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

 

天然氣管道介質泄漏容易引發事故，其運行過程中的泄漏監測尤為重要。傳統的壓力梯度法、質量平衡法、負壓波法等監測方法均難以實現對天然氣管道泄漏的有效監測。通過介紹和分析基于模擬仿真的泄漏監測技術、次聲波泄漏監測技術、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、微量滲漏實時監測技術等常用泄漏監測技術和不同特性，提出了在工業化測試中的適用場景和改進方向。

1  基于模擬仿真的泄漏監測技術

該技術方案以管道路由、管道支線分布、各類儀表數據為主要數據來源，利用流體力學分析軟件，開展泄漏模擬仿真。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，通過流體力學分析模型，仿真模擬疑似泄漏點位置及泄漏情況等，從而實現泄漏監測預警[1]。該技術雖然不需要在管道上加入新設備，不需要改動現有壓力表分布，但存在較大的局限性。如管道一旦改線或加入支線，核心軟件必須進行大量調整，否則會存在誤報和漏報情況。

2  次聲波泄漏監測技術

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

圖 1 次聲波泄漏監測系統示意圖

該技術主要問題是整體設備造價較高，每次管道改造均需投入較大成本，會受管道支線、輸送壓力、檢修作業等因素影響，存在設備不能正常運行的情況。以上兩種技術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

分布式光纖振動泄漏監測。該技術目前有比較成型的技術方案，以Omsence和Fotech等公司為代表，國外已有一些實際應用。其技術原理是利用COTDR技術開展外界振動與天然氣管道泄漏信號的識別分析，通過強化信號識別（是否強化采樣速率待驗證）實現對泄漏事件與外部第三方振動事件、管內湍流事件等的有效監測與分析。Fotech提出該技術要求光纜與管道的布設距離不得超過15 cm，其說明性試驗中均采用10 cm以下間距進行[3]。與其他泄漏監測方式相比，該技術具有施工簡單、可實時監測等優勢。但是管道直徑達到1419 mm時，還需要研究探討實際應用問題。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。目前難以評價該技術的實際應用效果。針對監測效果越好成本壓力越大的矛盾，需要開展模擬仿真及試驗，這是未來立項研究的核心方向之一。

基于光纖應變（BOTDA）的監測技術。是最早應用于天然氣管道及熱油管道泄漏監測的技術，21世紀初多家德國公司已經開展了針對熱鹵水管道的泄漏溫度場監測，也逐步形成了泄漏引發的溫度場變化及擴散的相關技術[4]。很多大學開展了泄漏引發的溫度場變化的模擬仿真，是該技術一個比較好的發展方向。目前看來存在技術瓶頸：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，探測光纖與泄漏點之間距離較長，需要研究光纖如何有效傳遞溫度場、傳遞時間，以及如何準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測，設備費用會進一步增高。三是管道所經區域多種地質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現泄漏監測方法，遇到的問題與以上兩種技術基本相同。

4  基于吸收光譜的監測方法

無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）焊縫泄漏監測，焊縫失效是泄漏監測的重點[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，氣室內一旦進入甲烷氣體即可報警。同時在管道焊縫位置加裝一層密閉的夾克（圖 2），焊縫泄漏時甲烷會流到夾克形成的空腔中，將多個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實現泄漏監測（圖 3）。

圖 2 無源光纖激光泄漏監測系統傳感終端現場安裝圖

圖 3 無源光纖激光泄漏監測系統結構示意圖

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

無人機甲烷吸收光譜吊艙巡檢方法。利用無人機與甲烷吸收光譜開路式設備結合實現泄漏監測。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。但在南方水網區域不易達到監測效果，主要是水網地區沼氣分布較為廣泛，自然界中存在較多的甲烷分布，所以影響了該技術的使用。

開路式站場泄漏監測技術。基于開路式可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術，設備（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，實現泄漏監測目的。該技術的主要優點是檢測精度高，但檢測完全依靠云臺旋轉且需要定期更換，難以實現實時監測。

圖 4 基于TDLAS的站場泄漏監測設備

5  基于超聲的泄漏監測技術

該技術主要原理是安裝多只超聲傳感器，實現對泄漏引發的超聲信號的高靈敏度拾取，經過信號解調與分析、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研發的光纖傳感器，已在西氣東輸9座站場實現應用。但該方法只適用于架空管道，不能監測埋地管道泄漏。

6  微量滲漏實時監測技術

該技術由中海油機電工程研究院開發，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，圖 5），埋設于管道正上方或斜上方。一旦發生管道泄漏時，甲烷氣體滲入管道，管道內部使用風機將氣體勻速推往管道末端，管道末端安裝甲烷監測設備，實現管道微滲漏的測量和定位（圖 6）。經實驗驗證，使用標志氣體可實現定位精度近1 m，檢測精度約10 ppm（mg/kg）。目前主要問題是由于氣泵推動氣體勻速前進速度小于5 m/s，監測45 km管道需幾個小時，檢測速度較慢。一旦管道破損導致泥水混合物進入，監測方法就會失效，整體造價也高于其他監測手段。

圖 5 專用檢測管結構示意圖

圖 6 微量滲漏實時監測系統結構示意圖

天然氣管道泄漏監測主流技術依然是次聲波、超聲波、流量平衡和壓力梯度技術。針對分布式光纖傳感及吸收光譜分析等技術，越來越多的研究機構正在開展進一步的應用研究，以尋求切合實際的應用場景，例如滲漏監測在平原較為干燥區域已經具備應用價值。

 

參考文獻：

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

[2]陳妍妍.市政燃氣管道泄漏檢測技術現狀與前景分析[J]. 房地產導刊，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的現狀及發展[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的溫度測量方法研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學，2018.

[5]車璐.波長調制光譜技術在線測量氣體濃度的理論與實驗研究[D]. 北京：清華大學，2012.

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

 

作者簡介：王飛，1978年生，高級工程師，技術創新中心主任工程師，主要從事基于光纖傳感的管道安全監測技術研究。聯系方式：13785696859，tx_wangfei@cnpc.com.cn。