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

1  基于模擬仿真的泄漏監測技術(shù)

該技術(shù)方案以管道路由、管道支線(xiàn)分布、各類(lèi)儀表數據為主要數據來(lái)源，利用流體力學(xué)分析軟件，開(kāi)展泄漏模擬仿真。管道運行中一旦有一塊壓力表數據不符合流量平衡原理時(shí)，通過(guò)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)現泄漏監測預警[1]。該技術(shù)雖然不需要在管道上加入新設備，不需要改動(dòng)現有壓力表分布，但存在較大的局限性。如管道一旦改線(xiàn)或加入支線(xiàn)，核心軟件必須進(jìn)行大量調整，否則會(huì )存在誤報和漏報情況。

2  次聲波泄漏監測技術(shù)

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

圖 1 次聲波泄漏監測系統示意圖

該技術(shù)主要問(wèn)題是整體設備造價(jià)較高，每次管道改造均需投入較大成本，會(huì )受管道支線(xiàn)、輸送壓力、檢修作業(yè)等因素影響，存在設備不能正常運行的情況。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  分布式光纖監測方法

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

基于光纖應變（BOTDA）的監測技術(shù)。是最早應用于天然氣管道及熱油管道泄漏監測的技術(shù)，21世紀初多家德國公司已經(jīng)開(kāi)展了針對熱鹵水管道的泄漏溫度場(chǎng)監測，也逐步形成了泄漏引發(fā)的溫度場(chǎng)變化及擴散的相關(guān)技術(shù)[4]。很多大學(xué)開(kāi)展了泄漏引發(fā)的溫度場(chǎng)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(lái)存在技術(shù)瓶頸：一是可能需要使用測溫類(lèi)特種光纜代替通信光纜。二是隨著(zhù)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(cháng)，需要研究光纖如何有效傳遞溫度場(chǎng)、傳遞時(shí)間，以及如何準確判斷光纜形成的溫度場(chǎng)的變化情況等，可能需要多根光纜完成監測，設備費用會(huì )進(jìn)一步增高。三是管道所經(jīng)區域多種地質(zhì)條件使傳熱效果存在較大差異，漏報、延遲報警的可能性較大。

此外，利用光纖光柵構建陣列實(shí)現泄漏監測方法，遇到的問(wèn)題與以上兩種技術(shù)基本相同。

4  基于吸收光譜的監測方法

無(wú)源光纖激光泄漏監測方法。該方法主要瞄準高后果區（不能太長(cháng)）焊縫泄漏監測，焊縫失效是泄漏監測的重點(diǎn)[5]。該方法使用氣室式泄漏監測設備，氣室與監測主機利用光纖連接，氣室內一旦進(jìn)入甲烷氣體即可報警。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(zhuān)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實(shí)現泄漏監測（圖 3）。

圖 2 無(wú)源光纖激光泄漏監測系統傳感終端現場(chǎng)安裝圖

圖 3 無(wú)源光纖激光泄漏監測系統結構示意圖

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以監測比較微小的滲漏，監測級別為ppm（mg/kg）級，缺點(diǎn)也比較明顯，如整體造價(jià)較高，不適合長(cháng)距離使用；一旦密封通道因為其他原因脫落，系統完全失效。

無(wú)人機甲烷吸收光譜吊艙巡檢方法。利用無(wú)人機與甲烷吸收光譜開(kāi)路式設備結合實(shí)現泄漏監測。該方法適用于新疆、甘肅等較干燥地表區域的管道泄漏監測，能達到較高的精度，并具備定位能力。但在南方水網(wǎng)區域不易達到監測效果，主要是水網(wǎng)地區沼氣分布較為廣泛，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(kāi)路式站場(chǎng)泄漏監測技術(shù)�；�于開(kāi)路式可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)，設備（圖 4）具備雙目能力，一目為可見(jiàn)光攝像能力，一目射出一束甲烷可吸收波長(cháng)的脈沖光，通過(guò)調制解調輸出和返回的光強度，即可得出空間的甲烷氣體濃度，實(shí)現泄漏監測目的。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旋轉且需要定期更換，難以實(shí)現實(shí)時(shí)監測。

圖 4 基于TDLAS的站場(chǎng)泄漏監測設備

5  基于超聲的泄漏監測技術(shù)

該技術(shù)主要原理是安裝多只超聲傳感器，實(shí)現對泄漏引發(fā)的超聲信號的高靈敏度拾取，經(jīng)過(guò)信號解調與分析、多維特征提取、智能識別等工作，形成有效的泄漏報警[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創(chuàng )研發(fā)的光纖傳感器，已在西氣東輸9座站場(chǎng)實(shí)現應用。但該方法只適用于架空管道，不能監測埋地管道泄漏。

6  微量滲漏實(shí)時(shí)監測技術(shù)

該技術(shù)由中海油機電工程研究院開(kāi)發(fā)，主要是設計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，管道內部使用風(fēng)機將氣體勻速推往管道末端，管道末端安裝甲烷監測設備，實(shí)現管道微滲漏的測量和定位（圖 6）。經(jīng)實(shí)驗驗證，使用標志氣體可實(shí)現定位精度近1 m，檢測精度約10 ppm（mg/kg）。目前主要問(wèn)題是由于氣泵推動(dòng)氣體勻速前進(jìn)速度小于5 m/s，監測45 km管道需幾個(gè)小時(shí)，檢測速度較慢。一旦管道破損導致泥水混合物進(jìn)入，監測方法就會(huì )失效，整體造價(jià)也高于其他監測手段。

圖 5 專(zhuān)用檢測管結構示意圖

圖 6 微量滲漏實(shí)時(shí)監測系統結構示意圖

天然氣管道泄漏監測主流技術(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(lái)越多的研究機構正在開(kāi)展進(jìn)一步的應用研究，以尋求切合實(shí)際的應用場(chǎng)景，例如滲漏監測在平原較為干燥區域已經(jīng)具備應用價(jià)值。

參考文獻：

[1]俞金山.市政燃氣管道泄漏檢測技術(shù)的現狀及發(fā)展[J]. 建筑工程技術(shù)與設計，2018(12)：3231.

[2]陳妍妍.市政燃氣管道泄漏檢測技術(shù)現狀與前景分析[J]. 房地產(chǎn)導刊，2015(14)：152.

[3]劉兵，雷茂娟，李菲迪. 探究市政燃氣管道泄漏檢測技術(shù)的現狀及發(fā)展[J]. 城市建筑，2014(17)：269.

[4]吳靜靜. 基于可調諧激光吸收光譜技術(shù)的溫度測量方法研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2018.

[5]車(chē)璐.波長(cháng)調制光譜技術(shù)在線(xiàn)測量氣體濃度的理論與實(shí)驗研究[D]. 北京：清華大學(xué)，2012.

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

作者簡(jiǎn)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測技術(shù)研究。聯(lián)系方式：13785696859，tx_wangfei@cnpc.com.cn。