【論文精選】城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿佬孤z測技術(shù)現(xiàn)狀與展望
時(shí)間：2021-10-20 00:00:00 瀏覽：1236次 來源： 煤氣與熱力雜志(GAS-HEAT1978) 作者：科技與信息化管理部
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作者：嚴(yán)榮松，趙自軍，高文學(xué)，楊林，王艷，戶英杰 第一作者單位：中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司城市燃?xì)鉄崃ρ芯吭?/span> 我國城鎮(zhèn)用能已經(jīng)進(jìn)入天然氣的時(shí)代，燃?xì)夤艿老到y(tǒng)已經(jīng)成為天然氣儲(chǔ)運(yùn)、輸配的重要網(wǎng)絡(luò)。在長期運(yùn)行過程中，燃?xì)夤艿?/span>會(huì)因腐蝕、焊接缺陷、第三方破壞等原因而失效，從而導(dǎo)致泄漏事故的發(fā)生。泄漏事故不僅影響到管道的正常運(yùn)行，而且還威脅到環(huán)境和人身安全。燃?xì)夤艿赖奈⑿⌒孤┒伎赡軙?huì)導(dǎo)致重大的安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。管道泄漏檢測是否有效開展已成為燃?xì)夤艿腊踩\(yùn)行及完整性管理亟待解決的關(guān)鍵問題［1］。 與我國管道泄漏檢測技術(shù)相比，國外相關(guān)技術(shù)發(fā)展至今已形成相對(duì)成熟的體系［2］。一些研究學(xué)者對(duì)管道泄漏檢測有著不同的分類方法［3］?；跈z測技術(shù)智能化特征，檢測技術(shù)分為自動(dòng)檢測、半自動(dòng)檢測和手動(dòng)檢測；基于檢測數(shù)據(jù)的特征相關(guān)性，檢測技術(shù)分為直接檢測和間接檢測［4］。本文結(jié)合現(xiàn)有的油氣管道泄漏檢測標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法，重點(diǎn)介紹典型泄漏檢測技術(shù)方法的原理、優(yōu)點(diǎn)、局限性，并從城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿佬孤z測關(guān)鍵技術(shù)的角度分析技術(shù)的發(fā)展趨勢和存在問題，以期為城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿?/span>泄漏檢測技術(shù)的選擇提供參考。 2 國內(nèi)外主要標(biāo)準(zhǔn) 按主要功能將標(biāo)準(zhǔn)分為操作程序類、技術(shù)相關(guān)類和管理相關(guān)類等3類。 操作程序類標(biāo)準(zhǔn)涵蓋可用于指導(dǎo)現(xiàn)場泄漏檢測技術(shù)的操作和準(zhǔn)備要求，共有3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。 ①NB/T 47013.8—2012《承壓設(shè)備無損檢測 第8部分：泄漏檢測》，規(guī)定了確定承壓設(shè)備泄漏部位和測量泄漏率的泄漏檢測方法； ②API RP 1130： 2012《液體管道的計(jì)算監(jiān)測》（Computational Pipeline Monitoring for Liquids），規(guī)定了管道監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施、測試和操作； ③DNVGL-RP-F302： 2016（2019）《海上泄漏檢測》（Offshore leak detection），規(guī)定了現(xiàn)場項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)維等階段海上泄漏檢測系統(tǒng)的集成和操作。 技術(shù)相關(guān)類標(biāo)準(zhǔn)涵蓋介紹相關(guān)泄漏檢測技術(shù)原理、方法，共有10項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。 ①GB/T 33643—2017《無損檢測聲發(fā)射泄漏檢測方法》，規(guī)定了基于聲發(fā)射（AE）技術(shù)的泄漏檢測方法和結(jié)果評(píng)價(jià)； ②GB/T 34638—2017《無損檢測超聲泄漏檢測方法》，規(guī)定了超聲泄漏檢測方法和結(jié)果評(píng)價(jià)； ③ISO 20484： 2017《無損檢測泄漏檢測術(shù)語》（Non-destructive testing—Leak testing—Vocabulary），定義了泄漏測試中使用的術(shù)語； ④ISO 20485： 2017《無損檢驗(yàn)泄漏檢測示蹤氣體方法》（Non-destructive testing-Leak testing-Tracer gas method），描述了使用示蹤氣體的檢測泄漏技術(shù)及用于示蹤氣體的檢漏儀； ⑤ISO 20486： 2017《無損檢測泄漏檢測氣體參考漏孔的校準(zhǔn)》（Non-destructive testing -Leak testing -Calibration of referenceleaks for gases），詳細(xì)說明了用于校準(zhǔn)檢漏儀的泄漏的校準(zhǔn)方法； ⑥ISO 18081： 2016《無損檢測聲發(fā)射檢測聲發(fā)射泄漏檢測方法》（Non-destructive testing-Acoustic emission testing（AT）-Leak detection by means of acoustic emission），規(guī)定了通過聲發(fā)射測試（AT）進(jìn)行泄漏檢測所需的一般要求； ⑦API SMART《用于控制逸散性排放的智能泄漏檢測和修復(fù)方法》（Smart LeakDetection and Repair （LDAR） for Controlof Fugitive Emissions），開發(fā)了有效的程序和技術(shù)，以控制管道系統(tǒng)中諸如閥門、泵、連接器等的逸散性排放； ⑧API TR 1149： 2015《管道變量的不確定因素及其對(duì)泄漏探測能力的影響》（Pipeline Variable Uncertainties and Their Effects on LeakDetectability），描述了管道壓力狀態(tài)計(jì)算監(jiān)測管道泄漏不確定性的程序； ⑨API PUBL 346： 1998《地下管道泄漏檢測和泄漏定位技術(shù)的測距測試結(jié)果》（Results of Range-Finding Testing of Leak Detection and Leak LocationTechnologies for Underground Pipelines），針對(duì)不同類型的管道確定可用于泄漏檢測和定位的技術(shù)，并進(jìn)行測距測試，以評(píng)估對(duì)運(yùn)營的潛在影響； ⑩ASTM E432-91（2017）《滲漏試驗(yàn)方法的選擇》（Standard Guide for Selection of a Leak Testing Method），提供了泄漏試驗(yàn)選擇方法及簡化指南。 管理相關(guān)類標(biāo)準(zhǔn)是指可用于指導(dǎo)泄漏檢測與管道完整性管理的程序文件，共有1項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。 API RP 1175： 2015（R2017）《管道泄漏檢測管理程序》（Pipeline Leak Detection-Program Management），為液體管道建立了泄漏檢測程序（LDP）管理框架。 嗅探儀法［5］的原理是指通過特殊儀器捕獲泄漏氣體并分析其濃度的方法。為了提高效率，通常采用機(jī)載設(shè)備靠近管道沿線進(jìn)行巡查，例如燃?xì)庋矙z車等。 該方法的優(yōu)點(diǎn)是檢測速度快，檢測精度高，泄漏位置可準(zhǔn)確定位。主要局限性是運(yùn)營成本較高，且檢測結(jié)果易受風(fēng)速等環(huán)境因素的影響。 聲波法［6］的原理是通過聲波傳感器檢測燃?xì)夤艿纼?nèi)沿著天然氣傳播的特定聲波信號(hào)，根據(jù)泄漏信號(hào)定位分析泄漏點(diǎn)。聲波法的關(guān)鍵是確定聲波的波速。由于聲波在天然氣介質(zhì)的傳播速度比原油介質(zhì)中的慢，因此，天然氣管道泄漏檢測的定位精度高于原油管道的定位精度。 該方法的優(yōu)點(diǎn)在于工作原理簡單，靈敏度高，定位準(zhǔn)確。主要局限性是當(dāng)管道地形環(huán)境復(fù)雜時(shí)，聲速信號(hào)降噪、弱特征提取難以準(zhǔn)確計(jì)算。 聲發(fā)射法［7］的原理是通過預(yù)先安裝在管壁外側(cè)的聲傳感器，捕捉并放大天然氣通過泄漏孔向外噴射產(chǎn)生的聲音信號(hào)，再利用檢測裝置將接收到的聲音信號(hào)處理成可用的聲音全波形，實(shí)現(xiàn)管道泄漏狀況和定位泄漏點(diǎn)監(jiān)測的目的。 該方法的優(yōu)點(diǎn)是聲發(fā)射技術(shù)可以更加準(zhǔn)確地在線定位埋地管道泄漏源，且檢測靈敏度較高。主要局限性是需施工開挖以便安裝傳感器，特殊情況下還需中斷管道供氣。 激光雷達(dá)系統(tǒng)法［8］是基于光譜吸收的原理進(jìn)行的，利用激光發(fā)射裝置發(fā)射甲烷易吸收的光波，通過吸收光譜傳感器回收激光回波信號(hào)，測量激光散失能量與功率，從而獲得大氣中甲烷的濃度。由美國ITT公司開發(fā)的機(jī)載天然氣發(fā)射激光雷達(dá)（ANGEL）系統(tǒng)包括高分辨率測繪攝像機(jī)、差異吸收光譜傳感器、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和飛機(jī)，探測速度可達(dá)160 km/h。美國布里杰光電公司（Bridger Photonics， Inc）開發(fā)了一種基于調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)（FMCW）測距和氣體濃度測量集成的3D高質(zhì)量氣體云圖像顯示技術(shù)，對(duì)氣體泄漏檢測與監(jiān)測更加準(zhǔn)確。美國波爾航太公司（Ball Aerospace & Technologies）研制的先進(jìn)機(jī)載傳感器，擴(kuò)大儀器覆蓋范圍，確保采樣分辨率和定位精度。 該方法的優(yōu)點(diǎn)是激光雷達(dá)系統(tǒng)具有檢測速度快、泄漏位置準(zhǔn)確。主要局限性是運(yùn)營成本過高。 熱成像法［9］的原理是采集檢測對(duì)象氣體的紅外波段輻射信息實(shí)現(xiàn)氣體泄漏檢測的熱成像。熱成像儀采用熱成像技術(shù)分析管道周圍熱輻射的變化。當(dāng)天然氣管道泄漏時(shí)，管道周圍的土壤溫度會(huì)因節(jié)流效應(yīng)而降低。這種方法可用于移動(dòng)車輛、直升機(jī)或便攜式系統(tǒng)，美國菲利爾系統(tǒng)公司（FLIRSystems， Inc）的紅外系列氣體成像儀（Gas FindIR系列）和法國伯丁技術(shù)公司（Bertin Technologies）的紅外成像氣體云實(shí)時(shí)監(jiān)測儀（Second Sigh系列）應(yīng)用較為廣泛。 該方法的優(yōu)點(diǎn)是顯示速度較快。主要局限性是其設(shè)備昂貴，檢測成本較高，且易受燃?xì)鉁囟?、周圍土壤溫度的影響而?dǎo)致檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。 光譜成像法［9］的原理是利用光譜掃描空間，獲取隨波長分布的光譜輻射信息，對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到目標(biāo)的三維特征及內(nèi)部屬性信息。可進(jìn)一步分為多波長成像技術(shù)和高光譜成像技術(shù)。光譜成像法有吸收模式和發(fā)射模式兩種模式。利用多波長發(fā)射技術(shù)檢測天然氣濃度的前提是，泄漏后的天然氣的溫度遠(yuǎn)高于周圍空氣的溫度。即使天然氣與環(huán)境空氣之間沒有溫差，多波長吸收成像技術(shù)也可利用多波長背景輻射直接成像天然氣濃度。目前，具有代表性的應(yīng)用包括來自英國物理科學(xué)公司（Physical Sciences Inc）的自適應(yīng)紅外成像光譜儀（AIRIS）和來自加拿大泰洛普斯公司（TelopsInc）的輻射光譜成像光譜儀（FIRST）。 光譜成像法的優(yōu)點(diǎn)是檢測結(jié)果的誤報(bào)率較低。主要局限性是設(shè)備昂貴，數(shù)據(jù)結(jié)果解析過程復(fù)雜。 分布式光纖傳感器法［10-11］的原理是依靠分布式光纖可用于檢測應(yīng)變和溫度異常的功能，從而能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測管道泄漏。由于管道內(nèi)外存在較大的壓力差，在天然氣泄漏處引起管道壁面和周圍土壤的振動(dòng)，在局部位置形成溫度變化區(qū)。這些異常狀況會(huì)導(dǎo)致光纖的溫度變化、光導(dǎo)介質(zhì)的變化以及彎曲和張力（或壓縮）應(yīng)變。分布式光纖傳感器法可分為反射式分布式光纖檢測方法、干涉式分布式光纖檢測方法和準(zhǔn)分布式光纖光柵檢測方法。 該方法的優(yōu)點(diǎn)是不僅可實(shí)現(xiàn)管道泄漏的在線監(jiān)控，且具有抗干擾能力較強(qiáng)、測量沿程距離大、對(duì)微小泄漏靈敏度高。主要局限性是在多點(diǎn)檢測、抗環(huán)境干擾、提高定位精度和振動(dòng)源類型的自動(dòng)識(shí)別方面，仍有改進(jìn)的空間。 智能球［12］包括聲學(xué)傳感器、加速度計(jì)、磁力計(jì)、超聲波發(fā)射器、溫度傳感器等。智能球是一種自漂流式球形裝置，可以隨著燃?xì)饬鲃?dòng)在管道中運(yùn)動(dòng)，適用于公稱直徑大于100 mm的管道。智能球可以通過清管裝置進(jìn)行發(fā)射和回收，不需要其他輔助設(shè)施，能夠克服管道形狀障礙，達(dá)到對(duì)小泄漏的最高響應(yīng)能力。該裝置在通過管道時(shí)，記錄所有噪聲事件，除了部分與小型泄漏噪聲（例如調(diào)壓器、閥門的泄漏噪聲）特征類似的環(huán)境噪聲，管道泄漏噪聲特征可以清楚地區(qū)別于其他形式環(huán)境噪聲。 初期的智能球只能用于供水管道。2010年以后，美國Pure油氣管道技術(shù)公司的19次實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，智能球可用于石油和天然氣管道。在智能球技術(shù)論證過程中，智能球可以識(shí)別的最小天然氣泄漏量為0.11 L/min，泄漏定位誤差范圍為±2 m，驗(yàn)證了該裝置檢測小型泄漏的能力［8］。 該方法的優(yōu)點(diǎn)是可用于各種材料的管道的在線檢測，泄漏檢測的靈敏度較高。主要局限性是測量結(jié)果準(zhǔn)確性受泄漏點(diǎn)內(nèi)外壓差影響較大。 ①隨著成像技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)高效率、遠(yuǎn)距離、大范圍、動(dòng)態(tài)直觀等優(yōu)勢顯著的泄漏成像檢測裝備將成為重點(diǎn)發(fā)展方向。 ②利用管段瞬時(shí)壓力、流量數(shù)據(jù)，形成瞬態(tài)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行泄漏定位、診斷、狀態(tài)估計(jì)等在線診斷技術(shù)，是燃?xì)夤艿佬孤z測技術(shù)的一個(gè)發(fā)展趨勢。 ①油氣管道泄漏檢測的現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)存在檢測技術(shù)太單一、檢測技術(shù)覆蓋范圍太小的問題，泄漏檢測標(biāo)準(zhǔn)體系仍需完善。 ②現(xiàn)有的泄漏檢測系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)象主要為長輸油氣管道，沒有一種技術(shù)能在城鎮(zhèn)燃?xì)庑袠I(yè)中處于絕對(duì)的優(yōu)勢，相關(guān)設(shè)備大多存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大的問題。 ③盡管可燃?xì)怏w圖像增強(qiáng)算法已經(jīng)在成像系統(tǒng)中得到了探索應(yīng)用，但大多數(shù)算法針對(duì)可燃?xì)怏w云團(tuán)本身的特征（例如形狀、大小、濃度分布和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)等）的目標(biāo)圖像處理較少。 ④可燃?xì)怏w泄漏檢測系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方法在城鎮(zhèn)燃?xì)庑袠I(yè)仍屬空白。 綜上所述，未來具有快速、高效、精準(zhǔn)優(yōu)勢的小體積、大視場與高分辨率的泄漏檢測系統(tǒng)將擁有更加廣泛的應(yīng)用前景，開展對(duì)氣體泄漏成像檢測技術(shù)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)識(shí)別和泄漏點(diǎn)自動(dòng)判斷和預(yù)警技術(shù)、檢漏裝置系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)等關(guān)鍵技術(shù)的研究具有重要意義，是保障城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿腊踩\(yùn)行的重要技術(shù)手段。 ［ 1 ］李志鵬， 李艷紅， 胡國新，等. 燃?xì)夤艿罊z測技術(shù)綜述［J］. 煤氣與熱力， 2003 （9）： 566-567. ［ 2 ］劉海峰， 胡劍， 楊俊. 國內(nèi)油氣長輸管道檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］. 天然氣工業(yè)， 2004（11）： 147-150. ［ 3 ］陳華波， 涂亞慶. 輸油管道泄漏檢測方法綜述［J］. 管道技術(shù)與設(shè)備， 2000（1）： 38-41. ［ 4 ］付道明， 孫軍， 賀志剛，等. 國內(nèi)外管道泄漏檢測技術(shù)研究進(jìn)展［J］. 石油機(jī)械， 2004 （3）： 48-51. ［ 5 ］王雪亮， 蘇欣， 楊偉. 油氣管道泄漏檢測技術(shù)綜述［J］. 天然氣與石油， 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