【论文精选】城镇燃气管道泄漏检测技术现状与展望

时间：2021-10-20 00:00:00　浏览：0次　来源：煤气与热力杂志(GAS-HEAT1978)　　作者：科技与信息化管理部

恢复窄屏

作者：严荣松，赵自军，高文学，杨林，王艳，户英杰

第一作者单位：中国市政工程华北设计研究总院有限公司城市燃气热力研究院

摘自《煤气与热力》2021年10月刊

1 概述

我国城镇用能已经进入天然气的时代，燃气管道系统已经成为天然气储运、输配的重要网络。在长期运行过程中，燃气管道会因腐蚀、焊接缺陷、第三方破坏等原因而失效，从而导致泄漏事故的发生。泄漏事故不仅影响到管道的正常运行，而且还威胁到环境和人身安全。燃气管道的微小泄漏都可能会导致重大的安全事故和经济损失。管道泄漏检测是否有效开展已成为燃气管道安全运行及完整性管理亟待解决的关键问题^［¹^］。

与我国管道泄漏检测技术相比，国外相关技术发展至今已形成相对成熟的体系^［²^］。一些研究学者对管道泄漏检测有着不同的分类方法^［³^］。基于检测技术智能化特征，检测技术分为自动检测、半自动检测和手动检测；基于检测数据的特征相关性，检测技术分为直接检测和间接检测^［⁴^］。本文结合现有的油气管道泄漏检测标准和检测方法，重点介绍典型泄漏检测技术方法的原理、优点、局限性，并从城镇燃气管道泄漏检测关键技术的角度分析技术的发展趋势和存在问题，以期为城镇燃气管道泄漏检测技术的选择提供参考。

2 国内外主要标准

按主要功能将标准分为操作程序类、技术相关类和管理相关类等3类。

2.1 操作程序类

操作程序类标准涵盖可用于指导现场泄漏检测技术的操作和准备要求，共有3项标准。

①NB/T 47013.8—2012《承压设备无损检测第8部分：泄漏检测》，规定了确定承压设备泄漏部位和测量泄漏率的泄漏检测方法；

②API RP 1130： 2012《液体管道的计算监测》（Computational Pipeline Monitoring for Liquids），规定了管道监测系统的设计、实施、测试和操作；

③DNVGL-RP-F302： 2016（2019）《海上泄漏检测》（Offshore leak detection），规定了现场项目的规划、设计、运维等阶段海上泄漏检测系统的集成和操作。

2.2 技术相关类

技术相关类标准涵盖介绍相关泄漏检测技术原理、方法，共有10项标准。

①GB/T 33643—2017《无损检测声发射泄漏检测方法》，规定了基于声发射（AE）技术的泄漏检测方法和结果评价；

②GB/T 34638—2017《无损检测超声泄漏检测方法》，规定了超声泄漏检测方法和结果评价；

③ISO 20484： 2017《无损检测泄漏检测术语》（Non-destructive testing—Leak testing—Vocabulary），定义了泄漏测试中使用的术语；

④ISO 20485： 2017《无损检验泄漏检测示踪气体方法》（Non-destructive testing-Leak testing-Tracer gas method），描述了使用示踪气体的检测泄漏技术及用于示踪气体的检漏仪；

⑤ISO 20486： 2017《无损检测泄漏检测气体参考漏孔的校准》（Non-destructive testing -Leak testing -Calibration of referenceleaks for gases），详细说明了用于校准检漏仪的泄漏的校准方法；

⑥ISO 18081： 2016《无损检测声发射检测声发射泄漏检测方法》（Non-destructive testing-Acoustic emission testing（AT）-Leak detection by means of acoustic emission），规定了通过声发射测试（AT）进行泄漏检测所需的一般要求；

⑦API SMART《用于控制逸散性排放的智能泄漏检测和修复方法》（Smart LeakDetection and Repair （LDAR） for Controlof Fugitive Emissions），开发了有效的程序和技术，以控制管道系统中诸如阀门、泵、连接器等的逸散性排放；

⑧API TR 1149： 2015《管道变量的不确定因素及其对泄漏探测能力的影响》（Pipeline Variable Uncertainties and Their Effects on LeakDetectability），描述了管道压力状态计算监测管道泄漏不确定性的程序；

⑨API PUBL 346： 1998《地下管道泄漏检测和泄漏定位技术的测距测试结果》（Results of Range-Finding Testing of Leak Detection and Leak LocationTechnologies for Underground Pipelines），针对不同类型的管道确定可用于泄漏检测和定位的技术，并进行测距测试，以评估对运营的潜在影响；

⑩ASTM E432-91（2017）《渗漏试验方法的选择》（Standard Guide for Selection of a Leak Testing Method），提供了泄漏试验选择方法及简化指南。

2.3 管理相关类

管理相关类标准是指可用于指导泄漏检测与管道完整性管理的程序文件，共有1项标准。

API RP 1175： 2015（R2017）《管道泄漏检测管理程序》（Pipeline Leak Detection-Program Management），为液体管道建立了泄漏检测程序（LDP）管理框架。

3 主要技术现状

3.1 基于化学成分分析法

嗅探仪法^［⁵^］的原理是指通过特殊仪器捕获泄漏气体并分析其浓度的方法。为了提高效率，通常采用机载设备靠近管道沿线进行巡查，例如燃气巡检车等。

该方法的优点是检测速度快，检测精度高，泄漏位置可准确定位。主要局限性是运营成本较高，且检测结果易受风速等环境因素的影响。

3.2 声学分析法

3.2.1 声波法

声波法^［⁶^］的原理是通过声波传感器检测燃气管道内沿着天然气传播的特定声波信号，根据泄漏信号定位分析泄漏点。声波法的关键是确定声波的波速。由于声波在天然气介质的传播速度比原油介质中的慢，因此，天然气管道泄漏检测的定位精度高于原油管道的定位精度。

该方法的优点在于工作原理简单，灵敏度高，定位准确。主要局限性是当管道地形环境复杂时，声速信号降噪、弱特征提取难以准确计算。

3.2.2 声发射法

声发射法^［⁷^］的原理是通过预先安装在管壁外侧的声传感器，捕捉并放大天然气通过泄漏孔向外喷射产生的声音信号，再利用检测装置将接收到的声音信号处理成可用的声音全波形，实现管道泄漏状况和定位泄漏点监测的目的。

该方法的优点是声发射技术可以更加准确地在线定位埋地管道泄漏源，且检测灵敏度较高。主要局限性是需施工开挖以便安装传感器，特殊情况下还需中断管道供气。

3.3 光学测量法

3.3.1 激光雷达系统法

激光雷达系统法^［⁸^］是基于光谱吸收的原理进行的，利用激光发射装置发射甲烷易吸收的光波，通过吸收光谱传感器回收激光回波信号，测量激光散失能量与功率，从而获得大气中甲烷的浓度。由美国ITT公司开发的机载天然气发射激光雷达（ANGEL）系统包括高分辨率测绘摄像机、差异吸收光谱传感器、数字摄像机和飞机，探测速度可达160 km/h。美国布里杰光电公司（Bridger Photonics， Inc）开发了一种基于调频连续波激光雷达（FMCW）测距和气体浓度测量集成的3D高质量气体云图像显示技术，对气体泄漏检测与监测更加准确。美国波尔航太公司（Ball Aerospace & Technologies）研制的先进机载传感器，扩大仪器覆盖范围，确保采样分辨率和定位精度。

该方法的优点是激光雷达系统具有检测速度快、泄漏位置准确。主要局限性是运营成本过高。

3.3.2 热成像法

热成像法^［⁹^］的原理是采集检测对象气体的红外波段辐射信息实现气体泄漏检测的热成像。热成像仪采用热成像技术分析管道周围热辐射的变化。当天然气管道泄漏时，管道周围的土壤温度会因节流效应而降低。这种方法可用于移动车辆、直升机或便携式系统，美国菲利尔系统公司（FLIRSystems， Inc）的红外系列气体成像仪（Gas FindIR系列）和法国伯丁技术公司（Bertin Technologies）的红外成像气体云实时监测仪（Second Sigh系列）应用较为广泛。

该方法的优点是显示速度较快。主要局限性是其设备昂贵，检测成本较高，且易受燃气温度、周围土壤温度的影响而导致检测结果不准确。

3.3.3 光谱成像法

光谱成像法^［⁹^］的原理是利用光谱扫描空间，获取随波长分布的光谱辐射信息，对信息数据进行处理后得到目标的三维特征及内部属性信息。可进一步分为多波长成像技术和高光谱成像技术。光谱成像法有吸收模式和发射模式两种模式。利用多波长发射技术检测天然气浓度的前提是，泄漏后的天然气的温度远高于周围空气的温度。即使天然气与环境空气之间没有温差，多波长吸收成像技术也可利用多波长背景辐射直接成像天然气浓度。目前，具有代表性的应用包括来自英国物理科学公司（Physical Sciences Inc）的自适应红外成像光谱仪（AIRIS）和来自加拿大泰洛普斯公司（TelopsInc）的辐射光谱成像光谱仪（FIRST）。

光谱成像法的优点是检测结果的误报率较低。主要局限性是设备昂贵，数据结果解析过程复杂。

3.4 分布式光纤传感器法

分布式光纤传感器法^［^10-11^］的原理是依靠分布式光纤可用于检测应变和温度异常的功能，从而能够实时监测管道泄漏。由于管道内外存在较大的压力差，在天然气泄漏处引起管道壁面和周围土壤的振动，在局部位置形成温度变化区。这些异常状况会导致光纤的温度变化、光导介质的变化以及弯曲和张力（或压缩）应变。分布式光纤传感器法可分为反射式分布式光纤检测方法、干涉式分布式光纤检测方法和准分布式光纤光栅检测方法。

该方法的优点是不仅可实现管道泄漏的在线监控，且具有抗干扰能力较强、测量沿程距离大、对微小泄漏灵敏度高。主要局限性是在多点检测、抗环境干扰、提高定位精度和振动源类型的自动识别方面，仍有改进的空间。

3.5 智能球法

智能球^［¹²^］包括声学传感器、加速度计、磁力计、超声波发射器、温度传感器等。智能球是一种自漂流式球形装置，可以随着燃气流动在管道中运动，适用于公称直径大于100 mm的管道。智能球可以通过清管装置进行发射和回收，不需要其他辅助设施，能够克服管道形状障碍，达到对小泄漏的最高响应能力。该装置在通过管道时，记录所有噪声事件，除了部分与小型泄漏噪声（例如调压器、阀门的泄漏噪声）特征类似的环境噪声，管道泄漏噪声特征可以清楚地区别于其他形式环境噪声。

初期的智能球只能用于供水管道。2010年以后，美国Pure油气管道技术公司的19次实验结果显示，智能球可用于石油和天然气管道。在智能球技术论证过程中，智能球可以识别的最小天然气泄漏量为0.11 L/min，泄漏定位误差范围为±2 m，验证了该装置检测小型泄漏的能力^［⁸^］。

该方法的优点是可用于各种材料的管道的在线检测，泄漏检测的灵敏度较高。主要局限性是测量结果准确性受泄漏点内外压差影响较大。

4 发展趋势及存在问题

4.1 发展趋势

①随着成像技术的发展，开发高效率、远距离、大范围、动态直观等优势显著的泄漏成像检测装备将成为重点发展方向。

②利用管段瞬时压力、流量数据，形成瞬态测量数据进行泄漏定位、诊断、状态估计等在线诊断技术，是燃气管道泄漏检测技术的一个发展趋势。

4.2 存在问题

①油气管道泄漏检测的现行相关标准存在检测技术太单一、检测技术覆盖范围太小的问题，泄漏检测标准体系仍需完善。

②现有的泄漏检测系统的应用对象主要为长输油气管道，没有一种技术能在城镇燃气行业中处于绝对的优势，相关设备大多存在系统结构复杂、体积大的问题。

③尽管可燃气体图像增强算法已经在成像系统中得到了探索应用，但大多数算法针对可燃气体云团本身的特征（例如形状、大小、浓度分布和扩散运动等）的目标图像处理较少。

④可燃气体泄漏检测系统性能评价方法在城镇燃气行业仍属空白。

5 结语