燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)與定位技術(shù)

摘 要

摘要：探討了管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，分析了人工巡檢法、SCADA監(jiān)控法、光纖傳感器檢測(cè)法和負(fù)壓波檢測(cè)法，提出了提高管網(wǎng)泄漏檢測(cè)能力的建議。關(guān)鍵詞：燃?xì)夤艿?；檢測(cè)；泄漏；定位Detecti
摘要：探討了管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，分析了人工巡檢法、SCADA監(jiān)控法、光纖傳感器檢測(cè)法和負(fù)壓波檢測(cè)法，提出了提高管網(wǎng)泄漏檢測(cè)能力的建議。
關(guān)鍵詞：燃?xì)夤艿溃粰z測(cè)；泄漏；定位
Detection and Location Technologies for Gas Pipeline Leakage
ZHANG Weiqin，YAO Shuiun
Abstract：The development of gas pipeline leakage detection technology is discussed.The manual patrol inspection method，SCADA monitoring method，fibre-optical sensor method and negative pressure wave method analyzed.Suggestions for improving network leakage detection capacity are made.
Key words：gas pipeline；detection；leakage；location
1 管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展[1～4]
    隨著燃?xì)馐聵I(yè)的發(fā)展，管道泄漏檢測(cè)技術(shù)得到了不斷發(fā)展，從最簡單的人工分段巡視發(fā)展到較為復(fù)雜的計(jì)算機(jī)軟硬件結(jié)合方法，從陸地檢測(cè)發(fā)展到利用飛機(jī)在空中進(jìn)行檢測(cè)。
    根據(jù)不同的分類依據(jù)，管道泄漏檢測(cè)方法有多種分類。根據(jù)檢測(cè)位置不同，可分為管外檢測(cè)法和管內(nèi)檢測(cè)法；根據(jù)檢測(cè)對(duì)象不同，可分為直接檢測(cè)法和間接檢測(cè)法。
    管內(nèi)檢測(cè)法比較有代表性的為漏磁檢測(cè)法，該方法要求傳感器與管壁緊密接觸，由于焊縫等因素的影響，管壁凸凹不平，有時(shí)難以達(dá)到要求。
    管外檢測(cè)多用于突發(fā)性泄漏，而管內(nèi)檢測(cè)適用于檢測(cè)管道腐蝕狀況及微小泄漏。管內(nèi)檢測(cè)法多采用磁通、超聲波、渦流、錄像等技術(shù)，檢測(cè)準(zhǔn)確，但只適用于較大管徑的管道，易發(fā)生堵塞、停運(yùn)等事故，費(fèi)用高。
    直接檢測(cè)法是對(duì)管道泄漏出的物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，主要有：直接觀察法、泄漏檢測(cè)電纜法、示蹤劑檢測(cè)法和光纖泄漏檢測(cè)法，其中基于光纖傳感器的光纖泄漏檢測(cè)法越來越受到人們的重視。
    間接檢測(cè)法是對(duì)泄漏時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)，主要有：負(fù)壓波法、壓力梯度法、實(shí)時(shí)模型法、質(zhì)量平衡法、統(tǒng)計(jì)決策法、應(yīng)力波法和聲發(fā)射法。
2 檢測(cè)方法
2.1 常用檢測(cè)方法
   ① 人工巡檢法
   人工巡檢法是目前最常用的一種檢測(cè)方法，一般由巡檢人員帶著GPS定位器和一些簡便的巡檢設(shè)備沿管道逐段巡檢，主要是通過人觀察管道是否存在泄漏點(diǎn)。這種方法直觀簡單，設(shè)備費(fèi)用小，但耗費(fèi)人力，主觀性強(qiáng)，不適用于管道實(shí)時(shí)監(jiān)控，只能發(fā)現(xiàn)一些較大的泄漏及地面上的破壞性作業(yè)。目前人工巡檢法已部分被自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)所取代。
   ② SCADA監(jiān)控法
   該方法通過在調(diào)壓箱和計(jì)量箱處加裝壓力及溫度傳感器，并通過SCADA系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過壓力的變化判斷是否存在泄漏點(diǎn)。這種方法雖然可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，但往往需要人工巡檢法作為輔助，容易發(fā)生錯(cuò)誤判斷，且往往無法判斷泄漏點(diǎn)的位置。
    使用人工巡檢法與SCADA監(jiān)控法相結(jié)合的方式來監(jiān)測(cè)管網(wǎng)耗費(fèi)人力，且不能真正做到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)，所以需要尋找新的方法來解決這個(gè)問題。
2.2 新檢測(cè)方法
2.2.1光纖傳感器檢測(cè)法
   ① 概述[5]
   光纖光柵傳感器屬于光纖傳感器的一種。光纖光柵傳感技術(shù)已在建筑、海洋石油平臺(tái)、油田及航空、大壩等工程進(jìn)行了實(shí)時(shí)安全、溫度及應(yīng)變監(jiān)測(cè)。光纖光柵傳感器可廣泛地測(cè)量溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、電流、流量、電磁場、振動(dòng)等參量，還可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式傳感測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。光纖傳感器種類繁多，能以高分辨率測(cè)量許多物理參量，與傳統(tǒng)的機(jī)電類傳感器相比具有很多優(yōu)勢(shì)，如：本質(zhì)防爆、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、體積小、重量輕、靈活方便等，因此其應(yīng)用范圍非常廣泛，特別適用于惡劣環(huán)境中。
   光纖光柵傳感器除了具有普通光纖傳感器的許多優(yōu)點(diǎn)外，最重要的就是它的傳感信號(hào)為波長調(diào)制。這一傳感機(jī)制的好處在于：a.測(cè)量信號(hào)不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測(cè)器老化等因素的影響；b.避免了一般干涉型傳感器中相位測(cè)量的不清晰和對(duì)固有參考點(diǎn)的需要；c.能方便地使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串接多個(gè)光柵進(jìn)行分布式測(cè)量。另外，光纖光柵很容易埋入材料中對(duì)其內(nèi)部的應(yīng)變和溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍測(cè)量。
    ② 原理[6]
    光纖傳感器主要由光源、光纖與探測(cè)器3部分組成。光源發(fā)出的光耦合進(jìn)光纖，經(jīng)光纖進(jìn)入調(diào)制區(qū)，調(diào)制區(qū)內(nèi)的光信號(hào)受外界被測(cè)參量的作用，其光學(xué)性質(zhì)如光的強(qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)、波長等發(fā)生變化。再經(jīng)過光纖進(jìn)入光探測(cè)器，從而獲得被測(cè)參量。
    ③ 光纖傳感器的實(shí)際應(yīng)用[7]
    永久連續(xù)的井下傳感有利于油田的管理、優(yōu)化和發(fā)展，目前只有少數(shù)油田使用了永久連續(xù)井下油田監(jiān)控系統(tǒng)，而且主要是電傳感器，高溫操作和長期穩(wěn)定性的要求限制了電傳感器的使用。光纖光柵傳感器因其具有抗電磁干擾、耐高溫、長期穩(wěn)定并且抗高輻射等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于井下傳感，挪威相關(guān)學(xué)者正在開發(fā)用于永久井下測(cè)量的光纖光柵溫度和壓力傳感器。有研究者在海上鉆井平臺(tái)的復(fù)合材料索鏈中安裝光纖光柵傳感器，用來測(cè)試索鏈棒的強(qiáng)度和疲勞度。美國和英國都在將光纖光柵傳感技術(shù)用于海洋石油平臺(tái)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。
    自我國在新疆石門子水庫首次利用分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)測(cè)量碾壓硅拱壩溫度以來，至今已有多個(gè)工程應(yīng)用實(shí)例。水電水利工程中有許多物理場需要監(jiān)測(cè)，如溫度場、應(yīng)力場、位移場、滲流場等。以往采用單點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法，測(cè)點(diǎn)少，結(jié)果不直觀，需要通過分析才能最終了解場的情況，這種傳統(tǒng)的單點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法不僅費(fèi)工、費(fèi)時(shí)、費(fèi)資金，而且效果不理想。而采用分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)可以準(zhǔn)確地測(cè)定光纖沿線任一點(diǎn)的溫度、應(yīng)力和位移，信息量大，結(jié)果直觀。如果將光纖按一定的網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩安全的全方位監(jiān)測(cè)，可以克服傳統(tǒng)單點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法容易漏測(cè)和滲流難以定位的弊端，極大提高安全監(jiān)測(cè)的有效性。分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)是當(dāng)代高科技的結(jié)晶，是一種理想的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)還廣泛應(yīng)用于石油天然氣行業(yè)的石油、天然氣輸送管道或儲(chǔ)罐泄漏監(jiān)測(cè)，油庫、油管、油罐的溫度監(jiān)測(cè)及故障點(diǎn)檢測(cè)，大型民用工程的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)，公路、地鐵隧道行業(yè)的火災(zāi)監(jiān)測(cè)和報(bào)警等。如果應(yīng)用于天然氣管網(wǎng)，以大慶地區(qū)為例，中壓管網(wǎng)約177km，用光纖傳感器的平均費(fèi)用為8×104元/km，則大慶地區(qū)天然氣管網(wǎng)的光纖傳感器總費(fèi)用為1416×104元。
2.2.2負(fù)壓波檢測(cè)法[8]
    當(dāng)燃?xì)夤艿佬孤r(shí)，沿管道傳播的負(fù)壓波中包含泄漏信息，負(fù)壓波能夠傳播至幾十千米以外的遠(yuǎn)端。在管道兩端安裝壓力變送器，能夠捕捉到包含泄漏信息的負(fù)壓波，因此可以檢測(cè)泄漏的發(fā)生，并根據(jù)泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波傳播到管道兩端的時(shí)間差進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位。
    負(fù)壓波檢測(cè)法是目前國際上應(yīng)用較多的管道泄漏檢測(cè)和泄漏點(diǎn)定位方法。清華大學(xué)與中國石油天然氣東北輸油管理局在鐵秦管道的新民至黑山站間，天津大學(xué)和新鄉(xiāng)輸油公司在中洛管道濮陽至滑縣站間均采用了負(fù)壓波法的泄漏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[9]。
2.3 新檢測(cè)方法應(yīng)用前景
傳感器檢測(cè)法與負(fù)壓波檢測(cè)法均是采用在管道或管道接頭處安裝相關(guān)傳感器的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)管內(nèi)或管外情況的監(jiān)測(cè)。在燃?xì)夤芫W(wǎng)的應(yīng)用中，需要根據(jù)管道的長度加裝傳感器以及發(fā)射器，同時(shí)在各個(gè)調(diào)壓箱或閥門井處加裝控制器。報(bào)警信息接入SCADA系統(tǒng)，操作人員根據(jù)報(bào)警定位信息進(jìn)行處理，及時(shí)采取措施。新檢測(cè)方法的工作流程見圖1。
 

3 建議
    ① 管道的泄漏及多點(diǎn)泄漏檢測(cè)和定位是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，如何改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)手段或結(jié)合其他新方法來解決這一問題，是今后研究的主要方向。
    ② 在采用傳感器時(shí)，應(yīng)針對(duì)傳感器類型以及傳感器發(fā)射和接收信號(hào)的方式做進(jìn)一步研究。
   ③ 將SCADA系統(tǒng)聯(lián)合其他檢測(cè)軟件系統(tǒng)進(jìn)行使用，提高SCADA系統(tǒng)在運(yùn)行中的效率。
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(本文作者：張維勤 姚樹軍 中石油昆侖燃?xì)庥邢薰敬髴c燃?xì)夤?黑龍江大慶 163453)