泄漏检测与修复(LDAR)建档方法研究及应用进展

张钢锋， 费 波， 修光利

1.华东理工大学， 国家环境保护化工过程环境风险评价与控制重点实验室， 上海 200237 2.上海市环境科学研究院， 上海 200233 3.华东理工大学， 上海市环境保护化学污染物环境标准与风险管理重点实验室， 上海 200237

改革开放以来，我国社会经济快速发展，以细颗粒物(PM2.5)和臭氧(O3)为主导的大气环境问题逐渐显现[1-2]，尤其在京津冀、长三角、珠三角和成渝等特大型城市群及其周边地区，O3污染日益凸显[3-7]. 研究[8-10]表明，大气中的挥发性有机物(VOCs)是造成O3、城市灰霾等大气污染问题的关键前体物. 随着我国对大气环境质量要求的不断提高，VOCs污染引起广泛关注[11-13]，对其进行有效管控已成为现阶段我国打赢蓝天保卫战的重要举措[14].

泄漏检测与修复(LDAR)是目前国际上通用的VOCs无组织控制技术，广泛应用于石化、化工等行业设备泄漏环节的VOCs减排[15-18]，同时也降低了企业安全事故风险[19-21]. 美国在20世纪80年代初通过实施LDAR来控制石化行业设备泄漏排放[22-24]，之后欧盟在20世纪90年代根据美国经验也建议其成员国在石化行业开展LDAR，并将LDAR列为VOCs管控最佳可行技术(BAT)[25-26]. 2011年9月，我国上海市生态环境管理部门率先出台相关政策，要求在几家石化企业开展LDAR试点工作，LDAR技术正式被应用于国内环境管理[27]. 作为石化、化工类企业VOCs管控的重要抓手，目前国家出台的众多政策文件和标准规范均对LDAR实施提出明确要求[28-32]. 《“十三五”挥发性有机物减排工作方案》中更是明确，除石化行业外，现代煤化工行业要全面实施LDAR，制药、农药、炼焦、涂料、油墨、胶粘剂、染料等行业逐步推广LDAR工作. 正是由于LDAR在无组织VOCs管控中的重要性，国外从20世纪80年代以来对LDAR实施流程、技术规范、质量审核、创新技术等方面开展了大量研究[33-36]，国内学者近年来对该领域的关注和研究也日趋深入[37-41]. 然而，纵观当前国内外研究的焦点，主要集中于LDAR发展历程、应用案例、技术评估等方面，对于LDAR建档方法的系统研究较为鲜见. 建档工作作为LDAR体系中最重要的一环，其质量直接决定LDAR项目的实施效果，同时也直接影响企业后期的台帐管理水平，针对建档方法进行系统研究意义重大. 该研究通过调研国内外LDAR建档方法的发展演变，总结对比了主流建档方法的优缺点，并以问卷方式调查分析了不同建档方法在我国的应用现状，在此基础上提出优化建议，并对其未来发展趋势提出展望，以期为工业企业LDAR建档的规范化及相关监督管理工作提供参考借鉴.

1 LDAR及其建档方法

1.1 LDAR技术的本质

LDAR是一项对工业生产全过程物料泄漏进行控制的系统工程. 通过定期检测受控密封点VOCs浓度，及时发现泄漏点，并在一定期限内采取有效措施修复泄漏，从而减少VOCs排放[42]. 通常，需要检测的密封点包括泵、压缩机、搅拌器、阀门、泄压设备、取样连接系统、开口阀或开口管线、法兰、连接件等. 就一家企业而言，虽然单个密封点的泄漏很微量，但全厂所有密封点可以产生巨大的排放. 据美国环境保护局(US EPA)估算，设备泄漏产生的VOCs排放量约占炼油厂原油加工量的0.01%[43]. 高效的LDAR工作不仅可以帮助企业减少物料产品损失、保障职工健康安全，并减少周边社区有害物质暴露量，同时还可带来降低排放税及避免行政处罚等附加效益[44].

1.2 LDAR实施流程与建档

图1 LDAR实施的基本流程Fig.1 Basic process of LDAR implementation

现行的LDAR工作模式最初由美国建立，US EPA的Method 21《挥发性有机物泄漏的测定》标准中规定了LDAR检测的具体要求，包括检测仪器种类及其性能指标、检测方法等. 欧盟、加拿大等地区也均以Method 21作为LDAR实施的技术依据[45]；同时，US EPA发布的《泄漏检测与修复最佳实践指南》中指出，典型的LDAR工作主要包括项目密封点识别、泄漏浓度定义、设备组件检测、泄漏组件修复及数据记录保存等5个步骤(见图1)，其中的项目密封点识别是LDAR建档的核心工作. 建档具体是在识别受控范围和受控点的基础上，收集密封点所属装置、区域、类型、可达性等信息，对密封点进行定位和编码并建立档案库的过程，建档工作是LDAR后续现场实施的基础，也是保障LDAR工作顺利开展最关键的一步. 该研究的建档方法主要针对密封点定位和编码技术，由于档案库的建立原则和技术要求相对固定，目标是记录密封点的基本信息和属性，因此笔者并未做讨论.

1.3 LDAR建档方法分类

目前，国内外已有应用的LDAR建档方法包括传统挂牌法、PID图标识法、拍照标识法、GPS定位法、条形码/二维码标识法、无线射频挂牌法等.

传统挂牌法是最经典的建档方法，发源于在美国，已有40年的应用历史. 具体是指在设备元件固定位置悬挂物理标识牌，标识牌刻有该密封点在全厂唯一的编码(ID)，ID号按一定规则及顺序排列，为后续检测与修复环节服务.

PID图标识法需首先收集管道仪表图(PID图)、装置平面布置图、设备台账等装置资料，经物料分析后确认受控设备元件范围，并在PID图纸上对设备组件进行编号标记.

拍照标识法是目前国内较为常见的组件标识方法，是指对设备组件进行现场拍照，并对照片内的受控密封点进行编号及标注的方法.

现代科技的高速发展持续推动着LDAR建档方法的优化及完善，为建档方法的创新与进步提供了契机. 目前已出现利用现代高分辨率GPS定位系统对组件进行定位及识别的建档方法，同时以条形码或无线射频配件为信息载体构建的非接触式组件定位识别方法也已有初步应用.

该研究对不同建档方法的优缺点进行了总结和对比，具体如表1所示.

表1 LDAR建档方法对比分析Table 1 Comparative analysis of LDAR components filing methods

2 LDAR建档方法国内外应用进展

2.1 国外应用进展

国外LDAR相关技术研究开展较早，20世纪70年代美国启动了对炼油、化工企业的大气污染物排放特征研究，分析了设备泄漏产生的无组织排放特征，提出采用LDAR技术控制设备VOCs泄漏的策略. 20世纪80年代起，美国颁布了一系列标准法规，将炼油、化工企业的VOCs泄漏管控纳入法制化和标准化管理[46]. 欧盟于1999年起建议其成员国炼油厂实施LDAR，并将LDAR列入VOCs管控的最佳可行技术(Best Available Technology，BAT)[47]. 1993年，加拿大环境部长理事会发布的《设备泄漏无组织排放检测与控制实施法规》中也明确提出了对企业管道及设备实施LDAR的具体要求[48].

经过几十年的发展，美国、欧盟、加拿大等国家和地区的LDAR已经形成了相对完善的LDAR实施技术和管理规范体系. 尤其在美国，LDAR技术已经从最初单纯的“发现泄漏点并进行修复”的概念，发展到现在的集法规标准体系、检测标准方法、操作程序规范、现场检测及数据管理模式、质量控制、保证及改进体系为一体的综合系统，并已形成检测仪器研发与生产、数据库软件开发、第三方检测服务、专业咨询与审核等成套商业运作体系[49]. 在建档技术方面，根据对国外文献资料的调研以及通过电话、邮件对国外专家和服务商的咨询，发现美国、欧盟仍以传统挂牌法为主，PID图标识法也有一定的应用，但拍照标识法等新型建档方法的应用并不多. 加拿大除了应用传统挂牌法外，拍照标识法的应用也较为广泛[50].

2.2 国内应用进展

2.2.1国内相关标准规范对建档方法的规定

为规范LDAR实施，我国先后出台了一系列技术标准文件. 该研究梳理了迄今为止国内出台的相关文件及对LDAR建档方法的要求，具体如表2所示. 由表2可见，目前国内发布的涉及LDAR管控的标准规范文件有10余部. 就建档方法而言，文件中规定的方法主要包括PID图标识法、传统挂牌法、拍照法等，建档要求不一、参差不齐，暂未形成统一的技术体系.

2.2.2不同建档方法的实际应用现状

采用线上问卷调查的方式，于2019年8月调研了服务于我国11个省(自治区、直辖市)的40余家LDAR第三方服务商，调查内容包括服务商从业年数、完成LDAR案例数、累计检测密封点数、常用建档方法类别、LDAR服务收费标准、服务商公司性质等信息，据此分析我国LDAR建档方法实际应用现状. 调查对象总体情况如表3所示. 由表3可见，调研对象覆盖了江苏省、上海市、广东省、浙江省、山东省、天津市、山西省、北京市、河北省、辽宁省、宁夏回族自治区等11个省(自治区、直辖市). 从区域分布上看，东部地区的省市较多，包括江苏省、上海市、广东省、

表3 调研对象基本情况统计Table 3 Statistics of basic information of research objects

浙江省、山东省、天津市、辽宁省等，而西部地区较少，仅包括山西省、宁夏回族自治区等，这主要是因为我国的石化产业和园区主要集中于东部沿海地区，2018年中国化工园区30强中位于东部地区的有24家，位于中部和西部地区分别仅有3家，产业格局特征也使东部地区成为我国LDAR实施最早、最集中的地方. 因此，在调研对象的选择上，为了保证代表性，也尽可能地包括了西部地区中已经开展LDAR的山西省和宁夏回族自治区等地区.

调研得到了各服务商开展LDAR业务的年数、累计完成案例数、累计检测密封点数、服务商性质等信息，相关统计结果如图2所示.

图2 LDAR服务商相关数据统计Fig.2 Statistics of LDAR service providers

由图2可见：从服务商的从业年数来看，从业>1～3年的占比为33%，从业>3～5年的占比为38%，从业超过5年的占比为27%，低于1年(含1年)的仅占2%，从业>3～5年的服务商占比最多，说明多数LDAR服务商服务经验相对丰富；从服务商完成的LDAR案例数来看，累计完成1～10、11～50、50～100个案例的服务商占比分别为23%、17%和20%，而完成案例数超过100个的服务商占比高达40%，这也说明目前LDAR工作在国内得到了快速的推进和应用；从服务商检测的密封点数量来看，累计检测超过100万个密封点数的服务商占比为43%；从服务商的单位性质来看，主要以民企为主，占比高达70%.

对各服务商所采用建档方法的调查统计结果如表4所示，可以发现拍照标识法在我国的应用最为广泛，受调查的服务商中90%都采用过该方法；传统挂牌法、PID图标识法、条形码/二维码挂牌法等方法在国内也有不同程度的应用；同时，同一服务商采用的建档方法并不唯一，也会根据不同案例实际情况分别采用不同建档方法.

与美国、欧盟等西方国家和地区以传统挂牌法为主的建档方法相比，拍照标识法是我国建档方法的绝对主流. 形成这一现象的原因可能有几个方面：①标准规范要求的差异. 在美国、欧盟的LDAR法规体系中，对传统挂牌法有相关的要求，但并未对拍照标识法作出规定；相反，我国的许多规范中均明确了拍照建档的要求(见表2)，宏观的政策导向使拍照标识法在我国有更多的应用. ②不同发展阶段的差异. 美国的LDAR工作已经开展了几十年，相关工作已经形成了成熟的体系，如果将企业的建档方式短期内集中更新换代，涉及的工作量和成本投入都会非常大；而我国的LDAR工作刚起步，企业在选择建档方式时有更大的灵活性，拍照标识法由于自身的优势更容易被接受. ③外部环境因素的差异. 近年来，我国信息科技发展日新月异，国家也提出了数字工厂、物联网工厂的建设愿景，而基于拍照识别法的信息化建档方式比传统挂牌法更符合国家的宏观政策导向；另外，LDAR作为一个近几年才被国内引入的VOCs精细管控措施，国内外在这方面的交流互动也相对较少，这也在一定程度上影响了西方国家和我国在建档技术方面的同步性.

表4 采用不同建档方法的服务商数量及占比Table 4 The number and proportion of LDAR service provider with different components filing methods

2.2.3建档方法的优化建议

综上，无论是从已有标准规范要求还是从案例调查结果来看，我国当前的LDAR建档方法相比美欧国家更加多样化，条形码、射频等跨界技术的应用也充分体现了这一点. 然而，每种技术都有自身的优劣势，关键是要找到平衡点发挥最大效能，笔者建议在实际工作中应多考虑不同技术之间的搭配组合，各取所长，实现一加一大于二. 如将群组物理挂牌和图片建档技术组合，通过群组牌定位装置区域，再通过图片档案分解具体密封点位置，这样既节省成本又提高效率. 目前，这一技术已经在国内部分第三方服务商中被采用，并在上海市等地区的LDAR检测工作中有大量的应用案例. 根据相关报道[51]，采用组合技术后，工作效率可提升25%. 同时，也建议立足当前建档方法存在的局限性和不足，结合我国迅猛发展的人工智能等前沿科技，通过技术创新不断提高LDAR建档效率、保证建档质量. 如利用图像识别技术研发基于视频流的全自动建档技术，通过对现场管道组件的视频拍摄，实现密封点类型自动识别及标注；利用5G传输技术实现现场检测数据的无延迟自动上传及统计分析，规避人为篡改数据的行为并实时分析泄漏水平，绘制全厂泄漏水平渲染地图.

国内各地近几年虽然发布了较多的LDAR技术规范文件，但其中对于建档方法和技术的规定尚未统一，各地要求参差不齐，建议今后应加强在这方面的标准建设，明确主流建档方法的实施流程和技术要点等指标，从制度上保障LDAR的实施质量与效果. 2019年初，国家标准化管理委员会和民政部联合发布了《团体标准管理规定》，鼓励各行各业制定具有国际领先水平的团体标准. LDAR作为一个以第三方服务为主体的生态环境保护工作，具有明显的行业团体特征，完全可以通过制定出台团体标准的形式，对不同建档技术的基本要求、建档流程、工作要点、关键指标、质量控制等方面试点作出统一要求，待实施验证及不断完善后亦可作为国家标准出台.

3 结论与展望

a) 建档工作是LDAR有效实施的基础，科学的建档方法尤为重要. 国内外在用的建档方法包括传统挂牌法、PID图标识法、拍照标识法、GPS定位法、条形码/二维码挂牌法、无线射频挂牌法等，不同建档方法均有各自的优劣势和应用场景.

b) 美国、欧盟、加拿大等国家和地区LDAR工作开展较早，已形成相对完善的实施技术和管理规范体系. 在建档技术方面，美国、欧盟仍以传统的传统挂牌法为主，PID图标识法也有一定的应用，但拍照标识法等新型建档方法的应用并不多. 加拿大除传统挂牌法外，拍照标识法的应用也较为广泛.

c) 我国应用最多的为拍照标识法，其次为传统挂牌法，调查对象中采用过这两种方法的LDAR服务商占比分别为90%和50%，此外PID图标识法、条形码/二维码、其他方法的应用占比依次分别为30.0%、17.5%和5.0%，整体上看我国的建档方法相比欧美国家更加多样化.

d) 我国现代科技的迅猛发展为LDAR建档技术的创新与变革提供了良好契机，未来的LDAR建档工作必将向更智能、更便捷、更高效的方向发展，尤其是和5G以及人工智能影像识别等技术的结合，会为LDAR建档技术和效能带来新的飞跃.

e) 国内现有的LDAR技术规范文件对于建档方法的要求参差不齐，暂未形成统一的技术体系. 建议应尽快加强在这方面的标准建设，明确主流建档方法的实施流程和技术要点，从制度上保障LDAR的实施质量与效果.