王飞 邸小彪 牛炳乾 勾丹丹 杨娜 张家涵 张杰

中国石油天然气管道通信电力工程有限公司

 

天然气管道介质泄漏容易引发事故，其运行过程中的泄漏监测尤为重要。传统的压力梯度法、质量平衡法、负压波法等监测方法均难以实现对天然气管道泄漏的有效监测。通过介绍和分析基于模拟仿真的泄漏监测技术、次声波泄漏监测技术、分布式光纤监测方法、基于吸收光谱的监测方法、基于超声的泄漏监测技术、微量渗漏实时监测技术等常用泄漏监测技术和不同特性，提出了在工业化测试中的适用场景和改进方向。

1  基于模拟仿真的泄漏监测技术

该技术方案以管道路由、管道支线分布、各类仪表数据为主要数据来源，利用流体力学分析软件，开展泄漏模拟仿真。管道运行中一旦有一块压力表数据不符合流量平衡原理时，通过流体力学分析模型，仿真模拟疑似泄漏点位置及泄漏情况等，从而实现泄漏监测预警[1]。该技术虽然不需要在管道上加入新设备，不需要改动现有压力表分布，但存在较大的局限性。如管道一旦改线或加入支线，核心软件必须进行大量调整，否则会存在误报和漏报情况。

2  次声波泄漏监测技术

天然气管道泄漏后，通过检测管道次声波变化，借助GPS或北斗授时系统可实现对泄漏点的定位，次声波波动范围50 Hz～3000 Hz[2]，如图 1所示。

图 1 次声波泄漏监测系统示意图

该技术主要问题是整体设备造价较高，每次管道改造均需投入较大成本，会受管道支线、输送压力、检修作业等因素影响，存在设备不能正常运行的情况。以上两种技术均借助于管道自身的压力表、或者添加压力变通装置，不需要外接其他传感器。

3  分布式光纤监测方法

分布式光纤振动泄漏监测。该技术目前有比较成型的技术方案，以Omsence和Fotech等公司为代表，国外已有一些实际应用。其技术原理是利用COTDR技术开展外界振动与天然气管道泄漏信号的识别分析，通过强化信号识别（是否强化采样速率待验证）实现对泄漏事件与外部第三方振动事件、管内湍流事件等的有效监测与分析。Fotech提出该技术要求光缆与管道的布设距离不得超过15 cm，其说明性试验中均采用10 cm以下间距进行[3]。与其他泄漏监测方式相比，该技术具有施工简单、可实时监测等优势。但是管道直径达到1419 mm时，还需要研究探讨实际应用问题。如一根光缆能否覆盖管道所有区域的泄漏监测、需要几根光缆、分别布设到那里、需不需要增敏光缆等。目前难以评价该技术的实际应用效果。针对监测效果越好成本压力越大的矛盾，需要开展模拟仿真及试验，这是未来立项研究的核心方向之一。

基于光纤应变（BOTDA）的监测技术。是最早应用于天然气管道及热油管道泄漏监测的技术，21世纪初多家德国公司已经开展了针对热卤水管道的泄漏温度场监测，也逐步形成了泄漏引发的温度场变化及扩散的相关技术[4]。很多大学开展了泄漏引发的温度场变化的模拟仿真，是该技术一个比较好的发展方向。目前看来存在技术瓶颈：一是可能需要使用测温类特种光缆代替通信光缆。二是随着天然气管道的管径加大，探测光纤与泄漏点之间距离较长，需要研究光纤如何有效传递温度场、传递时间，以及如何准确判断光缆形成的温度场的变化情况等，可能需要多根光缆完成监测，设备费用会进一步增高。三是管道所经区域多种地质条件使传热效果存在较大差异，漏报、延迟报警的可能性较大。

此外，利用光纤光栅构建阵列实现泄漏监测方法，遇到的问题与以上两种技术基本相同。

4  基于吸收光谱的监测方法

无源光纤激光泄漏监测方法。该方法主要瞄准高后果区（不能太长）焊缝泄漏监测，焊缝失效是泄漏监测的重点[5]。该方法使用气室式泄漏监测设备，气室与监测主机利用光纤连接，气室内一旦进入甲烷气体即可报警。同时在管道焊缝位置加装一层密闭的夹克（图 2），焊缝泄漏时甲烷会流到夹克形成的空腔中，将多个焊缝夹克空腔使用专用传输管道（包裹于天然气管道表面）连接，最终形成多组焊缝互相连通的密闭空腔，将传感器置于空腔中采集信号实现泄漏监测（图 3）。

图 2 无源光纤激光泄漏监测系统传感终端现场安装图

图 3 无源光纤激光泄漏监测系统结构示意图

该技术的优点是可以监测比较微小的渗漏，监测级别为ppm（mg/kg）级，缺点也比较明显，如整体造价较高，不适合长距离使用；一旦密封通道因为其他原因脱落，系统完全失效。

无人机甲烷吸收光谱吊舱巡检方法。利用无人机与甲烷吸收光谱开路式设备结合实现泄漏监测。该方法适用于新疆、甘肃等较干燥地表区域的管道泄漏监测，能达到较高的精度，并具备定位能力。但在南方水网区域不易达到监测效果，主要是水网地区沼气分布较为广泛，自然界中存在较多的甲烷分布，所以影响了该技术的使用。

开路式站场泄漏监测技术。基于开路式可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术，设备（图 4）具备双目能力，一目为可见光摄像能力，一目射出一束甲烷可吸收波长的脉冲光，通过调制解调输出和返回的光强度，即可得出空间的甲烷气体浓度，实现泄漏监测目的。该技术的主要优点是检测精度高，但检测完全依靠云台旋转且需要定期更换，难以实现实时监测。

图 4 基于TDLAS的站场泄漏监测设备

5  基于超声的泄漏监测技术

该技术主要原理是安装多只超声传感器，实现对泄漏引发的超声信号的高灵敏度拾取，经过信号解调与分析、多维特征提取、智能识别等工作，形成有效的泄漏报警[6]。传感器主要分为电子传感器和光纤传感器。目前由管道通信电力工程有限公司独创研发的光纤传感器，已在西气东输9座站场实现应用。但该方法只适用于架空管道，不能监测埋地管道泄漏。

6  微量渗漏实时监测技术

该技术由中海油机电工程研究院开发，主要是设计一根能渗入甲烷但不渗入水的管道（PVC或金属材质，图 5），埋设于管道正上方或斜上方。一旦发生管道泄漏时，甲烷气体渗入管道，管道内部使用风机将气体匀速推往管道末端，管道末端安装甲烷监测设备，实现管道微渗漏的测量和定位（图 6）。经实验验证，使用标志气体可实现定位精度近1 m，检测精度约10 ppm（mg/kg）。目前主要问题是由于气泵推动气体匀速前进速度小于5 m/s，监测45 km管道需几个小时，检测速度较慢。一旦管道破损导致泥水混合物进入，监测方法就会失效，整体造价也高于其他监测手段。

图 5 专用检测管结构示意图

图 6 微量渗漏实时监测系统结构示意图

天然气管道泄漏监测主流技术依然是次声波、超声波、流量平衡和压力梯度技术。针对分布式光纤传感及吸收光谱分析等技术，越来越多的研究机构正在开展进一步的应用研究，以寻求切合实际的应用场景，例如渗漏监测在平原较为干燥区域已经具备应用价值。

 

参考文献：

[1]俞金山.市政燃气管道泄漏检测技术的现状及发展[J]. 建筑工程技术与设计，2018(12)：3231.

[2]陈妍妍.市政燃气管道泄漏检测技术现状与前景分析[J]. 房地产导刊，2015(14)：152.

[3]刘兵，雷茂娟，李菲迪. 探究市政燃气管道泄漏检测技术的现状及发展[J]. 城市建筑，2014(17)：269.

[4]吴静静. 基于可调谐激光吸收光谱技术的温度测量方法研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨理工大学，2018.

[5]车璐.波长调制光谱技术在线测量气体浓度的理论与实验研究[D]. 北京：清华大学，2012.

[6]徐信，郑志营，何娟娟，等. 基于DSP的超声波气体浓度计[J]. 信息技术，2015，39(7) ：195-198.

 

作者简介：王飞，1978年生，高级工程师，技术创新中心主任工程师，主要从事基于光纤传感的管道安全监测技术研究。联系方式：13785696859，tx_wangfei@cnpc.com.cn。