(shù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià), 并比較其優(yōu)缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞: 管道; 泄漏; 檢測技術(shù); 評(píng)價(jià) 油氣管道輸送(管輸)在國民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的戰(zhàn)略地位。管輸?shù)幕疽笫前踩⒏咝?。管輸一旦發(fā)生事故,不僅會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失,而且會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重危害。因此,工業(yè)發(fā)達(dá)國家都非常重視油氣管道檢測技術(shù)的研究和開發(fā),重視對(duì)在役油氣管道實(shí)行法制性的檢測。我國在役長距離油氣輸送管道總長20000km左右,目前多數(shù)油氣管道已進(jìn)入中老年期。由于歷史原因,這些

2、始建于20世紀(jì)六七十年代的油氣管道,從設(shè)計(jì)到施工都存在著許多缺陷,經(jīng)過多年的運(yùn)行大都已進(jìn)入事故多發(fā)階段。為防止管道發(fā)生腐蝕穿孔、爆管等惡性事故的發(fā)生, 我國每年用于油氣管道的維修費(fèi)用達(dá)數(shù)億元,且有逐漸增加的趨勢。受檢測手段的制約,管道損傷狀況多數(shù)不明,維修手段不科學(xué), 往往造成盲目開挖、盲目報(bào)廢,從而造成人力物力的巨大浪費(fèi)。因此,對(duì)于管道檢測技術(shù)設(shè)備的需求非常迫切。 從60年代開始,國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家已投入數(shù)十億美元用于開展管道檢測技術(shù)的研究,目前已研制出漏滋法、超聲法、渦流法、電磁超聲法等不同原理的管道檢測器達(dá)30多種。借鑒國外管道檢測技術(shù),研究開發(fā)或選用適合我國管道實(shí)際狀況的油氣管道檢測技術(shù)

3、或設(shè)備, 將管道的安全狀況置于運(yùn)行管理之中,使我國油氣管道從現(xiàn)行的“過剩維護(hù)”、“不足維護(hù)”進(jìn)入到科學(xué)的“視情維護(hù)”方式,防止惡性事故的發(fā)生,大幅降低管道維護(hù)費(fèi)用,是非常有必要的。 在此,筆者對(duì)管道泄漏檢測方法作綜合介紹。管道輸送石油天然氣，具有高效、低耗、連續(xù)輸送和自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢，成為當(dāng)前物流的重要形式之一和國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展不可缺少的“生命線”。但因其具有高能高壓、易燃易爆、有毒有害、連續(xù)作業(yè)、鏈長面廣、環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，決定了其安全管理的極其重要性。現(xiàn)在天然氣管道的破壞嚴(yán)重的影響了天然氣的正常的工作運(yùn)輸。寧波廣強(qiáng)機(jī)器人科技有限公司針對(duì)天然氣管道的所處的環(huán)境專門研制出用于國內(nèi)管道內(nèi)部檢測

4、的檢測儀器-廣強(qiáng)管道機(jī)器人。1 管道泄漏檢測方法介紹泄漏檢測方法一般用來檢測管道的完整性, 大致可分為生物方法、硬件方法和軟件方法。1.1 生物方法 生物方法,是指有經(jīng)驗(yàn)的工作人員用肉眼觀測、聞氣味、聽聲音查出泄漏的位置,或?qū)ｉT訓(xùn)練過的狗通過辨氣味確認(rèn)泄漏位置。早期的管道滲漏檢測方法是有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員沿管線行走查看管道附近異常情況,聞管道釋放出來的介質(zhì)的氣味,或聽介質(zhì)從管道泄漏時(shí)發(fā)出的聲音。這種檢測方法的結(jié)果主要依賴于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和查看前后泄漏的發(fā)展。另外一種方法是用經(jīng)過訓(xùn)練的、能夠?qū)艿佬孤┪镔|(zhì)的氣味很敏感的狗進(jìn)行檢測。生物方法無法對(duì)管道泄漏進(jìn)行連續(xù)檢測,靈敏性較差。1.2 硬件方法硬件方法是依

5、靠不同的硬件裝置用來輔助檢測確定泄漏位置。所用典型裝置根據(jù)設(shè)計(jì)原理可分為5種類型: 氣體取樣檢測器、溫度檢測器、聲學(xué)檢測器、電參數(shù)檢測器和管內(nèi)行走檢測器。1.2.1 氣體取樣檢測器氣體取樣檢測器主要有火焰電離檢測器和可燃?xì)怏w監(jiān)測器兩種?；鹧骐婋x檢測器的基本工作原理:在有電場存在的情況下,烴類( 氣態(tài))在純氫火焰灼燒下產(chǎn)生帶電碳原子,碳原子被收集到一個(gè)電極板上并計(jì)數(shù);當(dāng)碳原子的數(shù)量超過預(yù)設(shè)值時(shí),則表明周圍空氣中存在超過了警戒濃度的可燃?xì)怏w,檢測器即報(bào)警。利用檢測有無可燃性氣體的方法來確定可燃性氣體的泄漏,一般采用基于接觸燃燒原理的可燃性氣體檢測器,可檢測約22.4104mol/m3氣體,常用于氣

6、體管道。可燃?xì)怏w檢測器是一種監(jiān)視可燃?xì)怏w的獨(dú)立傳感器。它通過擴(kuò)散作用從空氣中取樣,利用催化氧化原理產(chǎn)生一種與可燃?xì)怏w濃度成比例的信號(hào),一旦可燃?xì)怏w濃度超過爆炸下限的20%, 繼電器驅(qū)動(dòng)信號(hào)便傳送到遠(yuǎn)方控制板上的報(bào)警器報(bào)警。1.2.2 溫度檢測器泄漏會(huì)引起管道周圍環(huán)境的溫度變化。采用搭載在車輛、直升機(jī)上的光譜檢測和分析設(shè)備,可通過監(jiān)測泄漏引起的熱點(diǎn)檢漏。美國佛羅里達(dá)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)公司利用直升飛機(jī)載紅外線攝像裝置,記錄埋地管道周圍某些不規(guī)則的地?zé)彷椛湫?yīng), 利用光譜分析檢測較小的泄漏。美國天然氣研究所現(xiàn)正致力于利用以激光為基礎(chǔ)的遙感技術(shù)檢漏研究,以開發(fā)一種能在相當(dāng)遠(yuǎn)的距離內(nèi)選用遙感技術(shù)快速掃描大幅地區(qū),

7、檢測管道氣體泄漏產(chǎn)生的熱點(diǎn)并提供有關(guān)圖像的裝置。近年來先進(jìn)的大面積溫度傳感器的發(fā)展使溫度檢測技術(shù)更加實(shí)用。溫度傳感器, 如多傳感器電纜和采用光導(dǎo)纖維的光學(xué)時(shí)間域反射測定法等都被用于檢測泄漏附近溫度的變化。1.2.3 聲學(xué)檢測器滲漏發(fā)生后,流體流出管道后會(huì)發(fā)生聲音,聲波按照管道內(nèi)流體物理性質(zhì)決定的速度傳播開去。聲音檢測器檢測出這種波而發(fā)現(xiàn)泄漏。由于檢測范圍的局限有必要沿管道安裝很多聲音傳感器,這些傳感器在管道內(nèi)檢測聲音信號(hào),從正常運(yùn)行的聲音中鑒別出泄漏聲音。1.2.4 電參數(shù)檢測器電參數(shù)檢測器主要有電纜阻抗檢測和土壤電參數(shù)檢測兩種。 電纜阻抗檢測法是由加拿大技術(shù)人員所開發(fā)。在管道建設(shè)時(shí),沿管道鋪

8、設(shè)一種能與天然氣進(jìn)行某種反應(yīng)的電纜。如果泄漏發(fā)生,則泄漏天然氣會(huì)與電纜發(fā)生反應(yīng),改變電纜的阻抗特性并將此信號(hào)傳回檢測中心。該電纜既是傳感器又是信號(hào)傳輸設(shè)備,可利用阻抗、電阻率和長度的關(guān)系確定泄漏的程度和泄漏的位置。泄漏會(huì)引起管道周圍土壤電參數(shù)的變化,采用雷達(dá)系統(tǒng)( 發(fā)射器和接收器) 可通過檢測土壤電參數(shù)準(zhǔn)確定位地下管道的泄漏, 即為土壤電參數(shù)檢測法。1.2.5 管道機(jī)器人隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器人也在管道檢測中得到較為廣泛的運(yùn)用。管道機(jī)器人是一種可在管道內(nèi)行走的機(jī)械,可以攜帶一種或多種傳感器,在操作人員的遠(yuǎn)端控制下進(jìn)行一系列的管道檢側(cè)維修作業(yè),是一種理想的管道自動(dòng)化檢測裝置。一個(gè)完整的管道檢測

9、機(jī)器人應(yīng)當(dāng)包括移動(dòng)載體、視覺系統(tǒng)、信號(hào)傳送系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。管道機(jī)器人利用超聲波傳感器、漏磁通傳感器等多種檢側(cè)傳感器進(jìn)行信息檢測,對(duì)管道環(huán)境進(jìn)行識(shí)別,自動(dòng)完成檢測任務(wù)。其核心組成為管道環(huán)境識(shí)別系統(tǒng)(視覺系統(tǒng))和移動(dòng)載體。目前國外的管道機(jī)器人的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟,它不僅能進(jìn)行管道檢測, 還具有管道維護(hù)與維修等功能, 是一個(gè)綜合的管道檢測維修系統(tǒng)。1.3 軟件方法3管道的泄漏會(huì)引起管道流量壓力和溫度等運(yùn)行條件發(fā)生變化,據(jù)此可對(duì)泄漏進(jìn)行判斷。軟件方法是利用計(jì)算機(jī)軟件包對(duì)傳感器或SCADA系統(tǒng)提供的管道運(yùn)行參數(shù)變化進(jìn)行處理分析從而檢測管道泄漏。軟件方法主要有質(zhì)量流量平衡法、壓力分布法、負(fù)壓

10、波法和瞬變流模型法3大類。1.3.1 質(zhì)量流量平衡法根據(jù)質(zhì)量守恒定律,在管道無泄漏的情況下進(jìn)入管道的質(zhì)量流量等于流出管道的質(zhì)量流量。當(dāng)泄漏程度達(dá)到一定量時(shí),入口和出口就形成明顯的流量差。檢測管道多點(diǎn)位的輸入和輸出流量,或檢測管道兩端泵站的流量并將信號(hào)匯總構(gòu)成質(zhì)量流量平衡圖像,根據(jù)圖像的變化特征就可確定泄露的程度和大致的位置。1.3.2 壓力分布法在管道沿線的各個(gè)截?cái)嚅y處分別設(shè)置傳感器,并同時(shí)采集壓力信號(hào)匯總構(gòu)成該管道整體壓力分布圖,根據(jù)壓力曲線梯度特征確定泄漏程度和泄漏位置。1.3.3 負(fù)壓波法在泄漏發(fā)生時(shí),泄漏處立即產(chǎn)生因流體物質(zhì)損失而引起局部流體密度減小出現(xiàn)的瞬時(shí)壓力降低和速度差,這個(gè)瞬時(shí)

11、的壓力下降作用在流體介質(zhì)上就作為減壓波源通過管道和流體介質(zhì)向泄漏點(diǎn)的上下游以聲速傳播。當(dāng)以泄漏前的壓力作為參考標(biāo)準(zhǔn)時(shí),泄漏時(shí)產(chǎn)生的減壓波就稱為負(fù)壓波,其傳播的速度在管道和輸送的流體中并不相同,在天然氣中大約為300m/s、。設(shè)置在泄漏點(diǎn)兩端或泵站的傳感器拾取壓力波信號(hào),根據(jù)兩端拾取壓力波的梯度特征和壓力變化率的時(shí)間差利用信號(hào)相關(guān)處理方法就可確定泄漏程度和泄漏位置。1.3.4 瞬變流模型法管道輸送能力發(fā)生變化(流量變化)的過程,在管內(nèi)引起瞬變流動(dòng),產(chǎn)生瞬變壓力和壓力波的傳播。瞬變流模型法即是利用流體狀態(tài)方程、質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒四大方程建立準(zhǔn)確描述管內(nèi)瞬變流動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型, 并通過計(jì)算

12、機(jī)技術(shù)進(jìn)行求解,再根據(jù)計(jì)算值和測量值的偏差檢測泄漏。2 管道泄漏檢測系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)引起管道事故的原因有多種,只采用某一種預(yù)防手段不能解決所有的問題。管道事故往往是突發(fā)性的,這就要求泄漏檢測系統(tǒng)不僅能夠迅速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)泄漏,確定泄漏位置,估計(jì)泄漏量,而且能夠不間斷地對(duì)整條管道進(jìn)行監(jiān)測?；谶@一目的,要求管道泄漏監(jiān)測診斷系統(tǒng)應(yīng)具有下列基本特性:(1)準(zhǔn)確可靠地診斷泄漏故障位置;(2) 迅速可靠的報(bào)告泄漏程度;( 3) 泄漏診斷技術(shù)系統(tǒng)原理簡單、維護(hù)和操作方便。為保證輸氣管道的安全性, 降低事故的危害, 需要比較評(píng)價(jià)各種泄漏檢測方法的優(yōu)劣,供用戶選擇參考。為了便于操作,可將上述泄漏診斷系統(tǒng)的特征 細(xì)

13、分為以下十個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合考察:(1) 靈敏性: 能檢測到的最小泄漏量。(2) 定位精度: 能否精確指出泄漏點(diǎn)的位置。(3) 評(píng)估能力: 能否精確估計(jì)泄漏量的大小, 即泄漏的嚴(yán)重程度。(4) 響應(yīng)時(shí)間: 需要多長時(shí)間能檢測出泄漏。(5) 誤報(bào)警率: 無泄漏發(fā)生時(shí)報(bào)警率是否較低。(6) 連續(xù)性: 是否能連續(xù)監(jiān)測整條管道。(7) 適應(yīng)性: 管道運(yùn)行條件發(fā)生變化時(shí), 檢測能否正常進(jìn)行。(8) 操作性: 系統(tǒng)的使用和維護(hù)是否簡單、易學(xué)。(9) 安全性: 在檢測過程中是否易引起介質(zhì)燃燒、爆炸事故。(10) 費(fèi)用: 投資金額和操作運(yùn)行費(fèi)用。3 管道泄漏檢測技術(shù)的評(píng)價(jià)根據(jù)上述指標(biāo)評(píng)價(jià)體系,可對(duì)目前常用管道泄漏

14、檢測方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)如表1所示, 表中有“”的 表示該項(xiàng)性能指標(biāo)好或較好, 空格為不好。4 結(jié)論根據(jù)上述比較表明,沒有一種方法所有性能都好,特別是虛假報(bào)警,除了生物方法和氣體采樣方法外,其它技術(shù)都存在共同的問題,而生物方法和氣體采樣方法又不能對(duì)管線進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。硬件方法的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,響應(yīng)快,定位精度高,抗干擾能力強(qiáng),有較快的檢測速度,缺點(diǎn)是難以對(duì)長輸管道進(jìn)行連續(xù)檢測。軟件方法能連續(xù)監(jiān)測管道,易于維護(hù)而且安裝費(fèi)用不高,但不能準(zhǔn)確估計(jì)泄漏位置,對(duì)有操作變化的管線不適用, 抗干擾能力弱。通常由于管道晝夜連續(xù)運(yùn)行, 泄漏的危險(xiǎn)隨時(shí)存在,因此必須對(duì)管道進(jìn)行不間斷監(jiān)測,為達(dá)到這一目的,就要選擇連續(xù)性泄漏檢測系統(tǒng)。但一般根據(jù)實(shí)際情況選擇兩種以上的措施,