戰(zhàn)麗華，王為民，戴旺旺，曹彥青，李衛(wèi)衛(wèi)

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

近幾年，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高和西氣東輸項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn),現(xiàn)階段無(wú)論是民用氣量還是企業(yè)用氣量都在逐年增加，我國(guó)的燃?xì)庹幱谘该桶l(fā)展的階段。隨著燃?xì)夤?yīng)量的增加，燃?xì)庑孤妒录渤尸F(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)。

城市燃?xì)夤芫W(wǎng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全運(yùn)行，關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全，關(guān)系到社會(huì)的穩(wěn)定?，F(xiàn)輸氣管道都在向大口徑、高壓力的方向發(fā)展，并伴隨著管道破損、泄漏和燃燒爆炸等事故的發(fā)生，嚴(yán)重威脅了人員安全，并帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，所以對(duì)燃?xì)夤艿佬孤┰蚣靶孤c(diǎn)監(jiān)測(cè)與定位的研究已刻不容緩。

1 輸氣管道泄漏的原因

分析燃?xì)夤艿朗鹿拾l(fā)生的原因，可總結(jié)為以下幾點(diǎn)：一、燃?xì)夤芫W(wǎng)及燃?xì)庠O(shè)施的老化與腐蝕。埋地燃?xì)夤艿篮腿細(xì)庠O(shè)施都存在使用年限，管道在超齡情況下運(yùn)行會(huì)因管道的老化破損而導(dǎo)致燃?xì)庑孤?，從而引發(fā)事故。再者由于管道周圍土壤的酸堿度不一樣，相應(yīng)管道的腐蝕程度也就會(huì)不一樣，腐蝕性較大的土壤會(huì)使管道還沒達(dá)到服役年限就極易發(fā)生管壁穿孔而導(dǎo)致泄漏，釀成事故。二、違章占?jí)喝細(xì)夤艿阑蛟谔烊粴庠O(shè)施上方或安全距離內(nèi)建設(shè)建筑物或是放置重物[1]。違章占?jí)喝細(xì)夤艿兰叭細(xì)庠O(shè)施存在以下危害：不易巡檢，發(fā)生隱患時(shí)不易察覺容易釀成大禍；影響了正常的維護(hù)檢修的工作，長(zhǎng)期的占?jí)喝細(xì)夤艿兰霸O(shè)施還容易導(dǎo)致燃?xì)夤艿兰霸O(shè)施的老化，宜形成潛伏隱患；長(zhǎng)期占?jí)喝細(xì)夤艿兰霸O(shè)施使其受力不均勻致使管道變形而發(fā)生泄漏，當(dāng)在一定空間內(nèi)燃?xì)饬窟_(dá)到一定的濃度時(shí)，遇明火便會(huì)發(fā)生爆炸。三、城市建設(shè)施工對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)的破壞，也稱做第三方破壞。今年來(lái)，全國(guó)各地都在緊鑼密鼓的進(jìn)行著城市建設(shè)，這其中不乏存在著野蠻施工、不按章程操作的現(xiàn)象。這樣的做法就會(huì)嚴(yán)重破壞管道的防腐層甚至?xí)霈F(xiàn)挖斷管道的現(xiàn)象，一旦發(fā)生這樣的事故，后果會(huì)是相當(dāng)?shù)膰?yán)重?fù)p失也會(huì)相當(dāng)慘重。據(jù)統(tǒng)計(jì)第三方破壞在管道泄露事故中，起因最嚴(yán)重，泄漏量最多[2]。

2 管道泄漏檢測(cè)方法

對(duì)天然氣管道泄漏的監(jiān)測(cè)及泄漏點(diǎn)的定位已成為保障管道安全運(yùn)行、減少事故危害的重要手段。目前，輸氣管道泄漏檢測(cè)的方法很多，主要有音波法、分布式光纖法、瞬態(tài)模型法、熱紅外成像法及漏磁檢測(cè)法等等。

2.1 直接檢漏法

由于天然氣在輸送過程中添加臭味劑（以四氫噻吩 THT常見)，所以早期建成的管道主要是靠經(jīng)驗(yàn)豐富的管道工人或受過訓(xùn)練的動(dòng)物來(lái)沿線巡查管道以判斷是否發(fā)生泄漏[3]。此方法的弊端是依賴檢測(cè)者的經(jīng)驗(yàn)、敏感性和責(zé)任心，檢測(cè)耗時(shí)多且無(wú)法連續(xù)檢測(cè)，對(duì)于一些小孔泄漏還是無(wú)濟(jì)于事。隨著科技的發(fā)展，這種方法逐漸被一些高效、敏感的高科技設(shè)備所替代。近幾年出現(xiàn)了一種機(jī)載紅外檢測(cè)技術(shù)。是由直升飛機(jī)帶一高精度紅外攝像機(jī)沿管道飛行,通過分析輸送物資與周圍土壤的細(xì)微溫差確定管道是否泄漏[4]。利用光譜分析可檢測(cè)出較小泄漏位置。這種方法可用于長(zhǎng)管道,微小泄漏的檢測(cè),其缺點(diǎn)是對(duì)管道的埋設(shè)深度有一定的限制同時(shí)地形較復(fù)雜的也不適合此方法。

2.2 音波法

當(dāng)輸氣管道發(fā)生泄漏時(shí)，在泄露處會(huì)產(chǎn)生聲波信號(hào)。其中高頻信號(hào)傳播的距離較短，而低頻信號(hào)能夠沿管壁遠(yuǎn)距離的傳播?；谝陨系牡皖l信號(hào)傳播的特點(diǎn)，只要在管道兩端安裝能夠檢測(cè)到泄漏低頻聲波的傳感器即可檢測(cè)到管道是否泄漏，如果對(duì)采集的低頻信號(hào)進(jìn)行分析即可對(duì)泄露點(diǎn)進(jìn)行定位。圖1為音波泄漏檢測(cè)原理示意圖[5]。

圖1 音波泄漏檢測(cè)原理示意圖Fig.1 Sonic leak detection principle diagram

其中： L—兩傳感器之間管道的長(zhǎng)度；

A—管道的上游檢測(cè)點(diǎn)；

B—管道的下游檢測(cè)點(diǎn)。

假設(shè)聲波在輸氣管道里的傳播速度為v,當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，低頻信號(hào)傳到 A、B所用的 時(shí)間分別為T1和T2，泄漏點(diǎn)的位置可按下面公式[6]計(jì)算：

式中Dt=T1-T2，從式中可以得知，只要知道時(shí)間差與聲波傳播的速度就可以對(duì)輸氣管道的泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。音波法以靈敏性好、誤報(bào)率低、定位度高等優(yōu)點(diǎn)逐漸受到青睞，但其缺點(diǎn)是易受其他音波的干擾且難于對(duì)長(zhǎng)距離輸送的管道進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)。

2.3 分布式光纖法

在管道鋪設(shè)時(shí)，在管道附近與管道平行的鋪設(shè)一條光纜，利用其中的三條單膜光纖中的兩條光纖作為傳感器的測(cè)試光臂，而剩下的那根光纖則用于信號(hào)傳輸。半導(dǎo)體激光器(LD)發(fā)出連續(xù)光波分別進(jìn)入作為測(cè)試光壁的兩條光纖，因?yàn)楣獠橥还庠窗l(fā)出，故在兩條光纖中傳播速度一致。光波傳到光纖的另一端，在那匯合形成干擾信號(hào)。干擾信號(hào)再沿第3條光纖傳到光電檢測(cè)器，通過放大和濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，再經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步信號(hào)處理和分析[7]。其測(cè)試原理如圖2所示。

圖2 分布式光纖檢漏原理示意圖Fig.2 Distributed optical fiber leak detection principle diagram

當(dāng)輸氣管道發(fā)生泄漏時(shí)，管道會(huì)產(chǎn)生噪聲，而光纜的靈敏度很高，因其受到噪聲的干擾，光纜中兩條光纖會(huì)受到應(yīng)力而產(chǎn)生應(yīng)變。由圖知兩條光纖的排列位置不一樣，所以產(chǎn)生的應(yīng)變就有所差別，從而導(dǎo)致傳播的光波分別產(chǎn)生不同的相位變化，最后由第三條光纜傳到計(jì)算機(jī)的信號(hào)就會(huì)存在一個(gè)時(shí)間差Dt，故通過監(jiān)測(cè)信號(hào)波的變化即可實(shí)現(xiàn)輸氣管道泄漏的實(shí)時(shí)檢測(cè)。利用分布式光纖技術(shù)還可以對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行精確的定位，計(jì)算公式如下：

式中：v—光波在光纖中的傳播速度（已知光在真空中的傳播速度c，光纖的折射率n，即可計(jì)算出v， v=c/n）。

分布式光纖檢漏技術(shù)不僅可以對(duì)氣體管道檢漏，也可對(duì)液體管道進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，同時(shí)因其反應(yīng)靈敏，定位精度高的優(yōu)點(diǎn)，可以檢測(cè)出壓力較低且泄漏孔徑較小的輸氣管道泄漏點(diǎn)，所以分布式光纖檢漏技術(shù)在近幾年越來(lái)越受到關(guān)注，特別是在強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)電磁干擾等環(huán)境下具有很好的發(fā)展?jié)摿?。但由于光纖價(jià)格較貴，投資金額較高所以在一定程度上也局限了分布式光纖法的普及。

2.4 實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型法

瞬態(tài)模型法是根據(jù)輸氣管道的運(yùn)行條件，利用質(zhì)量守恒方程、能量守恒、流體狀態(tài)方程與動(dòng)量守恒方程建立管內(nèi)流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，并通過計(jì)算機(jī)軟件模擬輸氣管道的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化，然后把計(jì)算機(jī)模擬的某一動(dòng)態(tài)的值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的值進(jìn)行比對(duì)，如果偏差大于了一定的范圍，我們就可認(rèn)定為管道發(fā)生了泄漏。該方法優(yōu)點(diǎn)在于易于維護(hù)且安裝的費(fèi)用不高，但其缺點(diǎn)是定位精度不高，抗干擾的能力不強(qiáng)，誤報(bào)警率高，當(dāng)管道內(nèi)是穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)才能建立數(shù)學(xué)模型故不適用于操作變化頻繁的管道。

2.5 負(fù)壓波法

此方法是是建立在信號(hào)處理上的方法，不需要依靠數(shù)學(xué)模型。當(dāng)正在平穩(wěn)運(yùn)行的管道突然發(fā)生泄漏時(shí)，流體沿著泄漏點(diǎn)流出，導(dǎo)致此處的壓力驟降，而泄露處附近的流體壓力比泄漏點(diǎn)高，由于壓差的存在，流體會(huì)迅速的流向泄漏點(diǎn)，這樣泄漏點(diǎn)附近又產(chǎn)生了壓力降，這一過程從泄漏點(diǎn)開始依次向管道的兩端傳送，這就產(chǎn)生了負(fù)壓波[8]。設(shè)置在管道兩端的壓力傳感器接收到自泄漏點(diǎn)傳來(lái)的壓力波，通過分析處理信號(hào)，根據(jù)信號(hào)傳來(lái)的時(shí)間差可以判斷出泄漏點(diǎn)的位置[9]。

負(fù)壓波檢漏法的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)較快，對(duì)泄漏點(diǎn)的定位相對(duì)準(zhǔn)確。但此方法對(duì)突然泄漏量較大的管道反應(yīng)敏感，對(duì)緩慢發(fā)生的泄漏或是已經(jīng)發(fā)生的泄漏反應(yīng)遲緩甚至無(wú)效且對(duì)于處于地形比較復(fù)雜地區(qū)的管道的定位精度低[10]。

3 預(yù)防措施

天然氣管道泄漏是輸送過程中的一個(gè)主要的安全問題，如何預(yù)防管道的泄漏及保證輸氣管道平穩(wěn)安全的運(yùn)行是我們長(zhǎng)期關(guān)注的一個(gè)話題，本文針對(duì)引發(fā)泄漏的主要因素提出了幾點(diǎn)預(yù)防措施：

⑴設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)管道的走向時(shí)，要盡可能合理的布置管道的布局，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。避開地形地貌的復(fù)雜段，實(shí)在避開不了時(shí)應(yīng)采取有效的措施對(duì)管道進(jìn)行保護(hù)。

⑵對(duì)于埋于地下的管道在鋪設(shè)時(shí)嚴(yán)格按照施工圖施工，嚴(yán)把施工的質(zhì)量關(guān)。

⑶管道外壁涂刷防腐層，當(dāng)管道需要焊接時(shí)嚴(yán)格控制焊縫的質(zhì)量。

⑷利用先進(jìn)的高科技技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)管道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，做到對(duì)隱患的早發(fā)現(xiàn)，早排除[4]。

⑸對(duì)于有埋地管道的地段做好地表標(biāo)識(shí)的工作，最大限度的降低強(qiáng)行占?jí)?、人為破壞等情況的發(fā)生。

⑹燃?xì)馄髽I(yè)應(yīng)定期的對(duì)管道進(jìn)行檢查，維護(hù)，做好管道的安全評(píng)價(jià)工作[11]。

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