输气管道泄漏原因及检测方法述评

战丽华，王为民，戴旺旺，曹彦青，李卫卫

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

近几年，随着经济发展水平的提高和西气东输项目的实现,现阶段无论是民用气量还是企业用气量都在逐年增加，我国的燃气正处于迅猛发展的阶段。随着燃气供应量的增加，燃气泄露事件也呈现逐年上升的趋势。

城市燃气管网是城市基础设施的重要组成部分。燃气管网的安全运行，关系到人民生命财产安全，关系到社会的稳定。现输气管道都在向大口径、高压力的方向发展，并伴随着管道破损、泄漏和燃烧爆炸等事故的发生，严重威胁了人员安全，并带来了巨大的经济损失，所以对燃气管道泄漏原因及泄漏点监测与定位的研究已刻不容缓。

1 输气管道泄漏的原因

分析燃气管道事故发生的原因，可总结为以下几点：一、燃气管网及燃气设施的老化与腐蚀。埋地燃气管道和燃气设施都存在使用年限，管道在超龄情况下运行会因管道的老化破损而导致燃气泄露，从而引发事故。再者由于管道周围土壤的酸碱度不一样，相应管道的腐蚀程度也就会不一样，腐蚀性较大的土壤会使管道还没达到服役年限就极易发生管壁穿孔而导致泄漏，酿成事故。二、违章占压燃气管道或在天然气设施上方或安全距离内建设建筑物或是放置重物[1]。违章占压燃气管道及燃气设施存在以下危害：不易巡检，发生隐患时不易察觉容易酿成大祸；影响了正常的维护检修的工作，长期的占压燃气管道及设施还容易导致燃气管道及设施的老化，宜形成潜伏隐患；长期占压燃气管道及设施使其受力不均匀致使管道变形而发生泄漏，当在一定空间内燃气量达到一定的浓度时，遇明火便会发生爆炸。三、城市建设施工对燃气管网的破坏，也称做第三方破坏。今年来，全国各地都在紧锣密鼓的进行着城市建设，这其中不乏存在着野蛮施工、不按章程操作的现象。这样的做法就会严重破坏管道的防腐层甚至会出现挖断管道的现象，一旦发生这样的事故，后果会是相当的严重损失也会相当惨重。据统计第三方破坏在管道泄露事故中，起因最严重，泄漏量最多[2]。

2 管道泄漏检测方法

对天然气管道泄漏的监测及泄漏点的定位已成为保障管道安全运行、减少事故危害的重要手段。目前，输气管道泄漏检测的方法很多，主要有音波法、分布式光纤法、瞬态模型法、热红外成像法及漏磁检测法等等。

2.1 直接检漏法

由于天然气在输送过程中添加臭味剂（以四氢噻吩 THT常见)，所以早期建成的管道主要是靠经验丰富的管道工人或受过训练的动物来沿线巡查管道以判断是否发生泄漏[3]。此方法的弊端是依赖检测者的经验、敏感性和责任心，检测耗时多且无法连续检测，对于一些小孔泄漏还是无济于事。随着科技的发展，这种方法逐渐被一些高效、敏感的高科技设备所替代。近几年出现了一种机载红外检测技术。是由直升飞机带一高精度红外摄像机沿管道飞行,通过分析输送物资与周围土壤的细微温差确定管道是否泄漏[4]。利用光谱分析可检测出较小泄漏位置。这种方法可用于长管道,微小泄漏的检测,其缺点是对管道的埋设深度有一定的限制同时地形较复杂的也不适合此方法。

2.2 音波法

当输气管道发生泄漏时，在泄露处会产生声波信号。其中高频信号传播的距离较短，而低频信号能够沿管壁远距离的传播。基于以上的低频信号传播的特点，只要在管道两端安装能够检测到泄漏低频声波的传感器即可检测到管道是否泄漏，如果对采集的低频信号进行分析即可对泄露点进行定位。图1为音波泄漏检测原理示意图[5]。

图1 音波泄漏检测原理示意图Fig.1 Sonic leak detection principle diagram

其中： L—两传感器之间管道的长度；

A—管道的上游检测点；

B—管道的下游检测点。

假设声波在输气管道里的传播速度为v,当发生泄漏时，低频信号传到 A、B所用的 时间分别为T1和T2，泄漏点的位置可按下面公式[6]计算：

式中Dt=T1-T2，从式中可以得知，只要知道时间差与声波传播的速度就可以对输气管道的泄漏点进行定位。音波法以灵敏性好、误报率低、定位度高等优点逐渐受到青睐，但其缺点是易受其他音波的干扰且难于对长距离输送的管道进行连续的监测。

2.3 分布式光纤法

在管道铺设时，在管道附近与管道平行的铺设一条光缆，利用其中的三条单膜光纤中的两条光纤作为传感器的测试光臂，而剩下的那根光纤则用于信号传输。半导体激光器(LD)发出连续光波分别进入作为测试光壁的两条光纤，因为光波为同一光源发出，故在两条光纤中传播速度一致。光波传到光纤的另一端，在那汇合形成干扰信号。干扰信号再沿第3条光纤传到光电检测器，通过放大和滤波电路对信号进行处理，再经过A／D转换后传输到计算机中进行进一步信号处理和分析[7]。其测试原理如图2所示。

图2 分布式光纤检漏原理示意图Fig.2 Distributed optical fiber leak detection principle diagram

当输气管道发生泄漏时，管道会产生噪声，而光缆的灵敏度很高，因其受到噪声的干扰，光缆中两条光纤会受到应力而产生应变。由图知两条光纤的排列位置不一样，所以产生的应变就有所差别，从而导致传播的光波分别产生不同的相位变化，最后由第三条光缆传到计算机的信号就会存在一个时间差Dt，故通过监测信号波的变化即可实现输气管道泄漏的实时检测。利用分布式光纤技术还可以对泄漏点进行精确的定位，计算公式如下：

式中：v—光波在光纤中的传播速度（已知光在真空中的传播速度c，光纤的折射率n，即可计算出v， v=c/n）。

分布式光纤检漏技术不仅可以对气体管道检漏，也可对液体管道进行实时的监测，同时因其反应灵敏，定位精度高的优点，可以检测出压力较低且泄漏孔径较小的输气管道泄漏点，所以分布式光纤检漏技术在近几年越来越受到关注，特别是在强腐蚀、强电磁干扰等环境下具有很好的发展潜力。但由于光纤价格较贵，投资金额较高所以在一定程度上也局限了分布式光纤法的普及。

2.4 实时瞬态模型法

瞬态模型法是根据输气管道的运行条件，利用质量守恒方程、能量守恒、流体状态方程与动量守恒方程建立管内流体流动的数学模型，并通过计算机软件模拟输气管道的实时动态变化，然后把计算机模拟的某一动态的值与现场实测的值进行比对，如果偏差大于了一定的范围，我们就可认定为管道发生了泄漏。该方法优点在于易于维护且安装的费用不高，但其缺点是定位精度不高，抗干扰的能力不强，误报警率高，当管道内是稳定流动时才能建立数学模型故不适用于操作变化频繁的管道。

2.5 负压波法

此方法是是建立在信号处理上的方法，不需要依靠数学模型。当正在平稳运行的管道突然发生泄漏时，流体沿着泄漏点流出，导致此处的压力骤降，而泄露处附近的流体压力比泄漏点高，由于压差的存在，流体会迅速的流向泄漏点，这样泄漏点附近又产生了压力降，这一过程从泄漏点开始依次向管道的两端传送，这就产生了负压波[8]。设置在管道两端的压力传感器接收到自泄漏点传来的压力波，通过分析处理信号，根据信号传来的时间差可以判断出泄漏点的位置[9]。

负压波检漏法的优点是反应较快，对泄漏点的定位相对准确。但此方法对突然泄漏量较大的管道反应敏感，对缓慢发生的泄漏或是已经发生的泄漏反应迟缓甚至无效且对于处于地形比较复杂地区的管道的定位精度低[10]。

3 预防措施

天然气管道泄漏是输送过程中的一个主要的安全问题，如何预防管道的泄漏及保证输气管道平稳安全的运行是我们长期关注的一个话题，本文针对引发泄漏的主要因素提出了几点预防措施：

⑴设计人员在设计管道的走向时，要尽可能合理的布置管道的布局，严格按照设计规范进行设计。避开地形地貌的复杂段，实在避开不了时应采取有效的措施对管道进行保护。

⑵对于埋于地下的管道在铺设时严格按照施工图施工，严把施工的质量关。

⑶管道外壁涂刷防腐层，当管道需要焊接时严格控制焊缝的质量。

⑷利用先进的高科技技术，加强对管道的实时监测，做到对隐患的早发现，早排除[4]。

⑸对于有埋地管道的地段做好地表标识的工作，最大限度的降低强行占压、人为破坏等情况的发生。

⑹燃气企业应定期的对管道进行检查，维护，做好管道的安全评价工作[11]。

［1］聂世鹏，张建军.埋地燃气管线发生泄露的原因和预防措施[J].上海煤气，2008(6):16.

［2］宋晓琴，刘广文，王雯娟.管道油品泄漏原因及对环境的影响[J].油气储运，2011,30（4）：297-298.

［3］张其敏，严宏东.管道泄漏检测技术及评价[J].重庆科技学院（自然科学版），2006，8（2）：33.

［4］郭文辉，曾宪云.管道泄漏检测技术[J].工业安全与环保，2007,33（2）：42.

［5］梦令雅，李玉星,等.输气管道泄漏音波传播特性及监测定位[J].天然气工业，2010,30（11）：75.

［6］华科，叶昊，王贵增,等.基于声波的输气管道泄漏检测与定位技术[J].华中科技大学学报（自然科学版），2009,37（增刊Ⅰ）：182.

［7］周琰，靳世久，张昀超,等.分布式光纤管道泄漏检测和定位技术[J].石油学报，2006,27（2）：122.

［8］袁朝庆，庞鑫峰，刘燕.管道泄漏检测技术现状及展望[J].大庆石油学院学报，2006,30（2）：77.

［9］邓鸿英，杨振坤，王毅.负压波管道泄漏检测与定位技术[J].油气储运，2003，22(7):30.

［10］付道明，孙军,等，国内外管道泄漏检测技术研究进展[J].石油机械，2004,32（3）：50.

［11］李静，汪彤，吕梁海.城镇天然气管道泄漏原因分析[J].安全，2005(4):34.