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【論文精選】城鎮(zhèn)燃氣管道泄漏檢測技術現(xiàn)狀與展望

時間：2021-10-20 00:00:00　瀏覽：1232次　來源：煤氣與熱力雜志(GAS-HEAT1978)　　作者：科技與信息化管理部

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作者：嚴榮松，趙自軍，高文學，楊林，王艷，戶英杰

第一作者單位：中國市政工程華北設計研究總院有限公司城市燃氣熱力研究院

摘自《煤氣與熱力》2021年10月刊

1 概述

我國城鎮(zhèn)用能已經(jīng)進入天然氣的時代，燃氣管道系統(tǒng)已經(jīng)成為天然氣儲運、輸配的重要網(wǎng)絡。在長期運行過程中，燃氣管道會因腐蝕、焊接缺陷、第三方破壞等原因而失效，從而導致泄漏事故的發(fā)生。泄漏事故不僅影響到管道的正常運行，而且還威脅到環(huán)境和人身安全。燃氣管道的微小泄漏都可能會導致重大的安全事故和經(jīng)濟損失。管道泄漏檢測是否有效開展已成為燃氣管道安全運行及完整性管理亟待解決的關鍵問題^［¹^］。

與我國管道泄漏檢測技術相比，國外相關技術發(fā)展至今已形成相對成熟的體系^［²^］。一些研究學者對管道泄漏檢測有著不同的分類方法^［³^］。基于檢測技術智能化特征，檢測技術分為自動檢測、半自動檢測和手動檢測；基于檢測數(shù)據(jù)的特征相關性，檢測技術分為直接檢測和間接檢測^［⁴^］。本文結合現(xiàn)有的油氣管道泄漏檢測標準和檢測方法，重點介紹典型泄漏檢測技術方法的原理、優(yōu)點、局限性，并從城鎮(zhèn)燃氣管道泄漏檢測關鍵技術的角度分析技術的發(fā)展趨勢和存在問題，以期為城鎮(zhèn)燃氣管道泄漏檢測技術的選擇提供參考。

2 國內(nèi)外主要標準

按主要功能將標準分為操作程序類、技術相關類和管理相關類等3類。

2.1 操作程序類

操作程序類標準涵蓋可用于指導現(xiàn)場泄漏檢測技術的操作和準備要求，共有3項標準。

①NB/T 47013.8—2012《承壓設備無損檢測第8部分：泄漏檢測》，規(guī)定了確定承壓設備泄漏部位和測量泄漏率的泄漏檢測方法；

②API RP 1130： 2012《液體管道的計算監(jiān)測》（Computational Pipeline Monitoring for Liquids），規(guī)定了管道監(jiān)測系統(tǒng)的設計、實施、測試和操作；

③DNVGL-RP-F302： 2016（2019）《海上泄漏檢測》（Offshore leak detection），規(guī)定了現(xiàn)場項目的規(guī)劃、設計、運維等階段海上泄漏檢測系統(tǒng)的集成和操作。

2.2 技術相關類

技術相關類標準涵蓋介紹相關泄漏檢測技術原理、方法，共有10項標準。

①GB/T 33643—2017《無損檢測聲發(fā)射泄漏檢測方法》，規(guī)定了基于聲發(fā)射（AE）技術的泄漏檢測方法和結果評價；

②GB/T 34638—2017《無損檢測超聲泄漏檢測方法》，規(guī)定了超聲泄漏檢測方法和結果評價；

③ISO 20484： 2017《無損檢測泄漏檢測術語》（Non-destructive testing—Leak testing—Vocabulary），定義了泄漏測試中使用的術語；

④ISO 20485： 2017《無損檢驗泄漏檢測示蹤氣體方法》（Non-destructive testing-Leak testing-Tracer gas method），描述了使用示蹤氣體的檢測泄漏技術及用于示蹤氣體的檢漏儀；

⑤ISO 20486： 2017《無損檢測泄漏檢測氣體參考漏孔的校準》（Non-destructive testing -Leak testing -Calibration of referenceleaks for gases），詳細說明了用于校準檢漏儀的泄漏的校準方法；

⑥ISO 18081： 2016《無損檢測聲發(fā)射檢測聲發(fā)射泄漏檢測方法》（Non-destructive testing-Acoustic emission testing（AT）-Leak detection by means of acoustic emission），規(guī)定了通過聲發(fā)射測試（AT）進行泄漏檢測所需的一般要求；

⑦API SMART《用于控制逸散性排放的智能泄漏檢測和修復方法》（Smart LeakDetection and Repair （LDAR） for Controlof Fugitive Emissions），開發(fā)了有效的程序和技術，以控制管道系統(tǒng)中諸如閥門、泵、連接器等的逸散性排放；

⑧API TR 1149： 2015《管道變量的不確定因素及其對泄漏探測能力的影響》（Pipeline Variable Uncertainties and Their Effects on LeakDetectability），描述了管道壓力狀態(tài)計算監(jiān)測管道泄漏不確定性的程序；

⑨API PUBL 346： 1998《地下管道泄漏檢測和泄漏定位技術的測距測試結果》（Results of Range-Finding Testing of Leak Detection and Leak LocationTechnologies for Underground Pipelines），針對不同類型的管道確定可用于泄漏檢測和定位的技術，并進行測距測試，以評估對運營的潛在影響；

⑩ASTM E432-91（2017）《滲漏試驗方法的選擇》（Standard Guide for Selection of a Leak Testing Method），提供了泄漏試驗選擇方法及簡化指南。

2.3 管理相關類

管理相關類標準是指可用于指導泄漏檢測與管道完整性管理的程序文件，共有1項標準。

API RP 1175： 2015（R2017）《管道泄漏檢測管理程序》（Pipeline Leak Detection-Program Management），為液體管道建立了泄漏檢測程序（LDP）管理框架。

3 主要技術現(xiàn)狀

3.1 基于化學成分分析法

嗅探儀法^［⁵^］的原理是指通過特殊儀器捕獲泄漏氣體并分析其濃度的方法。為了提高效率，通常采用機載設備靠近管道沿線進行巡查，例如燃氣巡檢車等。

該方法的優(yōu)點是檢測速度快，檢測精度高，泄漏位置可準確定位。主要局限性是運營成本較高，且檢測結果易受風速等環(huán)境因素的影響。

3.2 聲學分析法

3.2.1 聲波法

聲波法^［⁶^］的原理是通過聲波傳感器檢測燃氣管道內(nèi)沿著天然氣傳播的特定聲波信號，根據(jù)泄漏信號定位分析泄漏點。聲波法的關鍵是確定聲波的波速。由于聲波在天然氣介質(zhì)的傳播速度比原油介質(zhì)中的慢，因此，天然氣管道泄漏檢測的定位精度高于原油管道的定位精度。

該方法的優(yōu)點在于工作原理簡單，靈敏度高，定位準確。主要局限性是當管道地形環(huán)境復雜時，聲速信號降噪、弱特征提取難以準確計算。

3.2.2 聲發(fā)射法

聲發(fā)射法^［⁷^］的原理是通過預先安裝在管壁外側(cè)的聲傳感器，捕捉并放大天然氣通過泄漏孔向外噴射產(chǎn)生的聲音信號，再利用檢測裝置將接收到的聲音信號處理成可用的聲音全波形，實現(xiàn)管道泄漏狀況和定位泄漏點監(jiān)測的目的。

該方法的優(yōu)點是聲發(fā)射技術可以更加準確地在線定位埋地管道泄漏源，且檢測靈敏度較高。主要局限性是需施工開挖以便安裝傳感器，特殊情況下還需中斷管道供氣。

3.3 光學測量法

3.3.1 激光雷達系統(tǒng)法

激光雷達系統(tǒng)法^［⁸^］是基于光譜吸收的原理進行的，利用激光發(fā)射裝置發(fā)射甲烷易吸收的光波，通過吸收光譜傳感器回收激光回波信號，測量激光散失能量與功率，從而獲得大氣中甲烷的濃度。由美國ITT公司開發(fā)的機載天然氣發(fā)射激光雷達（ANGEL）系統(tǒng)包括高分辨率測繪攝像機、差異吸收光譜傳感器、數(shù)字攝像機和飛機，探測速度可達160 km/h。美國布里杰光電公司（Bridger Photonics， Inc）開發(fā)了一種基于調(diào)頻連續(xù)波激光雷達（FMCW）測距和氣體濃度測量集成的3D高質(zhì)量氣體云圖像顯示技術，對氣體泄漏檢測與監(jiān)測更加準確。美國波爾航太公司（Ball Aerospace & Technologies）研制的先進機載傳感器，擴大儀器覆蓋范圍，確保采樣分辨率和定位精度。

該方法的優(yōu)點是激光雷達系統(tǒng)具有檢測速度快、泄漏位置準確。主要局限性是運營成本過高。

3.3.2 熱成像法

熱成像法^［⁹^］的原理是采集檢測對象氣體的紅外波段輻射信息實現(xiàn)氣體泄漏檢測的熱成像。熱成像儀采用熱成像技術分析管道周圍熱輻射的變化。當天然氣管道泄漏時，管道周圍的土壤溫度會因節(jié)流效應而降低。這種方法可用于移動車輛、直升機或便攜式系統(tǒng)，美國菲利爾系統(tǒng)公司（FLIRSystems， Inc）的紅外系列氣體成像儀（Gas FindIR系列）和法國伯丁技術公司（Bertin Technologies）的紅外成像氣體云實時監(jiān)測儀（Second Sigh系列）應用較為廣泛。

該方法的優(yōu)點是顯示速度較快。主要局限性是其設備昂貴，檢測成本較高，且易受燃氣溫度、周圍土壤溫度的影響而導致檢測結果不準確。

3.3.3 光譜成像法

光譜成像法^［⁹^］的原理是利用光譜掃描空間，獲取隨波長分布的光譜輻射信息，對信息數(shù)據(jù)進行處理后得到目標的三維特征及內(nèi)部屬性信息?？蛇M一步分為多波長成像技術和高光譜成像技術。光譜成像法有吸收模式和發(fā)射模式兩種模式。利用多波長發(fā)射技術檢測天然氣濃度的前提是，泄漏后的天然氣的溫度遠高于周圍空氣的溫度。即使天然氣與環(huán)境空氣之間沒有溫差，多波長吸收成像技術也可利用多波長背景輻射直接成像天然氣濃度。目前，具有代表性的應用包括來自英國物理科學公司（Physical Sciences Inc）的自適應紅外成像光譜儀（AIRIS）和來自加拿大泰洛普斯公司（TelopsInc）的輻射光譜成像光譜儀（FIRST）。

光譜成像法的優(yōu)點是檢測結果的誤報率較低。主要局限性是設備昂貴，數(shù)據(jù)結果解析過程復雜。

3.4 分布式光纖傳感器法

分布式光纖傳感器法^［^10-11^］的原理是依靠分布式光纖可用于檢測應變和溫度異常的功能，從而能夠?qū)崟r監(jiān)測管道泄漏。由于管道內(nèi)外存在較大的壓力差，在天然氣泄漏處引起管道壁面和周圍土壤的振動，在局部位置形成溫度變化區(qū)。這些異常狀況會導致光纖的溫度變化、光導介質(zhì)的變化以及彎曲和張力（或壓縮）應變。分布式光纖傳感器法可分為反射式分布式光纖檢測方法、干涉式分布式光纖檢測方法和準分布式光纖光柵檢測方法。

該方法的優(yōu)點是不僅可實現(xiàn)管道泄漏的在線監(jiān)控，且具有抗干擾能力較強、測量沿程距離大、對微小泄漏靈敏度高。主要局限性是在多點檢測、抗環(huán)境干擾、提高定位精度和振動源類型的自動識別方面，仍有改進的空間。

3.5 智能球法

智能球^［¹²^］包括聲學傳感器、加速度計、磁力計、超聲波發(fā)射器、溫度傳感器等。智能球是一種自漂流式球形裝置，可以隨著燃氣流動在管道中運動，適用于公稱直徑大于100 mm的管道。智能球可以通過清管裝置進行發(fā)射和回收，不需要其他輔助設施，能夠克服管道形狀障礙，達到對小泄漏的最高響應能力。該裝置在通過管道時，記錄所有噪聲事件，除了部分與小型泄漏噪聲（例如調(diào)壓器、閥門的泄漏噪聲）特征類似的環(huán)境噪聲，管道泄漏噪聲特征可以清楚地區(qū)別于其他形式環(huán)境噪聲。

初期的智能球只能用于供水管道。2010年以后，美國Pure油氣管道技術公司的19次實驗結果顯示，智能球可用于石油和天然氣管道。在智能球技術論證過程中，智能球可以識別的最小天然氣泄漏量為0.11 L/min，泄漏定位誤差范圍為±2 m，驗證了該裝置檢測小型泄漏的能力^［⁸^］。

該方法的優(yōu)點是可用于各種材料的管道的在線檢測，泄漏檢測的靈敏度較高。主要局限性是測量結果準確性受泄漏點內(nèi)外壓差影響較大。

4 發(fā)展趨勢及存在問題

4.1 發(fā)展趨勢

①隨著成像技術的發(fā)展，開發(fā)高效率、遠距離、大范圍、動態(tài)直觀等優(yōu)勢顯著的泄漏成像檢測裝備將成為重點發(fā)展方向。

②利用管段瞬時壓力、流量數(shù)據(jù)，形成瞬態(tài)測量數(shù)據(jù)進行泄漏定位、診斷、狀態(tài)估計等在線診斷技術，是燃氣管道泄漏檢測技術的一個發(fā)展趨勢。

4.2 存在問題

①油氣管道泄漏檢測的現(xiàn)行相關標準存在檢測技術太單一、檢測技術覆蓋范圍太小的問題，泄漏檢測標準體系仍需完善。

②現(xiàn)有的泄漏檢測系統(tǒng)的應用對象主要為長輸油氣管道，沒有一種技術能在城鎮(zhèn)燃氣行業(yè)中處于絕對的優(yōu)勢，相關設備大多存在系統(tǒng)結構復雜、體積大的問題。

③盡管可燃氣體圖像增強算法已經(jīng)在成像系統(tǒng)中得到了探索應用，但大多數(shù)算法針對可燃氣體云團本身的特征（例如形狀、大小、濃度分布和擴散運動等）的目標圖像處理較少。

④可燃氣體泄漏檢測系統(tǒng)性能評價方法在城鎮(zhèn)燃氣行業(yè)仍屬空白。

5 結語

綜上所述，未來具有快速、高效、精準優(yōu)勢的小體積、大視場與高分辨率的泄漏檢測系統(tǒng)將擁有更加廣泛的應用前景，開展對氣體泄漏成像檢測技術、數(shù)據(jù)驅(qū)動的自動識別和泄漏點自動判斷和預警技術、檢漏裝置系統(tǒng)性能評價等關鍵技術的研究具有重要意義，是保障城鎮(zhèn)燃氣管道安全運行的重要技術手段。

參考文獻：