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管道泄漏检测技术及评价

摘 要: 从管道安全生产、 降低事故危害、 操作性及经济性等多角度全面分析管道泄漏检测诊断系统应具备的基本
特性, 建立评价指标体系, 对常见油气管道泄漏检测技术进行分析评价, 并比较其优缺点。
关键词: 管道; 泄漏; 检测技术; 评价

油气管道输送(管输)在国民经济中占有极其重要的战略地位。管输的基本要求是安全、 高效。管输一旦发生事故,不但会造成巨大经济损失,而且会对环境产生严重危害。因此,工业发达国家都非常重视油气管道检测技术的研究和开发,重视对在役油气管道实行法制性的检测。中国在役长距离油气输送管道总长 0km左右,当前多数油气管道已进入中老年期。由于历史原因,这些始建于20世纪六七十年代的油气管道,从设计到施工都存在着许多缺陷,经过多年的运行大都已进入事故多发阶段。为防止管道发生腐蚀穿孔、 爆管等恶性事故的发生, 中国每年用于油气管道的维修费用达数亿元,且有逐渐增加的趋势。受检测手段的制约,管道损伤状况多数不明,维修手段不科学, 往往造成盲目开挖、 盲目报废,
从而造成人力物力的巨大浪费。因此,对于管道检测技术设备的需求非常迫切。
从60年代开始,国外工业发达国家已投入数十亿美元用于开展管道检测技术的研究,当前已研制出漏滋法、 超声法、 涡流法、 电磁超声法等不同原理的管道检测器达30多种。借鉴国外管道检测技术,研究开发或选用适合中国管道实际状况的油气管道检测技术或设备, 将管道的安全状况置于运行管理之中,使中国油气管道从现行的”过剩维护”、 ”不足维护”进入到科学的”视情维护”方式,防止恶性事故的发生,大幅降低管道维护费用,是非常有必要的。 在此,笔者对管道泄漏检测方法作综合介绍。
管道输送石油天然气, 具有高效、 低耗、 连续输送和自动化程度高等优势, 成为当前物流的重要形式之一和国民经济和社会发展不可缺少的”生命线”。但因其具有高能高压、 易燃易爆、 有毒有害、 连续作业、 链长面广、 环境复杂等特点, 决定了其安全管理的极其重要性现在天然气管道的破坏严重的影响了天然气的正常的工作运输。宁波广强机器人科技有限公司针对天然气管道的所处的环境专门研制出用于国内管道内部检测的检测仪器---广强管道机器人。
1 管道泄漏检测方法介绍
泄漏检测方法一般用来检测管道的完整性, 大致可分为生物方法、 硬件方法和软件方法。
1.1 生物方法
生物方法,是指有经验的工作人员用肉眼观测、 闻气味、 听声音查出泄漏的位置,或专门训练过的狗经过辨气味确认泄漏位置。
早期的管道渗漏检测方法是有经验的技术人员沿管线行走查看管道附近异常情况,闻管道释放出来的介质的气味,或听介质从管道泄漏时发出的声音。这种检测方法的结果主要依赖于个人经验和查看前后泄漏的发展。另外一种方法是用经过训练的、 能够对管道泄漏物质的气味很敏感的狗进行检测。生物方法无法对管道泄漏进行连续检测,灵敏性较差。
1.2 硬件方法
硬件方法是依靠不同的硬件装置用来辅助检测确定泄漏位置。所用典型装置根据设计原理可分为5种类型: 气体取样检测器、 温度检测器、 声学检测器、 电参数检测器和管内行走检测器。
1.2.1 气体取样检测器
气体取样检测器主要有火焰电离检测器和可燃气体监测器两种。
火焰电离检测器的基本工作原理:在有电场存在的情况下,烃类( 气态)在纯氢火焰灼烧下产生带电碳原子,碳原子被收集到一个电极板上并计数;当碳原子的数量超过预设值时,则表明周围空气中存在超过了警戒浓度的可燃气体,检测器即报警。利用检测有无可燃性气体的方法来确定可燃性气体的泄漏,一般采用基于接触燃烧原理的可燃性气体检测器,可检测约22.4×104mol/m3气体,常见于气体管道。
可燃气体检测器是一种监视可燃气体的独立传感器。它经过扩散作用从空气中取样,利用催化氧化原理产生一种与可燃气体浓度成比例的信号,一旦可燃气体浓度超过爆炸下限的20%, 继电器驱动信号便传送到远方控制板上的报警器报警。
1.2.2 温度检测器
泄漏会引起管道周围环境的温度变化。采用搭载在车辆、 直升机上的光谱检测和分析设备,可经过监测泄漏引起的热点检漏。美国佛罗里达技术网络公司利用直升飞机载红外线摄像装置,记录埋地管道周围某些不规则的地热辐射效应, 利用光谱分析检测较小的泄漏。美国天然气研究所现正致力于利用以激光为基础的遥感技术检漏研究,以开发一种能在相当远的距离内选用遥感技术快速扫描大幅地区,检测管道气体泄漏产生的热点并提供有关图像的装置。
近年来先进的大面积温度传感器的发展使温度检测技术更加实用。温度传感器, 如多传感器电缆和采用光导纤维的光学时间域反射测定法等都被用于检测泄漏附近温度的变化。
1.2.3 声学检测器
渗漏发生后,流体流出管道后会发生声音,声波按照管道内流体物理性质决定的速度传播开去。声音检测器检测出这种波而发现泄漏。由于检测范围的局限有必要沿管道安装很多声音传感器,这些传感器在管道内检测声音信号,从正常运行的声音中鉴别出泄漏声音。
1.2.4 电参数检测器
电参数检测器主要有电缆阻抗检测和土壤电参数检测两种。
电缆阻抗检测法是由加拿大技术人员所开发。在管道建设时,沿管道铺设一种能与天然气进行某种反应的电缆。如果泄漏发生,则泄漏天然气会与电缆发生反应,改变电缆的阻抗特性并将此信号传回检测中心。该电缆既是传感器又是信号传输设备,可利用阻抗、 电阻率和长度的关系确定泄漏的程度和泄漏的位置。
泄漏会引起管道周围土壤电参数的变化,采用雷达系统( 发射器和接收器) 可经过检测土壤电参数准确定位地下管道的泄漏, 即为土壤电参数检测法。
1.2.5 管道机器人
随着科学技术的发展,机器人也在管道检测中得到较为广泛的运用。管道机器人是一种可在管道内行走的机械,能够携带一种或多种传感器,在操作人员的远端控制下进行一系列的管道检侧维修作业,是一种理想的管道自动化检测装置。一个完整的管道检测机器人应当包括移动载体、 视觉系统、 信号传送系统、 动力系统和控制系统。管道机器人利用超声波传感器、 漏磁通传感器等多种检侧传感器进行信息检测,对管道环境进行识别,自动完成检测任务。其核心组成为管道环境识别系统(视觉系统)和移动载体。当前国外的管道机器人的技术已经发展
得比较成熟,它不但能进行管道检测, 还具有管道维护与维修等功能 是一个综合的管道检测维修系统。
1.3 软件方法[3]
管道的泄漏会引起管道流量压力和温度等运行条件发生变化,据此可对泄漏进行判断。软件方法是利用计算机软件包对传感器或SCADA系统提供的管道运行参数变化进行处理分析从而检测管道泄漏。软件方法主要有质量流量平衡法、 压力分布法、 负压波法和瞬变流模型法3大类。
1.3.1 质量流量平衡法
根据质量守恒定律,在管道无泄漏的情况下进入管道的质量流量等于流出管道的质量流量。当泄漏程度达到一定量时,入口和出口就形成明显的流量差。检测管道多点位的输入和输出流量,或检测管道两端泵站的流量并将信号汇总构成质量流量平衡图像,根据图像的变化特征就可确定泄露的程度和大致的位置。
1.3.2 压力分布法
在管道沿线的各个截断阀处分别设置传感器,并同时采集压力信号汇总构成该管道整体压力分布图,根据压力曲线梯度特征确定泄漏程度和泄漏位置。
1.3.3 负压波法
在泄漏发生时,泄漏处立即产生因流体物质损失而引起局部流体密度减小出现的瞬时压力降低和速度差,这个瞬时的压力下降作用在流体介质上就作为减压波源经过管道和流体介质向泄漏点的上下游以声速传播。当以泄漏前的压力作为参考标准时,泄漏时产生的减压波就称为负压波,其传播的速度在管道和输送的流体中并不相同,在天然气中大约为300m/s、 。设置在泄漏点两端或泵站的传感器拾取压力波信号,根据两端拾取压力波的梯度特征和压力变化率的时间差利用信号相关处理方法就可确定泄漏程度和泄漏位置。
1.3.4 瞬变流模型法
管道输送能力发生变化(流量变化)的过程,在管内引起瞬变流动,产生瞬变压力和压力波的传播。瞬变流模型法即是利用流体状态方程、 质量守恒、 动量守恒和能量守恒四大方程建立准确描述管内瞬变流动过程的数学模型, 并经过计算机技术进行求解,再根据计算值和测量值的偏差检测泄漏。
2 管道泄漏检测系统的评价指标
引起管道事故的原因有多种,只采用某一种预防手段不能解决所有的问题。管道事故往往是突发性的,这就要求泄漏检测系统不但能够迅速、 准确地发现泄漏,确定泄漏位置,估计泄漏量,而且能够不间断地对整条管道进行监测。基于这一目的,要求管道泄漏监测诊断系统应具有下列基本特性:(1)准确可靠地诊断泄漏故障位置;(2) 迅速可靠的报告泄漏程度;( 3) 泄漏诊断技术系统原理简单、 维护和操作方便。为保证输气管道的安全性, 降低事故的危害, 需要比较评价各种泄漏检测方法的优劣,供用户选择参考。为了便于操作,可将上述泄漏诊断系统的特征 细分为以下十个指标进行综合考察:
(1) 灵敏性: 能检测到的最小泄漏量。
(2) 定位精度: 能否精确指出泄漏点的位置。
(3) 评估能力: 能否精确估计泄漏量的大小, 即泄漏的严重程度。
(4) 响应时间: 需要多长时间能检测出泄漏。
(5) 误报警率: 无泄漏发生时报警率是否较低。
(6) 连续性: 是否能连续监测整条管道。
(7) 适应性: 管道运行条件发生变化时, 检测能否正常进行。
(8) 操作性: 系统的使用和维护是否简单、 易学。
(9) 安全性: 在检测过程中是否易引起介质燃烧、 爆炸事故。
(10) 费用: 投资金额和操作运行费用。
3 管道泄漏检测技术的评价
根据上述指标评价体系,可对当前常见管道泄漏检测方法进行综合评价如表1所示, 表中有”√”的
表示该项性能指标好或较好, 空格为不好。
4 结论
根据上述比较表明,没有一种方法所有性能都好,特别是虚假报警,除了生物方法和气体采样方法外,其它技术都存在共同的问题,而生物方法和气体采样方法又不能对管线进行连续监测。
硬件方法的优点是灵敏度高,响应快,定位精度高,抗干扰能力强,有较快的检测速度,缺点是难以对长输管道进行连续检测。软件方法能连续监测管道,易于维护而且安装费用不高,但不能准确估计泄漏位置,对有操作变化的管线不适用, 抗干扰能力弱。
一般由于管道昼夜连续运行, 泄漏的危险随时存在,因此必须对管道进行不间断监测,为达到这一目的,就要选择连续性泄漏检测系统。但一般根据实际情况选择两种以上的措施,使之相辅相成,以取得理想的检测效果。
参考文献
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[4] 常景龙,李 铁.输气管道泄漏检测技术的选择和优化[J].油气储运. (5): 9- 13