關(guān)鍵詞：  燃?xì)夤艿溃?span lang="EN-US">  泄漏檢測；  光纖技術(shù)；硬件

Development Trend of Gas Pipeline Leak Detection Technology Based on Hardware

Abstract：The various pipeline leak detection technologies based on hardware and their application conditions for the past few years at home and abroad are summarized，and the advantages and disadvantages of various methods are introduced．The development trend of pipeline leak detection technologies is analyzed．The advanced information transmission technology such as use of optical fiber，especially combined with gas network intelligent development needs，will be an effective way to realize the pipeline leak real-time detection in the future．

Key words：  gas pipeline；leak detection； fiber technology：hardware

1概述

隨著天然氣工業(yè)的快速發(fā)展、大量燃?xì)夤こ痰慕ㄔO(shè)，燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全運行成為一個很重要的課題。燃?xì)夤艿佬孤┦浅鞘腥細(xì)獍踩鹿实淖钪饕?，因此燃?xì)夤艿佬孤z測技術(shù)越來越引起人們的重視^[1]。隨著管道服役時間的增加，金屬管道腐蝕、周圍環(huán)境的變化以及第三方破壞等，都可能引起管道泄漏事故的發(fā)生，因而從人身安全、經(jīng)濟損失、社會穩(wěn)定以及環(huán)境保護等多方面考慮，都需要更加重視城市燃?xì)夤艿佬孤z測和定位技術(shù)的研究。近年來這一領(lǐng)域的研究進展很快，本文僅就燃?xì)夤艿阑谟布男孤z測技術(shù)方法以及發(fā)展趨勢進行分

析。

2管道泄漏檢測技術(shù)現(xiàn)狀

2．1 電纜檢漏法

沿管道鋪設(shè)特殊的電纜，當(dāng)泄漏物質(zhì)滲入劍電纜里時，電纜的相關(guān)屬性發(fā)生變化，從而實現(xiàn)泄漏的檢測和定位。目前常用的電纜有油溶性電纜、滲透性電纜、分布式傳感器電纜3種^[3]。該類方法檢測靈敏度非常高，尤其對較小和緩慢的管道泄漏或滲漏具有良好的檢測效果，而且不受管道運行參數(shù)和環(huán)境噪聲的影響。但是電纜造價昂貴，施工費用高。另外，被泄漏污染的電纜應(yīng)及時更換，其維修和維護工作量較大。

2．2 放射物檢測法

1955年美國開發(fā)了用于輸油管道泄漏檢測的放射物檢測法，該方法主要通過向輸送介質(zhì)中添加放射性標(biāo)記物，如果管道發(fā)生泄漏，在管道沿線地面就可以檢測出放射性標(biāo)記物，并可以迅速確定管道發(fā)生泄漏的位置。所用的放射性標(biāo)記物有溴-82、碘-l31、鈉-24等。前蘇聯(lián)、法國、丹麥、印度、日本等國家相繼采用該項技術(shù)進行管道泄漏檢測。該檢測方式檢測范圍涉及到油管道、氣管道。

2．3 管壁參數(shù)檢測法^[4-7]

這種方法通過檢測管壁缺陷來判斷是否有泄漏，通常將管內(nèi)探測器從被檢測管道的一端放人，使其沿著管道行走，檢測管道內(nèi)壁的腐蝕情況、缺陷以及焊縫的狀況等。一般此方法能夠獲得較詳細(xì)的整條管道的質(zhì)量信息，為是否需要大修提供技術(shù)依據(jù)。其缺點是設(shè)備昂貴，對管道要求高，檢測費用高昂，無法做到實時連續(xù)監(jiān)測。目前國際上常用的管壁參數(shù)檢測法有漏磁通檢測法、超聲波檢測法、照相檢測法和錄像檢測法。

①漏磁通檢測法

管道為鐵磁性材料，直接將電磁鐵置于管道內(nèi)部，在外加磁場的作用下管壁被磁化，當(dāng)材料中無缺陷時，磁感應(yīng)線絕大部分通過管壁，此時磁感應(yīng)線分布均勻。如果管道表面及近表面存在裂紋等缺陷，由于管壁缺陷處的磁阻增大，從而使通過該區(qū)域的磁場發(fā)生畸變，磁感應(yīng)線發(fā)生彎曲，一部分磁感應(yīng)線泄漏出管道表面，在缺陷部位形成泄漏磁場。采用磁敏感元件對缺陷漏磁場進行檢測，并將磁信號轉(zhuǎn)換成電信號，對電信號進行進一步的處理，就可以得

到缺陷的狀況。漏磁通檢測法結(jié)構(gòu)簡單，信號處理方便，但檢測精度略低。

②超聲波檢測法

超聲波檢測器垂直于管道壁發(fā)出一組超聲波脈沖，當(dāng)管壁有缺陷時，增加了超聲波脈沖的傳播距離，檢測器探頭首先接收到由管壁內(nèi)表面反射的回波(前波)，隨后接收到由管壁缺陷處反射的回波(缺陷波或底波)。探頭至管壁內(nèi)表面的距離與管壁厚度，可以通過前波時間以及前波和缺陷波(底波)的時間差來確定。根據(jù)測定管壁的厚度，可以檢測出管壁的腐蝕和穿孔。超聲波檢測法檢測精度較高，但對輸送介質(zhì)比較敏感。

③照相檢測法和錄像檢測法

此種方法直接將整套照相或錄像設(shè)備安裝在管內(nèi)探測器內(nèi)，利用流體壓力的驅(qū)動，使探測器沿管道在管內(nèi)行走，同時拍攝管道內(nèi)壁圖像或?qū)艿纼?nèi)壁進行錄像。這種方法要求管道內(nèi)的輸送流體透明，因而適用于檢測天然氣、某些成品油管道內(nèi)壁的缺陷，該方法不適用于輸送能見度較差介質(zhì)(如原油、煤漿等)管道的檢測。

2．4 光纖傳感檢測方法

在輸送管道敷設(shè)的同時鋪設(shè)一條或幾條光纖，利用光纖作為傳感器，采集管道周圍的壓力、溫度等信號，傳送給中心服務(wù)器，通過對信號的分析和處理，對管道泄漏進行判斷和準(zhǔn)確定位^[2,8-9]。光纖檢測法具有抗干擾性強，信號傳輸方便，靈敏度高，電絕緣性好，化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點?；诠饫w的泄漏檢測技術(shù)又分成以下4種。

①基于OTDR技術(shù)的方法

光時域反射(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)技術(shù)．通過檢測光纖中產(chǎn)生的背向瑞利散射和菲涅爾反射信號來判斷光纖的故障點，主要應(yīng)用于光纜的故障、光纖的長度、光纖的損耗以及光纖接頭損耗等檢測。

該方法用于對油氣管道安全監(jiān)測時，需在被監(jiān)測管道的上方沿管道同溝鋪設(shè)一條傳感光纖，不斷地向光纖中發(fā)射具有一定功率的光脈沖波。當(dāng)油氣管道沿線存在泄漏或人為破壞等引起的振動信號對附近的光纖施加應(yīng)力時，使傳感光纖發(fā)生大的彎曲或斷裂，背向散射光將在該處發(fā)生散射或端面反射，OTDR技術(shù)可測得這些變化。利用這一特性，可通過對光纖輸出光功率頻譜的分析，判定油氣管道是否有泄漏等事件的發(fā)生。該方法獲得光纖上各點的損耗特征、障礙點位置和光纖長度，即可確定管道泄漏的位置。

②光纖溫度傳感器方法

如果管道輸送的天然氣、原油等溫度較高，一旦流體泄漏就會引起周圍環(huán)境溫度的變化。通過分布式光纖溫度傳感器可連續(xù)測量沿管道的溫度分布情況，即可檢測出管道沿途泄漏的情況。

分布式光纖Raman背向散射溫度測量系統(tǒng)是用于實時測量空間溫度場分布的傳感系統(tǒng)。在該檢測系統(tǒng)中，光纖既是傳輸媒體也是傳感媒體。利用光纖反Stokes Raman背向散射的溫度效應(yīng)，光纖所處空間各點溫度場調(diào)制了光纖中傳輸?shù)墓廨d波，經(jīng)解調(diào)將空間溫度場的信息實時顯示出來。英國York Sensors Limited是國際上首家開發(fā)光纖分布式測溫系統(tǒng)并使之商品化的公司，已經(jīng)有20多年的歷史，并一直在該技術(shù)領(lǐng)域中保持國際領(lǐng)先地位。目前，該公司的產(chǎn)品可以對沿光纖傳輸路徑上長達幾十千米的管道進行檢測，其空間分辨率可以達到±lm以內(nèi)，溫度分辨率在±l℃以內(nèi)。由于加熱輸送管道周圍環(huán)境會形成一個溫度場，微小的泄漏產(chǎn)生的溫度變化不明顯，因而基于Raman背向散射溫度測量系統(tǒng)光纖檢漏方法不能檢出微小的泄漏。

③ 基于Sagnac光纖干涉儀原理的方法

1991年Kurmer等人開發(fā)了基于Sagnac光纖干涉儀原理的管道流體泄漏檢測定位系統(tǒng)。3 J。該檢測系統(tǒng)將一固定光纖回路置于管道內(nèi)作為檢測泄漏信號的傳感元件。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時所產(chǎn)生的泄漏噪聲會對泄漏點處的光纖產(chǎn)生擾動，導(dǎo)致兩束傳輸光波相位發(fā)生變化，兩束光波相位差的大小與泄漏點位置、泄漏噪聲引起光波相位變化速率成比例，利用這一基礎(chǔ)就可以實現(xiàn)對泄漏點進行定位。該檢測方法進行管道泄漏檢測時，管道內(nèi)的壓力大小、泄漏量的大小、泄漏點的位置和光纖環(huán)的長度等因素都會影響測量的準(zhǔn)確度。實際應(yīng)用中可以針對具體的管道優(yōu)化光纖環(huán)的尺寸，并對單模光纖做進一步的增敏處理，可以有效地提高泄漏檢測的靈敏度和定位的準(zhǔn)確度。由于該檢測方法須將光纖設(shè)置在管道內(nèi)，因而無法對檢測光纖進行維修和維護，同時也給管道施工帶來一定的困難。

④ 基于準(zhǔn)分布式光纖光柵的方法

光纖光柵(Fiber Bragg Grating，FBG)傳感器基于波長調(diào)制技術(shù)，將被測應(yīng)變和溫度的變化轉(zhuǎn)化為光柵中Bragg波長的變化，通過解調(diào)得知被測參量的信息。它是一種點式準(zhǔn)分布測量技術(shù)，該技術(shù)利用FBG作為傳感器，平行鋪設(shè)在天然氣管道附近，拾取管道由于泄漏、附近機械施工和人為破壞等事件產(chǎn)生的壓力和振動信號，通過匹配光柵法和自動識別技術(shù)檢測管道泄漏并進行定位10 J。它具有測量精度高、長期穩(wěn)定性好、傳輸距離遠、數(shù)據(jù)采集實時性好、抗電磁干擾、本質(zhì)防爆等優(yōu)點。

3 管道泄漏檢測技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著燃?xì)夤艿拦I(yè)的不斷發(fā)展，燃?xì)夤艿佬孤z測技術(shù)也在不斷提高。研制和開發(fā)新型高效的燃?xì)夤艿佬孤z測系統(tǒng)可以有效地提高泄漏檢測及定位的靈敏度、精確度和可靠性，其經(jīng)濟效益和社會效益決定這一難點技術(shù)仍將是研究的熱點。事實上近10年來，燃?xì)夤艿佬孤z測技術(shù)不僅繼續(xù)在理論、模型方面探索，更朝著工程實踐、實用技術(shù)方向發(fā)展，預(yù)計今后該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢如下。

①注重實時泄漏檢測技術(shù)、方法的研究。燃?xì)夤艿廊旌蜻\行，覆蓋范圍大，遍及城鎮(zhèn)居民居住地，任何間歇式檢測或階段性檢查、評估都無法保證檢測后不出現(xiàn)泄漏事故。可靠的實時泄漏檢測技術(shù)是管道高效運行、并且能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)泄漏事故的可靠保證。

②科技進步為泄漏檢測技術(shù)提供更多的先進手段。如光纖技術(shù)近年來發(fā)展很快，成本降低，應(yīng)用面拓寬，基于光纖的各種管道泄漏檢測及定位技術(shù)有很大的應(yīng)用空間。如：基于OTDR技術(shù)的連續(xù)光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)被用于監(jiān)測鋪設(shè)在北極的管線在冰融時的沉降情況。將OTDR分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用在海底管道監(jiān)測上^[11]，通過對應(yīng)變數(shù)據(jù)的分析，根據(jù)海底管道自振頻率規(guī)律反推海底管道的長度，以監(jiān)測管道的安全狀況。

③燃?xì)夤芫W(wǎng)智能化目標(biāo)將有利于管道泄漏技術(shù)的發(fā)展。由于信息、通信以及控制等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，城鎮(zhèn)電網(wǎng)、燃?xì)夤芫W(wǎng)以及供熱、供水、交通等都將實現(xiàn)智能化控制與管理，這決定了基于智能化發(fā)展平臺的管道泄漏檢測技術(shù)是很有前途的。

④目前基于硬件的泄漏檢測技術(shù)發(fā)展很快，并顯現(xiàn)出良好的勢頭和許多優(yōu)勢，同時也帶來新的理論問題需要研究，而且都或多或少地與管道水力研究相關(guān)聯(lián)，同時各種方法都有不同的適應(yīng)性和局限性。如果再考慮到管道內(nèi)氣、液不同介質(zhì)的差異，那么泄漏檢測技術(shù)無疑是非常廣泛、復(fù)雜的研究領(lǐng)域，必然是多學(xué)科的交叉技術(shù)。

參考文獻：

[1] 曹琳，趙金輝，潭羽非．泄漏檢測及定位方法在燃?xì)夤芫W(wǎng)應(yīng)用的可行性[J]．煤氣與熱力，2008，28(1)：B51-B54．

[2] SUN An，CHEN Jialin，LI Guoyang ．Detection of spontaneou brillou in back scattered powering distributed optical fiber sensor system based on high frequency microwave technology[J]．China J．Lasers，2007，34(4)：503-506．

[3] Kurmer J P，Kingsley S A，Laud J S．Distributed fiber optic acoustic sensor for leak detection[J]．SPIE，1991(1586)：117-127．

[4] 李東升，王昌明，施祖康，等．管道壁缺陷超聲波在役檢測的量化分析研究[J]．儀器儀表學(xué)報，2002，23(2)：131-134．

[5] 關(guān)洪光，李正利．管道縱向缺陷的超聲檢測[J]．山東電力技術(shù)，2000(1)：4-5．

[6] 周明．在役管道壁厚超聲檢測爬機技術(shù)[J]．無損檢測，l999，21(6)：249-259．

[7] JOGRE J，ROBINSON J．Rish-based analysis suggests expanding maintenance interval[J]．Pipe & Gas Industry，2000(3)：33-38．

[8] VOGEL B CASSENS C，GRAUPNER A．Leakage detection systems by using distributed fiber optical temperature measurement[J]．Proceedings of the SPIE，2001(11)：23-34．

[9] 杭利軍，何存富，吳斌，等．新型分布式光纖管道泄漏檢測技術(shù)及定位方法研究[J]．光學(xué)學(xué)報，2008，28(1)：123-127．

[10] 陳志剛，張來斌，土朝暉．基于分布式光纖傳感器的輸氣管道泄漏檢測方法[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2007，26(7)：108-110．

[11] 金偉良，張恩勇，邵劍文，等．分布式光纖傳感技術(shù)在海底管道健康監(jiān)測中的應(yīng)用[J]．中國海上油氣(工程)，2003，15(4)：5-8．

本文作者：李佩銘  趙春陽  劉  翔   侯慶民

作者單位：深圳市燃?xì)饧瘓F股份有限公司  哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院  哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院