王飛 邸小彪 牛炳乾 勾丹丹 楊娜 張家涵 張杰

中國石油天然氣管道通信電力工程有限公司

天然氣管道介質(zhì)泄漏容易引發(fā)事故，其運(yùn)行過程中的泄漏監(jiān)測尤為重要。傳統(tǒng)的壓力梯度法、質(zhì)量平衡法、負(fù)壓波法等監(jiān)測方法均難以實(shí)現(xiàn)對天然氣管道泄漏的有效監(jiān)測。通過介紹和分析基于模擬仿真的泄漏監(jiān)測技術(shù)、次聲波泄漏監(jiān)測技術(shù)、分布式光纖監(jiān)測方法、基于吸收光譜的監(jiān)測方法、基于超聲的泄漏監(jiān)測技術(shù)、微量滲漏實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)等常用泄漏監(jiān)測技術(shù)和不同特性，提出了在工業(yè)化測試中的適用場景和改進(jìn)方向。

1  基于模擬仿真的泄漏監(jiān)測技術(shù)

該技術(shù)方案以管道路由、管道支線分布、各類儀表數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)來源，利用流體力學(xué)分析軟件，開展泄漏模擬仿真。管道運(yùn)行中一旦有一塊壓力表數(shù)據(jù)不符合流量平衡原理時(shí)，通過流體力學(xué)分析模型，仿真模擬疑似泄漏點(diǎn)位置及泄漏情況等，從而實(shí)現(xiàn)泄漏監(jiān)測預(yù)警[1]。該技術(shù)雖然不需要在管道上加入新設(shè)備，不需要改動(dòng)現(xiàn)有壓力表分布，但存在較大的局限性。如管道一旦改線或加入支線，核心軟件必須進(jìn)行大量調(diào)整，否則會(huì)存在誤報(bào)和漏報(bào)情況。

2  次聲波泄漏監(jiān)測技術(shù)

天然氣管道泄漏后，通過檢測管道次聲波變化，借助GPS或北斗授時(shí)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對泄漏點(diǎn)的定位，次聲波波動(dòng)范圍50 Hz～3000 Hz[2]，如圖 1所示。

圖 1 次聲波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

該技術(shù)主要問題是整體設(shè)備造價(jià)較高，每次管道改造均需投入較大成本，會(huì)受管道支線、輸送壓力、檢修作業(yè)等因素影響，存在設(shè)備不能正常運(yùn)行的情況。以上兩種技術(shù)均借助于管道自身的壓力表、或者添加壓力變通裝置，不需要外接其他傳感器。

3  分布式光纖監(jiān)測方法

分布式光纖振動(dòng)泄漏監(jiān)測。該技術(shù)目前有比較成型的技術(shù)方案，以O(shè)msence和Fotech等公司為代表，國外已有一些實(shí)際應(yīng)用。其技術(shù)原理是利用COTDR技術(shù)開展外界振動(dòng)與天然氣管道泄漏信號(hào)的識(shí)別分析，通過強(qiáng)化信號(hào)識(shí)別（是否強(qiáng)化采樣速率待驗(yàn)證）實(shí)現(xiàn)對泄漏事件與外部第三方振動(dòng)事件、管內(nèi)湍流事件等的有效監(jiān)測與分析。Fotech提出該技術(shù)要求光纜與管道的布設(shè)距離不得超過15 cm，其說明性試驗(yàn)中均采用10 cm以下間距進(jìn)行[3]。與其他泄漏監(jiān)測方式相比，該技術(shù)具有施工簡單、可實(shí)時(shí)監(jiān)測等優(yōu)勢。但是管道直徑達(dá)到1419 mm時(shí)，還需要研究探討實(shí)際應(yīng)用問題。如一根光纜能否覆蓋管道所有區(qū)域的泄漏監(jiān)測、需要幾根光纜、分別布設(shè)到那里、需不需要增敏光纜等。目前難以評價(jià)該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。針對監(jiān)測效果越好成本壓力越大的矛盾，需要開展模擬仿真及試驗(yàn)，這是未來立項(xiàng)研究的核心方向之一。

基于光纖應(yīng)變（BOTDA）的監(jiān)測技術(shù)。是最早應(yīng)用于天然氣管道及熱油管道泄漏監(jiān)測的技術(shù)，21世紀(jì)初多家德國公司已經(jīng)開展了針對熱鹵水管道的泄漏溫度場監(jiān)測，也逐步形成了泄漏引發(fā)的溫度場變化及擴(kuò)散的相關(guān)技術(shù)[4]。很多大學(xué)開展了泄漏引發(fā)的溫度場變化的模擬仿真，是該技術(shù)一個(gè)比較好的發(fā)展方向。目前看來存在技術(shù)瓶頸：一是可能需要使用測溫類特種光纜代替通信光纜。二是隨著天然氣管道的管徑加大，探測光纖與泄漏點(diǎn)之間距離較長，需要研究光纖如何有效傳遞溫度場、傳遞時(shí)間，以及如何準(zhǔn)確判斷光纜形成的溫度場的變化情況等，可能需要多根光纜完成監(jiān)測，設(shè)備費(fèi)用會(huì)進(jìn)一步增高。三是管道所經(jīng)區(qū)域多種地質(zhì)條件使傳熱效果存在較大差異，漏報(bào)、延遲報(bào)警的可能性較大。

此外，利用光纖光柵構(gòu)建陣列實(shí)現(xiàn)泄漏監(jiān)測方法，遇到的問題與以上兩種技術(shù)基本相同。

4  基于吸收光譜的監(jiān)測方法

無源光纖激光泄漏監(jiān)測方法。該方法主要瞄準(zhǔn)高后果區(qū)（不能太長）焊縫泄漏監(jiān)測，焊縫失效是泄漏監(jiān)測的重點(diǎn)[5]。該方法使用氣室式泄漏監(jiān)測設(shè)備，氣室與監(jiān)測主機(jī)利用光纖連接，氣室內(nèi)一旦進(jìn)入甲烷氣體即可報(bào)警。同時(shí)在管道焊縫位置加裝一層密閉的夾克（圖 2），焊縫泄漏時(shí)甲烷會(huì)流到夾克形成的空腔中，將多個(gè)焊縫夾克空腔使用專用傳輸管道（包裹于天然氣管道表面）連接，最終形成多組焊縫互相連通的密閉空腔，將傳感器置于空腔中采集信號(hào)實(shí)現(xiàn)泄漏監(jiān)測（圖 3）。

圖 2 無源光纖激光泄漏監(jiān)測系統(tǒng)傳感終端現(xiàn)場安裝圖

圖 3 無源光纖激光泄漏監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以監(jiān)測比較微小的滲漏，監(jiān)測級別為ppm（mg/kg）級，缺點(diǎn)也比較明顯，如整體造價(jià)較高，不適合長距離使用；一旦密封通道因?yàn)槠渌�原因脫落，系統(tǒng)完全失效。

無人機(jī)甲烷吸收光譜吊艙巡檢方法。利用無人機(jī)與甲烷吸收光譜開路式設(shè)備結(jié)合實(shí)現(xiàn)泄漏監(jiān)測。該方法適用于新疆、甘肅等較干燥地表區(qū)域的管道泄漏監(jiān)測，能達(dá)到較高的精度，并具備定位能力。但在南方水網(wǎng)區(qū)域不易達(dá)到監(jiān)測效果，主要是水網(wǎng)地區(qū)沼氣分布較為廣泛，自然界中存在較多的甲烷分布，所以影響了該技術(shù)的使用。

開路式站場泄漏監(jiān)測技術(shù)。基于開路式可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)，設(shè)備（圖 4）具備雙目能力，一目為可見光攝像能力，一目射出一束甲烷可吸收波長的脈沖光，通過調(diào)制解調(diào)輸出和返回的光強(qiáng)度，即可得出空間的甲烷氣體濃度，實(shí)現(xiàn)泄漏監(jiān)測目的。該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是檢測精度高，但檢測完全依靠云臺(tái)旋轉(zhuǎn)且需要定期更換，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖 4 基于TDLAS的站場泄漏監(jiān)測設(shè)備

5  基于超聲的泄漏監(jiān)測技術(shù)

該技術(shù)主要原理是安裝多只超聲傳感器，實(shí)現(xiàn)對泄漏引發(fā)的超聲信號(hào)的高靈敏度拾取，經(jīng)過信號(hào)解調(diào)與分析、多維特征提取、智能識(shí)別等工作，形成有效的泄漏報(bào)警[6]。傳感器主要分為電子傳感器和光纖傳感器。目前由管道通信電力工程有限公司獨(dú)創(chuàng)研發(fā)的光纖傳感器，已在西氣東輸9座站場實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。但該方法只適用于架空管道，不能監(jiān)測埋地管道泄漏。

6  微量滲漏實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)

該技術(shù)由中海油機(jī)電工程研究院開發(fā)，主要是設(shè)計(jì)一根能滲入甲烷但不滲入水的管道（PVC或金屬材質(zhì)，圖 5），埋設(shè)于管道正上方或斜上方。一旦發(fā)生管道泄漏時(shí)，甲烷氣體滲入管道，管道內(nèi)部使用風(fēng)機(jī)將氣體勻速推往管道末端，管道末端安裝甲烷監(jiān)測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)管道微滲漏的測量和定位（圖 6）。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使用標(biāo)志氣體可實(shí)現(xiàn)定位精度近1 m，檢測精度約10 ppm（mg/kg）。目前主要問題是由于氣泵推動(dòng)氣體勻速前進(jìn)速度小于5 m/s，監(jiān)測45 km管道需幾個(gè)小時(shí)，檢測速度較慢。一旦管道破損導(dǎo)致泥水混合物進(jìn)入，監(jiān)測方法就會(huì)失效，整體造價(jià)也高于其他監(jiān)測手段。

圖 5 專用檢測管結(jié)構(gòu)示意圖

圖 6 微量滲漏實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

天然氣管道泄漏監(jiān)測主流技術(shù)依然是次聲波、超聲波、流量平衡和壓力梯度技術(shù)。針對分布式光纖傳感及吸收光譜分析等技術(shù)，越來越多的研究機(jī)構(gòu)正在開展進(jìn)一步的應(yīng)用研究，以尋求切合實(shí)際的應(yīng)用場景，例如滲漏監(jiān)測在平原較為干燥區(qū)域已經(jīng)具備應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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[3]劉兵，雷茂娟，李菲迪. 探究市政燃?xì)夤艿佬孤�檢測技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 城市建筑，2014(17)：269.

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[5]車璐.波長調(diào)制光譜技術(shù)在線測量氣體濃度的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 北京：清華大學(xué)，2012.

[6]徐信，鄭志營，何娟娟，等. 基于DSP的超聲波氣體濃度計(jì)[J]. 信息技術(shù)，2015，39(7) ：195-198.

作者簡介：王飛，1978年生，高級工程師，技術(shù)創(chuàng)新中心主任工程師，主要從事基于光纖傳感的管道安全監(jiān)測技術(shù)研究。聯(lián)系方式：13785696859，tx_wangfei@cnpc.com.cn。