天然气管道泄漏检测与定位技术

王克磊

【摘要】管道运输是天然气的主要输送方式，然而由于腐蚀、人为等原因导致的天然气管道泄漏事故时有发生，不仅造成自然资源的浪费、环境的污染，而且也影响正常的生产和生活，危害人类的身心健康，造成人类生命财产的巨大损失。因此，如何根据天然气管道运行信号，及时发现天然气管道泄漏并准确判断管道泄漏位置就具有重大的现实意义和广阔的应用前景。

【关键词】天然气管道；泄漏检测；技术指标；泄漏定位

【前言】

随着我国海洋油气资源开发力度不断加大，越来越多的海底管道投入使用。海底管道长期暴露于恶劣的海洋环境中，承受着复杂的工作载荷、环境载荷及意外风险载荷（锚泊、拖网、碰撞等），故海底管道的泄漏及结构损坏等事故屡见不鲜。海底管道承担着输送石油、天然气以及其他介质等重要任务，一旦发生失效，不仅维修与更换极其困难，而且影响正常生产运输，污染海洋环境，给国家经济和国民生活造成巨大的损失。

一、管道泄漏检测与定位的性能指标要求

一个高效可靠的管道泄漏检测与定位系统，必须在有天然气泄漏发生时，及时地发现泄漏并能准确地指出管道泄漏的发生位置，而且能适应管道周围的复杂自然环境和运行工况变化，亦即要求管道泄漏检测与定位系统的误报率、漏报率低，而鲁棒性强，同时还应便于维护。一般采用如下几个指标来衡量。

（一）灵敏性。

泄漏检测系统能够检测从天然气管道发生渗漏直至管道断裂全部范围内的泄漏情况，并发出正确的报警提示，包括系统能够检测出的泄漏量的变化范围和管道长度，尤其是最小可测天然气泄漏量和最大可测管道长度。

（二）定位精度。

定位精度指系统能够检测出的泄漏位置与实际泄漏位置的差异，当天然气管道发生不同等级的泄漏时，检测系统提供的泄漏点位置与管道真实泄漏点之间的误差要小，便于管道维护人员尽快到达泄漏地点组织维修。

（三）响应时间。

响应时间指从天然气泄漏发生到被检测出并进行报警的时间间隔，响应时间缩短，以便管道维护人员能够及时发现泄漏并采取维护措施，来减少损失。检测系统应具有较低的误报率和漏报警率。即检测系统的除噪、抗干扰能力，能够准确地检测出泄漏，不发生或少发生实际未泄漏而报警或实际泄漏而未报警的情况。

（四）评估能力。检测系统对天然气的泄漏量大小、泄漏时间、泄漏损失等情况的估计具有较准确的能力。

（五）适应能力。检测系统对天然气管道的运行工况变化的适应性，对不同的管道周围环境，不同的天然气介质及管道拓扑结构发生变化时，均有效。

（六）有效性。可连续检测管道泄漏的能力。

（七）维护要求。检测系统使用和维护的简易性，当检漏系统出现故障时，要容易调整，可尽快修好。

（八）性价比。检测系统所能提供的检测性能与系统投资、运行及维护的花费的比值要高。

二、天然气管道泄漏检测与定位方法

海底管道检测技术是进行完整性评价的基础和前提，检测技术水平的高低决定完整性评价的准确程度。海底管道检测技术主要包括外检测技术和内检测技术。海底管道外检测主要是对海底水流冲刷致使的局部管道悬空、涡激振动导致的管道屈曲变形、开裂破坏、地震作用下海底土壤液化致使的管道沉陷、第三方活动导致的涂层损伤与机械损伤、外保护层系统及腐蚀电位读数等进行诊断。管道外检测通常由潜水员和潜水器在水下完成，技术方法除了传统的目视检测外，也涉及水下测厚、电位测量及水下磁粉和超声检测等先进方法。按检测操作是在水面上还是在水面下进行，外检测方法又可分为水面检测和水下检测。

（一）水面检测是利用检测工具在水面上对管道进行检测，包括：采用超声波测量技术检测埋得不深的管道，确定坑道的轮廓和管道的埋土深度；检测阴极保护情况；通过水的取样检测泄漏等。

（二）水下检测需要利用载人潜水艇、遥控设备等海上运输设备辅助进行管道定位和跟踪、管道拍照、识别坑道轮廓和断面、判断管道埋土深度及高度和长度、检测阴极保护、泄漏检测和定位、管道厚度检测、保护层检测、腐蚀和外部机械损伤检测等。根据需要检测的内容和管道的深度，可以选择潜水员或潜水艇。通常，水深在0～50m之间可用潜水员；50～300m之间可以用潜水艇；有人驾驶的潜水艇可以在1 000m深的水中工作；对特别深的情况，需采用遥控设备。海底管道内检测通常是在不影响油气正常运输的情况下，根据漏磁、超声波、涡流等探伤原理，利用检测器对管道几何变形、管壁腐蚀、裂纹状况、壁厚变化、穿孔泄漏、焊缝等进行检测。管道内检测主要利用各种内检测仪器设备来完成，内检测器按功能可分为用于检测管道几何变形的测径仪、用于检测因腐蚀产生的体积型缺陷的漏磁通检测仪、用于探测管道泄漏的泄漏检测仪、用于检测裂纹类平面型缺陷的涡流检测仪、超声波检测仪以及以弹性剪切波为基础的裂纹检测仪等。管内检测器的选择必须根据每条管道的具体情况、所检测缺陷的类型来确定。

三、天然气管道泄漏检测与定位的具体方法

管内检测法

管内检测法一般基于磁通、涡流、摄像等通球技术，该方法在长输油气管道中使用较多。其中基于磁通检测原理的智能爬机在管道工业中应用最为普遍，该装置在管道内靠气缸伸缩产生蠕动前进，前进过程中随带的信号采集系统就会收集天然气管道内壁信息，由于铁磁性材料与缺陷处介质的导磁率不同，理论上当管道内壁表面完好無缺陷时，其磁力线全部通过由铁磁材料构成的被测物；一旦管道内壁存在缺陷，缺陷处的磁阻将变化，从而磁通会在缺陷处发生畸变。利用相关软件对爬机采集的漏磁信号数据进行分析处理后，可以得到管内壁厚度、腐蚀状况、粗糙度等信息，当然也可判断管道是否是天然气泄漏。

人工巡检法

人工巡检法是目前我国大部分天然气公司惯用的管道检测方法，即由天然气巡线员携带手式天然气体检漏仪或天然气检漏车定期沿管道敷设位置路面巡视，通过看、闻、测、听等方式来判断是否有天然气泄漏。由于不同种类的天然气泄漏后，其密度不同、周围自然环境不同而导致其流向不同、天然气浓度不同，同时天然气管道周围的污水、垃圾等也会产生沼气使天然气体干扰其检测的准确度，因此该法检漏和定位的准确度与巡检人员的经验和主观判断关系重大。由于光在信号传输、衰减和抗干扰方面有着独特的优越性，检测元件法中具有代表性的检测元件是光纤传感器，其利用光的特性进行泄漏检测，即在管道施工时将光纤铺设于管道外，当天然气泄漏时造成光纤传输损耗增加，当传感器接受的光强低于设定值时，系统就会发出警报。

红外线成像法

红外线成像法是由直升飞机携带一高精度红外摄像机沿管道飞行，通过记录和分析埋地天然气管道周围不规则的热辐射效应来判断天然气管道是否泄漏，但该法的缺点是不能对管线进行连续实时检测，发现泄漏的实时性差，同时其检测成本高，对管道的敷设深度也有一定限制。

负压波法

负压波法是在国内研究较多的一种方法，当管道某处突然发生泄漏时，泄漏处将出现瞬态压力突降，形成一个负压波，该负压波以一定的速度向管道两端传播，根据负压波传播到上下游端压力传感器的时间差和负压波的传播速度就可以确定泄漏点的具体位置。

流量平衡法

该方法也称为质量分析法，是一种最基本的检测方法。它根据进出口管道流体的流量差来判断管道是否发生泄漏。

声波法

管道发生泄漏时会产生噪声，泄漏产生的噪音强度及清晰度受到管内压力、泄漏点的孔尺寸及形状、管道直径、壁厚，以及材质等因素的影响。通过安装在管道外壁的声波传感器可监测到泄漏声信号的大小和位置，无泄漏时，声波传感器获得的是背景噪声信号，有泄漏时，可探测到低频泄漏声信号，如采用两个以上的传感器，通过相关分析即可对泄漏源进行定位。

结束语：

泄漏是天然气管道安全输送的主要隐患，如何预防泄漏事故的发生，保证全线安全稳定运行是一个综合性课题。管道泄漏检测是多领域、跨学科的课题，涉及到流体力学、传感技术、微弱信号检测、信号处理等多个学科，世界上对管道泄漏监测技术的研究已经有几十年的历史，但由于管道运行过程的复杂因素，使得至今没有一种权威通用并且简单可靠的泄漏監测办法。当泄漏过程缓慢时，无论是泄漏信号的提取还是泄漏点的定位，都是人们致力于研究解决的问题。同时，要保证天然气管道的安全运行不仅需要选择经济合适的泄漏检测方法，还需要从管道设计、工程施工和日常运行管理等多方面加以重视，以最大程度地减小泄漏事故的发生。

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