張莉

（西南石油大學(xué)，成都610500）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和大氣污染防治措施的深入實(shí)施，我國(guó)對(duì)天然氣資源的需求量呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長(zhǎng)，天然氣的開采和管道建設(shè)步伐也在持續(xù)加速中。預(yù)計(jì)2020年，天然氣管道里程將達(dá)到10.4 萬(wàn)公里。對(duì)我國(guó)天然氣管道服役年齡的粗略統(tǒng)計(jì)顯示，10年以下的占71%、10～20年的占11%、20年以上的占17%?？梢灶A(yù)見，在未來10～20年，我國(guó)天然氣管道將進(jìn)入老齡化階段，管道事故也會(huì)隨著時(shí)間的推移頻繁發(fā)生。

與此同時(shí)，高含硫氣田的大規(guī)模開發(fā)，使承載高壓高含硫氣體輸送的集輸管道成為風(fēng)險(xiǎn)最為集中的地方。一旦發(fā)生管道泄漏，非常容易造成群死群傷事故。如何對(duì)高含硫天然氣集輸管道運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，防患于未然，成為國(guó)內(nèi)眾多天然氣工作者所關(guān)注的內(nèi)容。本文通過對(duì)目前國(guó)內(nèi)外主要使用的管道檢漏系統(tǒng)的梳理，介紹某高含硫天然氣項(xiàng)目如何評(píng)估和選擇管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)。

2 常見國(guó)內(nèi)外管道泄漏檢測(cè)及定位方法簡(jiǎn)介

管道泄漏檢測(cè)技術(shù)從20世紀(jì)70年代興起，現(xiàn)已得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。管道泄漏檢測(cè)技術(shù)眾多，分類方法也很多元化。最基本的兩大類即周期性泄漏檢測(cè)方法和在線泄漏檢測(cè)方法。而在線泄漏檢測(cè)方法又分為內(nèi)部檢測(cè)法和外部檢測(cè)法。內(nèi)部檢測(cè)法通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集管道內(nèi)流體的流量、壓力、溫度等，判斷管道是否泄漏，并可通過計(jì)算對(duì)泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)和定位。外部檢測(cè)法通過探測(cè)從管道漏失的流體及其所造成的管道外部環(huán)境參數(shù)改變來實(shí)現(xiàn)[1]。下文僅對(duì)幾種常見在線泄漏檢測(cè)方法做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。

2.1 內(nèi)部檢測(cè)法

2.1.1 管道平衡法

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，管道的輸入和輸出量應(yīng)該相等。一旦發(fā)生管道破裂導(dǎo)致泄漏時(shí)，管道輸入與輸出測(cè)量值將出現(xiàn)不平衡，從而可判斷出管道內(nèi)是否有泄漏發(fā)生。

2.1.2 統(tǒng)計(jì)分析法

統(tǒng)計(jì)分析法根據(jù)管道進(jìn)出站的流量和壓力，連續(xù)計(jì)算泄漏的統(tǒng)計(jì)概率。確定管道發(fā)生泄漏后，通過統(tǒng)計(jì)平均值估算泄漏量，并利用最小二乘法進(jìn)行泄漏定位[2]。

2.1.3 負(fù)壓波法

管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)作為壓力波源，通過氣體介質(zhì)以聲速?gòu)男孤c(diǎn)朝管道上下游傳播。在管道兩端安裝的壓力傳感器捕捉到負(fù)壓波信息，即可檢查出泄漏。通過負(fù)壓波在管道內(nèi)傳播的速度和到達(dá)管道兩端的時(shí)間差可確定泄漏位置。

2.2 外部檢測(cè)法

2.2.1 聲波法

聲波法是將泄漏時(shí)產(chǎn)生的噪聲作為信號(hào)源，由聲波傳感器采集該信號(hào)，從而確定泄漏位置和泄漏程度。

2.2.2 分布式光纖法

分布式光纖法基于光纖波導(dǎo)現(xiàn)象，利用一根光纖作為敏感元件，當(dāng)光源發(fā)出的激光脈沖經(jīng)過光纖或射出光纖時(shí)受到外界因素（如溫度、壓力等）的影響，光的特性被調(diào)制，根據(jù)處理傳感器接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)可得到外界參數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的測(cè)量[3]。分布式光纖法主要分為分布式溫度傳感法和分布式振動(dòng)傳感法。

①分布式溫度傳感法。該方法的基本原理是根據(jù)管道中輸送的流體泄漏后，改變管道周圍的溫度，沿管道敷設(shè)的光纖檢測(cè)溫度的變化，當(dāng)溫度變化量超過一定的范圍，就認(rèn)為管道泄漏。②分布式振動(dòng)傳感法。該方法的基本原理是管道泄漏后，會(huì)產(chǎn)生聲波，光纖檢測(cè)到聲波（或振動(dòng)），系統(tǒng)便會(huì)報(bào)警。該方法靈敏度高、可檢測(cè)管道泄漏、挖掘、機(jī)械施工等事件。

2.3 紅外光譜氣體云成像法

紅外光譜氣體云成像技術(shù)使用氣體云成像相機(jī)來檢測(cè)出長(zhǎng)波長(zhǎng)（7.5～14.5 μm）紅外光譜。相機(jī)安裝在一個(gè)可移動(dòng)的基座上，可通過程序使其連續(xù)而系統(tǒng)地移動(dòng)掃過廣大區(qū)域，對(duì)全部廠區(qū)進(jìn)行有效監(jiān)控，一旦發(fā)生泄漏將自動(dòng)報(bào)告光學(xué)圖像[4]。

3 某高含硫項(xiàng)目對(duì)管道檢漏系統(tǒng)的選擇

四川某高含硫項(xiàng)目的管道具有穿越地形復(fù)雜，運(yùn)行壓力高（大于7 MPa），輸送介質(zhì)含高濃度硫化氫（約12%～15%），腐蝕性強(qiáng)，毒性大的特點(diǎn)，一旦發(fā)生管道泄漏，不但影響管道系統(tǒng)運(yùn)行和生產(chǎn)，同時(shí)將威脅管道沿線居民的生命安全，并對(duì)環(huán)境造成污染。通過對(duì)管道失效后果進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)API 1155中的4 類性能準(zhǔn)則，制定了管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，要求系統(tǒng)需具備在線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤管道運(yùn)行狀況的功能，同時(shí)，能檢測(cè)到的泄漏量應(yīng)≤1%的管道設(shè)計(jì)輸量，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間≤10min，誤報(bào)警頻次≤2 次/年且泄漏定位精度為監(jiān)測(cè)管段長(zhǎng)度的1%。下面即從這幾方面對(duì)這幾種檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比（見表1）。

性能指標(biāo)檢測(cè)到的最小泄漏量（≤1%的管道設(shè)計(jì)輸量）報(bào)警響應(yīng)時(shí)間（≤10min）誤報(bào)警（2 次/年）泄漏定位精度（監(jiān)測(cè)管段長(zhǎng)度的1%）管道平衡法統(tǒng)計(jì)分析法負(fù)壓波法聲波法分布式溫度傳感法(DTS)分布式聲波傳感法(DAS)紅外光譜氣體云成像法≤5%≤1%≤1%高較高≤1%很高較慢低快快較快高低低較較慢快 快低低較高 高較高較高較高很高很高高

從表1可以看出，這幾種檢漏系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用情況也各不相同，這給高含硫集輸系統(tǒng)管道檢漏方案的選擇帶來困難。在實(shí)際方案的制定中，需要了解管道的信息，正確分析管道工況，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)先次序排列，然后從眾多的檢漏方法中進(jìn)行篩選，最后選定最優(yōu)的解決方案。

通過對(duì)管道的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，得出該項(xiàng)目管道最大的風(fēng)險(xiǎn)為沿途第三方挖掘/爆破作業(yè)，其次為管道接縫處以及由于腐蝕引起的管道微小泄漏。因此，對(duì)泄漏系統(tǒng)的靈敏性要求很高，而DAS 由于對(duì)管道周圍產(chǎn)生的振動(dòng)十分敏感，因此可作為首選。同時(shí)，系統(tǒng)誤報(bào)率也是一個(gè)重要的考核指標(biāo)。若系統(tǒng)誤報(bào)率太高，將使操作員失去對(duì)系統(tǒng)的信心，從而在真正泄漏警報(bào)發(fā)生時(shí)不能引起操作員的重視，導(dǎo)致不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏并采取相應(yīng)措施。報(bào)警響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短將決定從發(fā)生泄漏到泄漏被控制所需的時(shí)間。由于高含硫項(xiàng)目管道內(nèi)輸送介質(zhì)的危險(xiǎn)性，一旦泄漏若不能得到及時(shí)控制，后果不堪設(shè)想。因此，基于以上考慮，在對(duì)檢漏系統(tǒng)的選擇上，會(huì)優(yōu)先考慮系統(tǒng)的靈敏度和可靠性，其次考慮系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。從上表的性能評(píng)價(jià)匯總可以看出，單一的管道泄漏檢測(cè)技術(shù)無法滿足要求，通常會(huì)使用多種泄漏檢測(cè)方法來提高管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏性和準(zhǔn)確度。最終該高含硫項(xiàng)目決定采用DAS 和紅外光譜氣體云成像法作為主要的泄漏檢測(cè)方案，同時(shí)配合使用DTS 和負(fù)壓波檢測(cè)技術(shù)對(duì)管道泄漏進(jìn)行確認(rèn)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，管道泄漏檢測(cè)技術(shù)很多且還在不斷發(fā)展中，通過對(duì)現(xiàn)有各種管道檢漏系統(tǒng)技術(shù)的對(duì)比，可以看出單一檢測(cè)方法無法實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的風(fēng)險(xiǎn)控制，因此在選擇合適的管道檢漏系統(tǒng)時(shí)需要根據(jù)管道的設(shè)計(jì)參數(shù)、傳輸介質(zhì)的參數(shù)進(jìn)行分析，建立針對(duì)特定管道的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)系統(tǒng)的靈敏度、定位精度、反應(yīng)時(shí)間、成本進(jìn)行綜合考慮。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，通常會(huì)使用多種泄漏檢測(cè)方法結(jié)合的方案，從而提高管道泄漏檢測(cè)的靈敏度和泄漏點(diǎn)定位的精確度，達(dá)到提升管道檢漏系統(tǒng)綜合性能，及時(shí)準(zhǔn)確地控制險(xiǎn)情，保護(hù)環(huán)境和保障人們生命財(cái)產(chǎn)安全的目的。