外部法檢測(cè)管道泄漏技術(shù)發(fā)展淺析

范辰華 張培智

摘? 要：管道因其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠承受多種環(huán)境條件，被廣泛用于烴類化合物流體的運(yùn)輸。然而，管道網(wǎng)絡(luò)泄漏會(huì)給運(yùn)營(yíng)商和大自然造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡和生態(tài)災(zāi)害。為保證管道運(yùn)輸安全可靠，多個(gè)國(guó)家已開(kāi)展了大量研究。本文綜述了國(guó)外管道泄漏最新檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了檢測(cè)與定位方法，比較分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：管道;泄漏;泄漏檢測(cè);泄漏定位;傳感器

1. 前言

通過(guò)油氣管道網(wǎng)輸送石油、天然氣、化學(xué)品等烴類化合物流體具有很高的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。統(tǒng)計(jì)表明，管道輸送較公路、海運(yùn)、鐵路運(yùn)輸方式的事故致死率分別低87%、4%和2.7%[1]。然而，隨著管道輸送的全球普及，管道泄漏故障的發(fā)生幾率呈逐年升高的趨勢(shì)，造成的平均經(jīng)濟(jì)損失十分巨大。例如，2010年9月，美國(guó)發(fā)生一起管道泄漏，超84萬(wàn)加侖的原油泄漏至卡拉馬佐河，造成經(jīng)濟(jì)損失約8億美元。造成管道損壞、發(fā)生泄漏的原因包括外部因素、安裝缺陷、管道腐蝕、制造缺陷，以及人為疏忽等。由于故障源多樣化，導(dǎo)致管道泄漏事故很難完全避免。因此，實(shí)施管道檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏或泄漏隱患非常重要，可有效降低泄漏所造成的影響和損失。

2.管道泄漏檢測(cè)方法分類

歷經(jīng)幾十年發(fā)展，國(guó)際上已發(fā)展出聲學(xué)傳感、地面探測(cè)等十余種方法和若干種分類方法。有研究人員將所有方法簡(jiǎn)單分為硬件法和軟件法;有研究人員從技術(shù)屬性出發(fā)，分為內(nèi)部法、非技術(shù)/非持續(xù)法和外部法。最近，英國(guó)羅伯特高登大學(xué)的Mutiu Adesina Adegboye等在此前的基礎(chǔ)上將分類方法進(jìn)行了優(yōu)化，最終歸納為外部法、可視/生物法、內(nèi)部/計(jì)算法三類。在以上方法中，外部法主要依托各種傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管道外部檢測(cè);生物法借助受過(guò)專業(yè)訓(xùn)練的狗或經(jīng)驗(yàn)人員的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)來(lái)檢測(cè)泄漏;內(nèi)部法基于軟件的智能算法，利用傳感器監(jiān)控管道內(nèi)部環(huán)境。遠(yuǎn)程監(jiān)控可通過(guò)智能清障器、直升機(jī)、無(wú)人潛航器或無(wú)人機(jī)搭載傳感器系統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)。

3.外部法

外部法主要指使用特定傳感設(shè)備進(jìn)行管道外部監(jiān)測(cè)的方法。這些方法既能監(jiān)視管道異常，并能檢測(cè)泄漏發(fā)生，但一般都需要有傳感設(shè)備與被監(jiān)測(cè)設(shè)施進(jìn)行物理接觸。所涉及設(shè)備包括聲學(xué)傳感器、光纖傳感器、蒸汽采樣機(jī)、紅外熱成像儀和透地雷達(dá)等。

3.1? 聲發(fā)射傳感器

聲發(fā)射是指材料內(nèi)部局部區(qū)域在外界（應(yīng)力或溫度）的影響下，伴隨能量快速釋放而產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波現(xiàn)象。聲發(fā)射技術(shù)是根據(jù)結(jié)果內(nèi)部發(fā)出的應(yīng)力波來(lái)判斷內(nèi)部損傷程度的一種新型動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，從穿孔點(diǎn)逸出的高壓流體發(fā)生聲發(fā)射，并產(chǎn)生彈性波信號(hào)，此時(shí)，可借助兩個(gè)傳感器獲得的聲學(xué)信號(hào)之間的時(shí)滯來(lái)識(shí)別泄漏位置[2]。目前的聲學(xué)檢測(cè)法已發(fā)展出主動(dòng)方法和被動(dòng)方法兩類。主動(dòng)方法通過(guò)監(jiān)聽(tīng)泄漏源聲脈沖的反射回波來(lái)檢測(cè)管道缺陷。被動(dòng)方法通過(guò)監(jiān)聽(tīng)管道中壓力波產(chǎn)生的聲音變化來(lái)檢測(cè)缺陷。所用聲學(xué)傳感器主要分為漏水探知器、地震檢波器和聲學(xué)傳感器三類。近年來(lái)，基于聲發(fā)射技術(shù)的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用。

3.2.? 光學(xué)傳感法

此方法主要借助安裝在管道外部的分布式光纖傳感器來(lái)檢測(cè)。所用傳感器主要由功能高分子材料制成，與烴類化合物發(fā)生混合時(shí)會(huì)產(chǎn)生體積和電特性變化。當(dāng)管道泄漏時(shí)，烴類化合物液體會(huì)浸入光纖外部涂層，導(dǎo)致泄漏點(diǎn)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等發(fā)生異常變化，從而觸發(fā)分布式光纖傳感器報(bào)警，傳感信號(hào)可傳輸至監(jiān)控室進(jìn)行遙測(cè)。目前，該技術(shù)已在橋梁、建筑、海洋石油平臺(tái)、油田及航空、大壩等工程得到了廣泛應(yīng)用。特別是在天然氣管道泄漏中具有廣闊前景，將為天然氣管道的安全運(yùn)營(yíng)提供有力保證。此外，分布式光纖傳感器還可檢測(cè)管道泄漏點(diǎn)是否進(jìn)水。

3.3蒸汽取樣法

該方法是一種用于管道檢測(cè)的物理測(cè)定方法，無(wú)須軟件處理，一般用于確定管道環(huán)境中的烴類化合物蒸汽的濃度，適用于儲(chǔ)氣罐系統(tǒng)，同時(shí)也適用于檢測(cè)管道周圍環(huán)境中的泄漏氣體，可同時(shí)檢測(cè)出多出泄漏點(diǎn)的狀況。該技術(shù)的缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，通常需要幾個(gè)小時(shí)到幾天才能對(duì)泄漏做出響應(yīng)。因此，將蒸汽傳感器與另一種泄漏檢測(cè)方法耦合才能發(fā)揮更好的作用。

3.4紅外熱像法

該方法主要通過(guò)紅外攝像機(jī)來(lái)檢測(cè)管道環(huán)境的溫度變化來(lái)檢測(cè)管道泄漏，由于能夠以非接觸方式實(shí)時(shí)測(cè)量溫度變化，紅外熱像法進(jìn)行管道監(jiān)測(cè)被廣泛接受[3]。經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展，已經(jīng)基于紅外熱像法發(fā)展出數(shù)種創(chuàng)新方法，例如，使用無(wú)源紅外熱成像檢測(cè)氣體泄漏，利用基本圖像分割算法區(qū)分各種異常熱圖像，從而找出泄漏區(qū)域。使用紅外成像系統(tǒng)進(jìn)行管道狀態(tài)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是能夠及時(shí)檢測(cè)管道網(wǎng)絡(luò)中的異常情況，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，易于使用;缺點(diǎn)是高分辨率紅外攝像機(jī)成本高，小于1.0mm的泄漏孔很難發(fā)現(xiàn)。

3.5探地雷達(dá)技術(shù)

探地雷達(dá)（GPR）將脈沖發(fā)射到底下介質(zhì)中，通過(guò)接收反射信號(hào)探測(cè)地下目標(biāo)。由于電磁波在介質(zhì)中的傳播與通過(guò)介質(zhì)的電性質(zhì)和幾何形態(tài)有關(guān)，故通過(guò)時(shí)域波形的處理和分析可探知地下物體。當(dāng)管道內(nèi)的原油發(fā)生泄漏時(shí)，管道周圍介質(zhì)的電性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，從而發(fā)射信號(hào)的時(shí)域波形也會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)波形的變化就可以檢測(cè)管道是否發(fā)生了泄漏。庫(kù)克于1960年首次提出利用雷達(dá)方法探測(cè)地下物體[4]。Bradford等人利用機(jī)載探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)雪下管道泄漏進(jìn)行了檢測(cè)，研究結(jié)果表明，1GHz的探地雷達(dá)系統(tǒng)可以探測(cè)到海冰和雪之間的2cm稠密油膜?；谔降乩走_(dá)的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)非常適用于地下管道，但不適用于長(zhǎng)管道網(wǎng)絡(luò)。

3.6熒光法

該法主要通過(guò)使用熒光滲透劑或著色滲透劑來(lái)檢測(cè)漏點(diǎn)。將滲透劑施加到管道的一側(cè)或表面，然后讓其通過(guò)任意漏點(diǎn)滲漏。著色滲透劑和熒光滲透劑均可用作液體染料示蹤劑。滲透劑停留一段時(shí)間后，觀察器壁否有滲透劑滲漏。Jasper等人使用熒光材料成功地實(shí)現(xiàn)了泄漏檢測(cè)[5]。由于熒光探測(cè)器檢測(cè)范圍大，因此可以將傳感器安裝在機(jī)械臂上進(jìn)行快速大區(qū)域掃描。該方法的缺點(diǎn)是對(duì)監(jiān)控環(huán)境能見(jiàn)度要求較高，另外在水下環(huán)境中，泄漏位置點(diǎn)的檢測(cè)容易出現(xiàn)偏差。

3.7電容感應(yīng)

該方法依靠海水和烴類化合物之間的介電常數(shù)變化來(lái)檢測(cè)烴類化合物的存在，一旦烴類化合物與傳感器接觸，就會(huì)產(chǎn)生泄漏信號(hào)。傳感器的靈敏度取決于泄漏位置和泄漏烴類化合物之間的距離[6]。目前，電容式傳感器已引入環(huán)境監(jiān)測(cè)市場(chǎng)。

4結(jié)論

發(fā)展管道泄漏定位與檢測(cè)技術(shù)對(duì)于石油、天然氣等烴類化合物而言具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，至今已發(fā)展出數(shù)十種泄漏檢測(cè)方法，并逐步實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用，避免造成大量的經(jīng)濟(jì)損失。而外部法檢測(cè)法是目前國(guó)際上應(yīng)用較為普遍的手段，且每種技術(shù)都有一定的優(yōu)缺點(diǎn)，多種技術(shù)集成使用必然成為目前及未來(lái)管道泄漏檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的主流方向。

參考文獻(xiàn)

[1]? Cramer，R.;Shaw，D.;Tulalian，R.;Angelo，P.;Van Stuijvenberg，M. Detecting and correcting pipeline leaks before they become a big problem. Marine Technology Society Journal 2015，49，31-46.

[2]? Li，S.;Wen，Y.;Li，P.;Yang，J.;Yang，L. Leak detection and location for gas pipelines using acoustic emission sensors. 2012 IEEE International Ultrasonics Symposium（IUS），Dresden，Germany，7-10 Oct. 2012，IEEE2012，957-960，doi：10.1109/ULTSYM.2012.0239.

[3]? Bagavathiappan，S.;Lahiri，B.;Saravanan，T.;Philip，J.;Jayakumar，T. Infrared thermography for condition monitoring–A review. Infrared Physics & Technology 2013;60，35-55.

[4]? Cowdrick D.H. Oblique scanning ground penetrating radar. United State Patent，Jul 25 2000，1-3，Patent No. 609157.

[5]? Jasper，A. Oil/Gas Pipeline Leak Inspection and Repair in Underwater Poor Visibility Conditions：Challenges and Perspectives. Journal of Environmental Protection 2012，3，394-399.

[6]? Recommended practice，DNV-RP-F302. Selection and Use of Subsea Leak Detection Systems. April，2010. Feb. 2019）.