油氣管道泄漏檢測技術(shù)的選擇和應(yīng)用

蔡曉龍，劉永軍，董曉琪

1中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

2中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

1. 引言

管道運(yùn)輸因?yàn)樗慕?jīng)濟(jì)性和安全性，現(xiàn)在被應(yīng)用的越來越廣泛，隨著管道技術(shù)的快速發(fā)展，管道運(yùn)輸已成為世界第五大運(yùn)輸工具[1]。由于油氣輸送管道介質(zhì)具有易燃易爆特性，一旦發(fā)生泄漏，極易引發(fā)火災(zāi)和爆炸等事故，造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染，因此對(duì)油氣管道的泄漏點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位是管道安全運(yùn)行的前提條件，各個(gè)國家的科技工作都非常重視管道的泄漏檢測技術(shù)。

2. 管道泄漏檢測系統(tǒng)技術(shù)

經(jīng)過相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，發(fā)生管道泄漏事故的主要原因是由于人為破壞、防腐層失效、陰極保護(hù)度降低、內(nèi)腐蝕嚴(yán)重等問題導(dǎo)致的穿孔泄漏。管道泄漏檢測技術(shù)是多學(xué)科多領(lǐng)域的知識(shí)融合，目前已經(jīng)從最簡單的人工巡線檢測發(fā)展到復(fù)雜的數(shù)值模擬計(jì)算[2]。

檢測管道泄漏有不同的技術(shù)可供選擇，也有不同的分類方法，按照基于硬件與軟件的檢測法分為內(nèi)檢測部法和外部檢測法兩類。內(nèi)部法即基于管道內(nèi)部參數(shù)計(jì)算的檢測方法，使用儀器來監(jiān)測內(nèi)部管道參數(shù)(壓力、流量、溫度等)作為輸入，通過一定的算法從而推斷出管道泄漏。外部法即基于管道外部的檢測方法，例如傳統(tǒng)的線路巡檢和基于光纖傳感的泄漏檢測。

內(nèi)部檢測法是通過連續(xù)監(jiān)測壓力、溫度、流量、聲速、粘度、密度或其他管道參數(shù)的狀態(tài)，根據(jù)這些參數(shù)的變化量，通過特定的軟件算法推斷是否發(fā)生泄漏。主要的基于內(nèi)部的方法有：負(fù)壓波法、實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型法、統(tǒng)計(jì)分析法、壓力/流量的監(jiān)測和分析法、體積平衡法、質(zhì)量平衡法、線平衡法等。

外部檢測法是基于通過各種傳感設(shè)備或電纜對(duì)泄漏介質(zhì)所造成的管道外部環(huán)境參數(shù)改變的物理檢測方法。主要的外部檢測法有：光纖傳感技術(shù)、聲波檢測法、碳?xì)浠衔镎羝蛞后w感應(yīng)管、紅外攝像機(jī)等。

其中基于分布式光纖傳感技術(shù)、負(fù)壓波技術(shù)和實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型技術(shù)的泄漏檢測系統(tǒng)是在長輸油氣管道中常用且效果比較好的技術(shù)手段。

3. 技術(shù)對(duì)比

3.1. 分布式光纖傳感技術(shù)

分布式光纖傳感技術(shù)是將光纖本體作為傳感器，通過與解調(diào)儀連接對(duì)光纖中傳輸激光的各項(xiàng)屬性進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，從而對(duì)外界信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)管道周圍地理環(huán)境中出現(xiàn)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害或管道發(fā)生泄漏，光纖會(huì)因拉扯而發(fā)生變形或者內(nèi)部二氧化硅的密度因溫度而發(fā)生變化，由此帶來光化，應(yīng)變、溫度等中間參數(shù)的變化得以直觀的在波形圖上得到體現(xiàn)。通過對(duì)波形圖的分析和判斷，現(xiàn)場管理人員得以及時(shí)了解發(fā)生事件的類型、強(qiáng)度以及位置，以便及時(shí)反應(yīng)和處理。

根據(jù)光纖中傳播的背向散射光的分布，見圖1 [3]。將基于散射式的光纖傳感技術(shù)分為拉曼散射、瑞利散射、布里淵散射以及部分基于干涉或其它類型的產(chǎn)品。

Figure 1. The distribution of backscattered light in optical fibers圖1. 光纖傳播的背向散射光的分布

在拉曼散射、瑞利散射、布里淵散射這三種分布式傳感技術(shù)中，系統(tǒng)配置是相似的。激光光源用來向傳感光纖發(fā)射信號(hào)光脈沖。當(dāng)光脈沖沿著光纖的長度傳播時(shí)，少量的信號(hào)被瑞利、布里淵或拉曼散射效應(yīng)反向散射。背向散射光被過濾為特定波長，經(jīng)過分析以確定溫度或應(yīng)變。

分布式光纖傳感技術(shù)適用于管道同溝敷設(shè)有光纜的情況。需進(jìn)一步根據(jù)具體管道內(nèi)流體介質(zhì)類別(氣體或液體)、管道口徑、是否其它探測的內(nèi)容(如入侵、地災(zāi)等)合理設(shè)計(jì)光纜與管道的相對(duì)位置。

分布式光纖傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括：1) 利用與管道同溝敷設(shè)的光纜用于泄漏檢測可以降低成本；2) 定位精度高；靈敏度高，對(duì)小的泄漏更敏感；3) 傳感光纜抗電磁干擾和外界震動(dòng)干擾能力強(qiáng)，高絕緣性好；4) 抗電磁干擾、安全可靠；5) 不受管道內(nèi)流體性質(zhì)的變化影響；6) 不受管道運(yùn)行狀態(tài)的影響。

分布式光纖傳感技術(shù)的缺點(diǎn)有：1) 是基于外部條件的檢測方法，受外部條件制約，光纜中斷會(huì)影響到泄漏檢測系統(tǒng)中斷；2) 可能無法檢測到漸進(jìn)式泄漏；3) 無法預(yù)測泄漏的大??；4) 尤其是當(dāng)流體溫度接近環(huán)境溫度時(shí)不易探測，因此有些輸油管道不太適用；5) 對(duì)于沒有光纜的已有管道來說，需要敷設(shè)光纜，費(fèi)用昂貴、難度大。

3.2. 負(fù)壓波技術(shù)

這項(xiàng)技術(shù)基于對(duì)管道負(fù)壓的測量。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，釋放處的壓力下降。這種負(fù)壓波從釋放點(diǎn)以波動(dòng)的形式向上下游兩個(gè)方向傳播，可以被兩端或沿管道的高精度壓力變送器感知。

對(duì)負(fù)壓的檢測與確認(rèn)是負(fù)壓波技術(shù)的基礎(chǔ)，因此需在管道兩側(cè)一定的位置安裝高靈敏度和高精度的壓力變送器。變送器連續(xù)測量管路壓力的波動(dòng)，見圖2，將迅速的壓力降低和恢復(fù)信息上傳給監(jiān)控設(shè)備。通過來自所有監(jiān)測站點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化分析，以確定是否啟動(dòng)泄漏檢測警報(bào)，同時(shí)利用該負(fù)壓波到達(dá)上下游的時(shí)間差可以確定泄漏點(diǎn)的具體位置。

Figure 2. Schematic diagram of negative pressure wave method圖2. 負(fù)壓波法示意圖

負(fù)壓波技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括：1) 利用壓力變送器進(jìn)行測量，成本費(fèi)用低；2) 檢測速度快；3)能夠比較準(zhǔn)確的定位的泄漏位置；4) 對(duì)流體性質(zhì)(如粘度和密度)極不敏感；5) 不受外部環(huán)境條件影響；6) 比較容易發(fā)現(xiàn)打孔盜油。

負(fù)壓波技術(shù)缺點(diǎn)包括：

1) 適合用于液體管道的泄漏檢測，不推薦用于天然氣管道。根據(jù)管道中氣體流動(dòng)的流體剖面，由于管道泄漏而產(chǎn)生的聲波不能在天然氣管道中長距離傳播，負(fù)壓波在輸氣管道中會(huì)迅速衰減，并且泄漏產(chǎn)生的壓力波幅值往往接近正常水平的管道噪聲。根據(jù)2012 年12 月發(fā)布的《管道與危險(xiǎn)物質(zhì)安全管理局(美國運(yùn)輸部)泄漏檢測研究報(bào)告》，負(fù)壓波法不適用于天然氣管道。

2) 負(fù)壓波技術(shù)可以檢測突然發(fā)生的泄漏或由于管道損壞造成的泄漏。該技術(shù)對(duì)漸進(jìn)式泄漏的檢測能力較差，因?yàn)樵跐u進(jìn)式泄漏中不會(huì)產(chǎn)生特定的聲波。

3) 受儀表精度和響應(yīng)時(shí)間影響非常大。用于壓力測量的傳感器需要有很快的響應(yīng)時(shí)間非常高的采樣率。須經(jīng)常校準(zhǔn)儀表，否則可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤。儀表故障會(huì)導(dǎo)致無法檢測到泄漏。

4) 受噪音影響，壓力傳感器很難精確的檢測到負(fù)壓波突降點(diǎn)，時(shí)間差計(jì)算精度有待提高。5) 正常的操作，例如調(diào)節(jié)閥門、啟停泵等都會(huì)引起負(fù)壓波，造成誤報(bào)警。

3.3. 實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型技術(shù)

實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型技術(shù)基于水力模擬的實(shí)時(shí)模擬流體流動(dòng)、壓力和溫度的模型，依據(jù)動(dòng)量守恒計(jì)算、能量守恒計(jì)算和大量的流動(dòng)方程將模擬結(jié)果與測量數(shù)據(jù)(壓力和流量)進(jìn)行比較判斷出管道是否泄漏。

為了設(shè)計(jì)特定管道的實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型，需要了解管道的配置，包括管道的物理參數(shù)(管長、管徑、壁厚、管道構(gòu)成、路由拓?fù)洹⒙肪€走向、粗糙度、泵、閥門、設(shè)備位置等)及流體物性(精確的體積模量、黏度、密度等) [4]。

實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型可以用于幾種方法檢測泄漏，最常見的兩種方法是：

1) 偏差分析法：將SCADA 系統(tǒng)的測量值與實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型的計(jì)算值進(jìn)行比較。如果差值超過預(yù)先確定的閾值，則會(huì)產(chǎn)生泄漏警報(bào)。

2) 模型補(bǔ)償量平衡法：采用實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型實(shí)時(shí)計(jì)算庫存量。庫存量更改用于糾正數(shù)量不平衡。如果補(bǔ)償?shù)牟黄胶獬^預(yù)定的閾值，則會(huì)產(chǎn)生泄漏警報(bào)。

相對(duì)于其他方法，實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型的優(yōu)勢(shì)在于它能夠模擬所有的動(dòng)態(tài)流體特性(流量、壓力、溫度)，并考慮到廣泛配置的物理管道特性(長度、直徑、厚度等)以及產(chǎn)品特性(密度、粘度等)。

實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型的優(yōu)點(diǎn)有：1) 有完整的流體動(dòng)力學(xué)特性，如流量，壓力和溫度等建模；2) 通常依托于現(xiàn)有的儀表和SCADA 系統(tǒng)，安裝成本相對(duì)較低；3) 可以測量泄漏的體積和位置；4) 適用于瞬態(tài)工況；5) 在提高模型配置的準(zhǔn)確性后，誤報(bào)率更低。

實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型的缺點(diǎn)包括：1) 現(xiàn)場儀表(壓力、流量、溫度)的任何故障或缺陷都將降低其性能，使其容易出現(xiàn)誤報(bào)；2) 算法比較復(fù)雜，需要大量的關(guān)于管道、設(shè)備和流體的數(shù)據(jù)，而有時(shí)這些數(shù)據(jù)的獲取比較困難；3) 運(yùn)操作和維護(hù)都需要較專業(yè)的知識(shí)和技能；4) 對(duì)流體特性，特別是粘度和密度較敏感；5)泄漏位置識(shí)別的準(zhǔn)確性不是很好，取決于現(xiàn)場儀表在管道上的位置。需要經(jīng)常校準(zhǔn)流量和壓力儀表。

3.4. 技術(shù)的選擇標(biāo)準(zhǔn)

管道泄漏檢測系統(tǒng)的選擇主要依據(jù)五個(gè)主要因素：

1) 靈敏度。靈敏度定義為系統(tǒng)能夠檢測到的泄漏大小的綜合度量，以及在發(fā)生這種大小的泄漏時(shí)系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)所需的時(shí)間。

2) 精確度。精確度是與泄漏流量、總?cè)莘e損失、泄漏位置等估計(jì)參數(shù)相關(guān)的泄漏檢測系統(tǒng)性能的度量。

3) 可靠性?？煽啃允菍?duì)泄漏檢測系統(tǒng)對(duì)管道可能存在的泄漏做出準(zhǔn)確判斷的能力的度量。

4) 穩(wěn)健性。穩(wěn)健性是對(duì)泄漏檢測系統(tǒng)在管道運(yùn)行條件不斷變化的情況下繼續(xù)發(fā)揮作用并提供有用信息的能力的一種衡量。

5) 投資成本。包括建成一套完成的泄漏檢測系統(tǒng)所需的系統(tǒng)設(shè)備、材料的采購和施工的費(fèi)用。

評(píng)估過程中也應(yīng)適當(dāng)考慮的其它次要因素包括：泄漏大小、泄漏檢測時(shí)間、兼容性、適用性、數(shù)據(jù)資源可獲得性、易用性、可訪問性、安全性等。

4. 結(jié)論和建議

管道泄漏檢測系統(tǒng)對(duì)于管道安全運(yùn)行至關(guān)重要，需要根據(jù)管道實(shí)際情況選擇合適的泄漏檢測技術(shù)。負(fù)壓波技術(shù)和實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型都可以依托現(xiàn)有的儀器儀表，綜合成本較低，其中負(fù)壓波技術(shù)建議用于天然氣管道。光纖傳感技術(shù)不但能夠檢測管道泄漏，還可以用于探測第三方入侵、地層運(yùn)動(dòng)(如滑坡、崩塌、沉降及其它地質(zhì)災(zāi)害)、季節(jié)變化對(duì)周圍土壤影響、土壤侵蝕跡象、管道智能清管器位置追蹤等。

分布式光纖傳感技術(shù)具有監(jiān)測距離長、定位精度高、靈敏度高、安裝施工方便等優(yōu)點(diǎn)，是未來天然氣管道相關(guān)安全監(jiān)測技術(shù)(包括泄漏檢測技術(shù))的主要發(fā)展方向之一。光纖通信已經(jīng)是新建油氣管道項(xiàng)目的主用通信方式，新建管道項(xiàng)目都會(huì)與管道同溝敷設(shè)光纜，大大降低了光纖傳感泄漏檢測的建設(shè)成本。所以建議新建管道項(xiàng)目將基于分布式光纖傳感技術(shù)的泄漏檢測系統(tǒng)作為首選。