对天然气管道泄漏检测方法的探讨

65 生产一线 对天然气管道泄漏检测方法的探讨 文⊙ 赵兵哲（大庆油田有限责任公司天然气分公司销售中心乘风管理所） 摘要:天然气管道泄漏将直接威胁管 道设施的安全运行和人民生命财产，进而 造成更大的恶性事故和间接损失。因此， 及时准确地发现管道输送天然气的泄漏、 泄漏位置和泄漏量具有重大意义。近几十 年来，石油天然气输送管线泄漏检测检测 方法日趋多样。 关键词:天然气；管道；泄漏检测 现代管道泄漏检测和定位技术基于管 道SCADA系统，运用现代分析方法和控 制理论，对所采集的管道运行数据进行信 号处理，结合管道流体流动的规律，实现 管道实时在线泄漏检测和定位。它是管道 流体流动模型、管道实时在线观测器、参 数学习器和泄漏状态检测器的综合运用， 涉及管道流体流动模型和过程仿真、滤波 处理、模式识别、随机过程分析、随机估 计和决策等方面的理论和方法。 一、传统的泄漏检测方法 （一）就地泄漏检测方法 沿管线人工分段巡视，未利用管道输 送的任何系统特征，仅凭人、动物、检测 仪器和设备对天然气或其它介质（加味 剂、H2S等）的敏感性来判定在某处是否 发生了泄漏。该方法不能及时地发现泄 漏，应用受到限制。 （二）流量平衡法 流量平衡法基于管道流体流动的质量 守恒关系，根据管道进出口的流量测量 值，结合管道中介质储量分析，确定管道 中是否发生了泄漏。随着泄漏检测时间的 增加其泄漏检测的可靠性也不断增加，但 这种方法无法确定泄漏的位置，且由于管 道中的介质储量随着输送介质属性和管道 运行情况变化较大，该方法对小泄漏的敏 感性较差，不能及时地发现泄漏。 （三）磁通量泄漏检测法 该方法利用智能清管器将管壁损伤或 缺陷产生的磁场变形下来，用软件进 行处理，得出检测报告，从而确定缺陷的 位置（内壁或外壁，环向方位，相对于起 始点和附近焊缝的距离）和缺陷种类（金 属腐蚀的类型、机械损伤等）以及缺陷的 深度和长度。磁通量泄漏检测清管的未来 发展方向是应用有限元计算技术进行腐蚀 缺陷尺寸的确定，以便算出应力水平。 （四）超声波无损探伤技术 超声波无损探伤技术可以直接确定凹 陷、裂纹和剩余管壁厚度。超声波检测更 适于较大壁厚的管道，并特别适于裂纹的 检测。超声波间隙检测法需利用间隙中的 液体作为超声波偶合剂，探测针发射超声 波，超声波通过的液体距离和管道壁厚均 可在波形图上显示出来。有发展前途的是 电磁声波换能器和超声波轮。目前使用的 管线超声波检测设备仍限于间隙式。由于 气体管线中没有液体，使用超声波清管器 有困难，可以在两个密封的清管器之间装 入一段液塞，将检测仪器置于液塞中，以 解决超声波检测不适于输气管线的问题。 二、新型的泄漏检测方法 （一）飞行检测方法 通过采用低空飞行的直升飞机来检测 管道的泄漏，直升飞机中载有检测仪、电 视和显热装置。经过数字式滤波器的结合 信号，可确定管线的定位轮廓，并且能够 拾取气体和液体泄漏而产生的热点。 位于阿肯色州的Spectra Tek Inc提 供了一种航空测量和特种数据检索分析方 法。该种方法可用于若干场合，包括：（1） 管道空中泄漏探测；（2）管道线路检测；（3） 利用现代全球定位卫星（GPS）进行制图和 地图确认；（4）对非法盗窃或打孔盗油气现 象进行探测；（5）对泄漏给环境带来的影响 进行调查；（6）可将所收集的信息编入计算 机文件格式中，以便检索利用。 （二）车载式天然气检漏装置 美国天然气公用事业公司以往使用火 焰电离检测（FID）技术获得检漏信息，这 种方法虽然有效，但检测车行驶速度仅在 4.8~11.7km/h，故效果受到限制。新型的 车载式天然气检漏装置取名为光学甲烷探 测器（OMD），它可装在常速行驶的普通 车辆上。操作时红外光源可从装置一侧穿 过检测车前沿投射到前端减震器另一侧上 面的光学检测器上。甲烷穿过这种光束时， 特定波长的红外线光被气体吸收，从而导 致表明甲烷存在的信号电平突然减弱。一 旦查明有气体泄漏，该装置便立即向汽车 一侧的显示盘发送信号。根据探测器输出 信号的最终变化即可检查出甲烷浓度。 （三）土壤穿透雷达 土壤穿透雷达可以准确确定埋地天然 气管网的泄漏点，且不需要借助于测杆 孔。通过雷达可以“看到”泄漏处漏出的 干气：根据漏点周围土壤电参数的变化确 定漏点的位置。泄漏情况以彩色图形方式 显示出来。这项新技术还在发展，将不仅 可以准确确定漏点的位置，而且可以定量 确定泄漏速率及需要优先维修的点。对于 城市配气系统，土壤穿透雷达还可以用于 确定埋地管线的位置，探测地下异物、冲 毁地段、污水井及混凝土中的钢筋等，并 可用于检查回填土是否夯实。 （四）统计管道泄漏检测系统 该系统根据在管道的入口和出口测取 的流体的流量和压力，连续计算泄漏的统 计概率。对于最佳的检测时间，使用优化 序列分析（SPRT）方法。当泄漏确定之后， 可通过测量流量和压力及统计平均值估算 泄漏量，用最小二乘法进行泄漏定位。实 时应用和现场试验表明，它是一种费用合 理并具有低误报率的先进检漏系统。它可 用于对液态丙烯、乙烯气体天然气和液化 天然气（LNG）管道的检漏，检漏范围为 0.5%~55%。它最主要的突破在于该系统无 需复杂的管道模型就可达到很高的性能， 因而，对于特殊管道所要求的改装工作就 可大大简化。 （五）声波检测技术 当输送管道发生泄漏时，流体瞬间从 管内流出，管内外的压力差将产生特定频 率的声波信号，声波通过管内介质传导， 以管壁引导沿上、下游管线传送。波速取 决于介质密度，液体将比气体更快传送到 传感器。低频讯号的波形将被截取运算并 与资料库做比较。而利用讯号到达感应器 的时间差，可计算出泄漏位置。 声波测漏系统克服了常规的安装流量 计、压力表测漏的反应时间长、定位不够 准确、误报率高和通讯中断就失去功能等 缺点，其主要性能指标达到了国际领先水 平，目前在澳大利亚埃索石油公司的液化 石油气管线、德国BEB公司的酸气管线和 美国科罗拉多西北天然气管线等地得到广 泛应用。 （六）声发射技术 为对盗油打孔过程（还为发生泄漏） 进行监测，中国机械科学研究院正在研究 用声发射方法在线识别盗油技术。声发射 （A E）是固体材料在受力变形和破坏之 际，以弹性波形式释放出应变能的现象。 声发射的频率分布范围很广，从次声、可 听声到超声。用仪器检测、分析声发射信 号和利用声发射推断声发射器的技术成为 声发射技术。盗油者在打孔过程中必然要 使用工具磨销、冲击管壁，使管壁发生变 形、破坏而产生声发射。当用手电钻打孔时 产生的声发射信号与没有打孔的信号频率 特征是不同的，因此，只要对检测的声发射 信号进行处理，提取打孔的信号特征进行 识别，就可以判断是否有人正在打孔。 （七）光纤管道安全监测系统 光纤管道安全系统（FOPSS）利用通 讯光缆作为探测工具，由激光发射器、传 感接受器和传声报警器等部分组成，可实 时地不间断地检测油气输送管道的穿孔泄 漏、地层移动及滑坡等现象，并能准确无 误地指出遭受破坏或发生故障的地段，确 保管道的安全。 由于国外管道自动化起步较早，管道 泄漏检测技术作为管道SCADA系统的四 个重要应用之一，已形成较为成熟的理论 体系和专用技术，被广泛应用于石油管道 的自动控制系统上，申请了许多油气管道 泄漏检测的专利。但由于管道泄漏检测问 题是一个大型复杂非线性偏微分方程组的 反问题，不论是非线性滤波处理还是反问 题的求解方面，在理论和应用方法上都可 做进一步深入的研究工作。因此，在管道泄 漏检测技术方面的研究工作仍在不断进行， 尝试各种新的方法和手段，以提高泄漏检 测的灵敏度和更加准确地判断泄漏位置。