燃气管道受损、泄漏的检测方法与选择

维普资讯 http://www.cqvip.com 城市燃气２００６／６（ｖｏ１．３７６）　：ｌ：［ｏＪＬＯＧＹ　燃气管道受损、泄漏的检测方法与选择　上海煤气第二管线工程有限公司（２００１２２）　陶志钧　上海同济大学（２０００９２）　周伟国　摘要燃气管道风险管理和风险控制的要求，需要我们加强针对燃气管道受损和泄漏等状况的有效检测。本文对燃　气管道内外防腐检测技术、管道泄漏的检测技术及方法进行了较为系统的介绍，并进行了选择比较，对提高管道的　风险管理能力具有实际的帮助作用。　关键词管道受损泄漏检测风险管理　与其它能源运输方式相比，管道运输更有效、更　安全、对环境的影响更小。但也正是由于管道埋于地　等；管内电流检测技术包括电流梯度分布法、分段管　内电流比较法等。虽然这些方法能够实现不开挖、不　影响正常工作的情况下对埋地管道进行检测，但这　些方法都是属于间接检测管道腐蚀的方法，有的方　法对测量人员的要求十分严格，例如用直流电压梯　下，对燃气管道而言，管道受损和泄漏，特别是腐蚀　和因此所造成管道泄漏，往往是难以察觉的；一旦导　致大面积泄漏，轻则造成经济损失，重则引发人员伤　亡事故。因此，为了确保燃气输气管道的安全性，必　度法检测时，为准确判定管道涂层缺陷的位置，要求　测量人员垂直于管道方向测量，因此，测量前必须知　须根据实际情况采用各种有效的管道受损和检漏技　术，以避免或减少事故的发生。　道管道的确切位置、走向等，对于长距离埋地管道进　行检测，这一要求很难达到。此外，有的管外检测技　术不适合于检测穿越公路、铁路和江河海底的管道。　１．２管道内腐蚀检测技术　１管道受损检测方法　由于外力等原因对管道可能造成的伤害，或施　工不当造成的管道缺陷，一般受损位置比较明确，可　管道发生腐蚀后，通常表现为管壁变薄，出现局　部的凹坑和麻点。管道内腐蚀检测技术主要是针对　管壁的变化来进行测量和分析的。在没有开挖的情　以就地开挖进行检测。而管道腐蚀的位置、程度和面　积，其影响因素非常多。因此，燃气管道受损状况的　检测主要就是管道腐蚀状况的检测。管道腐蚀检测　技术包括管道外腐蚀检测和管道内腐蚀检测两大　类。　况下进行的管道内腐蚀检测。一般有漏磁通法、超声　波法、涡流检测法、激光检测法和电视测量法等。其　中目前国内外使用较广泛的是漏磁通法和超声波　法，它们可以提供管道沿线的焊缝、支管接口、阀门、　１．１管道外腐蚀检测技术　管壁厚度变化、防腐层剥离、裂缝等信息。　１．２．１漏磁通法　在燃气管道上，埋地钢制管道的外腐蚀保护一　般由绝缘层和阴极保护组成的防护系统来承担，通　漏磁通法检测的基本原理是建立在铁磁材料的　过对阴极保护系统的检测，可以判断防腐层的损坏　程度，从而得出管道受腐蚀的情况。基于这一原理而　研究出的方法，其检测参数一般是管／地电位的测量　和管内电流的测量。管／地电位的检测技术包括短间　歇电位检查法、组合电位测试法、直流电压梯度法　高磁导率这一特性上，钢管腐蚀缺陷处的磁导率远　小于钢管的磁导率，钢管在外加磁场作用下被磁化，　当钢管中无缺陷时，磁力线绝大部分通过钢管，磁力　线分布均匀，当钢管内部有缺陷时，磁力线发生弯　曲，一部分磁力线泄漏出钢管表面。检测被磁化钢管　３　ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｇａｓ．ｏｒｇ．ｃｎ　维普资讯 http://www.cqvip.com 成市燃气２００６／６　６／ｏ１．３７６）　表面逸出的漏磁量，就可以判断缺陷是否存在。漏磁　无缆型管内智能检测装置的数据处理系统指安　通法一般只限于管道表面和近表面的检测，管壁太　装在爬机内的，用于管内检测过程中记录数据的部　厚，抗干扰能力差，空间分辨力低。另外，小而深的管　分，一般待爬机检测结束后，由爬机中取出记录数　壁缺陷处的漏磁信号要比形状平滑但很严重的缺陷　据，再由计算机进行分析，以供检测人员对腐蚀状况　处的信号大得多，所以，往往需要校验，特别是当管　进行评估。　材中混有杂质时，还会得到虚假数据。　无缆型管内智能检测装置的辅助设备指用于发　１．２．２超声波法　送爬机的装置和检测定位的装置。　超声波检测法主要利用超声波的脉冲反射原理　无缆型管内智能检测装置无论是检测精度、定　测量管壁腐蚀后的厚度。检测时将探头垂直向管道　位精度、数据储存、还是数据分析均已达到了较高的　内壁发射超声脉冲，探头首先接收到由管壁内表面　水平。特别是随着电磁声学传感器的出现和应用，这　反射脉冲，然后超声探头又会接收到来自管壁外表　类爬机还能检测管道的应力腐蚀裂纹。　面的反射脉冲，这个脉冲与内表面反射脉冲之间的　国内地下燃气管道检测技术的研究与应用仍处　间距反映了管壁的厚度。这种检测方法是管道腐蚀　于相对比较落后的状况，大部分燃气管道不仅没有　缺陷深度和位置的直接检测方法，检测原理简单，对　使用网络系统进行监控，而且各种管道腐蚀技术也　管道材料的敏感性小，不受管道杂质的影响，能够实　都是管外检测，无法对埋地管道的腐蚀情况进行及　现对厚壁大口径管道进行精确检测，还能分辨管道　时准确的检测，从而可能造成重大损失。目前管道的　的内外壁腐蚀、管道的变形、应力腐蚀破裂和管壁内　各种智能检测爬机仍在研究开发中，尽管某些科研　的缺陷，如夹渣等。　单位已经研制出了几种功能样机，但还难以满足实　目前，国外结合漏磁通法和超声波法研制出了　际要求。　各种管内智能检测装置，一般有两大类为：有缆型和　无缆型。　２管道泄漏检测方法　有缆型管内智能检测装置一般由配有各种检测　仪的管内移动部分、设置在管外的遥控装置、电源、　根据燃气泄漏检测原理，现有的方法可分为直　数据记录处理仪、电缆供给控制装置以及连接管内　接检测法（根据泄漏的介质）和间接检测法（根据泄　移动检测部分和管外装置的电缆组成。由于该类管　漏引起的管道流量、压力等输送条件的变化和泄漏　内智能检测装置的数据处理与电源部分设在管外，　引起的声、光、电等变化）。　所以管内的移动部分一爬行机结构紧凑，可以应用　２．１直接检测法　于中小口径的管道，但是受到电缆长度的影响，其检　最常用的直接检测法有火焰电离检测法和可燃　测长度有限，而且多应用于停运管道的检测。　气体监测法两种。　无缆型管内智能检测装置一般由主机、数据处　火焰电离检测法的基本工作原理是：在有电场　理系统和辅助设备３部分组成。无缆型管内智能检　存在的情况下，烃类（气态）在纯氢火焰灼烧下产生　测装置的主机指在管内行走的智能检测爬机部分，　带电碳原子，碳原子被搜集到一个电极板上并计数，　国外漏磁检测爬机的研究始于２０世纪７０年代中　当碳原子的数量超过预设定值时，则表明周围空气　期，而超声波技术是在２０世纪８０年代末才引入爬　中存在超过了警戒浓度的可燃气体，检测器即报警。　机的。与漏磁检测爬机相比，超声波检测爬机具有不　该检测器的优点是灵敏度高，只要ｌｍ　空气中含有　受管道壁厚的优点，而且实践也表明，超声波检　１．８ｘ１０　ｍ　的可燃气体就可检测到；响应快，典型的　测法提供的检测数据比漏磁法更为精确。现在国外　响应时间为２ｓ；定位精确度高；抗干扰能力强；可检　的超声波检测爬机的轴向判别精度可达３．３ｒａｍ，管　测浓度范围大；具有较快的检测速度。缺点是不能长　道圆周分辨精度可达８ｒａｍ，机体外径从５９ｒａｍ到　距离连续检测，对密闭空间内的管道泄漏检测时易　１　５０４ｒａｍ，爬机的行程可达５０　ｋｍ￣２００ｋｍ，行走速　引起燃烧或爆炸事故。　度最高可达２ｍ／ｓ。　可燃气体监测法的基本工作原理是：通过扩散　４　ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｇａｓ．ｏｒｇ．ｃｎ　维普资讯 http://www.cqvip.com 城市燃气２００６／６（ｖｏ１．３７６）　作用从空气中取样，利用催化氧化原理产生一种与　在以上４种形式中，流量／压力变化、质量／体积　可燃气体浓度成比例的信号，一旦可燃气体浓度超　平衡和压力点分析法易于维护，费用低，但不能确定　泄漏位置，也不能适应发生变化的运行条件；动态模　过爆炸下限的２０％，继电器驱动信号便可传送到远　方控制板上的报警器报警。　２．２间接检测法　拟法可进行泄漏点定位，也能够适应发生变化的运　行条件，但费用高，操作人员需要较高的专业知识。　为此，近年已开始对其进行改进。　管道的泄漏除了会引起流量、压力、温度等运行　条件变化外，也会产生噪声，引起环境温度和土壤电　性质的变化。根据这类变化进行泄漏检测，主要有以　下方法。　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。主要有以　下４种形式。　（１）流量／压力变化　在管道的出口或入口设置压力和流量设备，如　果所测压力或流量的变化幅度大于预设值，则发出　泄漏报警。这种方式虽然简单，但不能精确定位，而　且误报警率较高。　ｆ２）质量／体积平衡　质量或体积平衡法的基础也是对体积进行测　量，不同点是将流量的变化归纳为质量或体积平衡　图，可根据压力／温度的波动和变化对流量进行校　正。在质量或体积平衡图上，泄漏引起的流量变化可　以得到较清楚地显示，能比第一种形式检测到更小　的泄漏量。　（１）声学检漏法　当管道因腐蚀或破坏发生泄漏时，将产生频率　大于２０ｋＨｚ的频率的振荡，这一频率在超声波范围　内，可由相应的传感器检测到。检测器通过记录信号　强度对泄漏源进行精确定位。　另一种声学检漏法为负压法，也称声波报警检　测法。其主要部件是压力传感器，通过检测管道中泄　漏或断裂引起的扩张波来判断泄漏；负压法直接检　测扩张波，检测器内装有同步触发系统，接收到扩张　波后报警，然后依据管道内经验声速计算泄漏位置。　由于该瞬时波在气体中的传播速度约为０．３２ｋｍ／ｓ，　因此在危险地区内以３．２ｋｍ￣５．２ｋｍ的间隔安装检测　器，几秒内可检测到破裂。但检测时需要消除管道的　背景噪声。这种方法在检测大的破裂时十分有效，对　（３）动态模型分析　动态模型法用数学模型模拟管道中流体的流　动，依据模型的计算值和测量值的差值判断泄漏。模　型采用的方程包括质量平衡、动态平衡、能量平衡和　流体状态方程等，动态模型法需要在管道的出入口　和管道沿线测量流量及压力，测量点越多，效果越　好。动态模型法的突出特点是对泄漏的敏感性好，可　对泄漏点定位，并可对管道进行连续监测，但误报警　率高。　（４）压力点分析法（ＰＰＡ）　于小的破裂，因噪声的影响则误报警率显著升高。负　压法在每一管段一般需要两个或多个传感器以帮助　定位和消除噪声。　ｆ２）光学检漏法　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或者便　携式设备，可通过检测泄漏引起的热点检漏。　（３）土壤电参数检测法　管道在正常运行时，其压力值呈现连续变化的　稳定状态。当管道发生泄漏时，泄漏点由于物质损失　发生压力骤降，破坏了原有的稳态，因此管道开始向　新的稳定状态过渡。在此过程中产生了一种沿管道　以声速传播的扩张波，这种扩张波会引起管道沿线　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）可通过检测土壤电参数　准确定位地下管道的泄漏。　（４）管内智能检测器　近年来，智能清管器越来越广泛地应用于管道　各点的压力变化，并将失稳的瞬态向前传播。在管道　沿线设点检测压力，采用统计的方法分析检测值，提　取出数据变化曲线，并与管道处于正常运行状态时　内部状况的在线检测，泄漏检测清管器只是其中的　一的曲线作比较。如果现行状态曲线脱离其特有形式，　则表明有泄漏发生。该方法可检测流量超过３．１７％　的泄漏。　种。它是依据压差法或声辐射原理工作的。前者由　个带测压装置的仪器组成，检测泄漏处在管道内　一形成的最低压力区以确定泄漏，被检测的管道或管　５　ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｇａｓ．ｏｒｇ．ＣＦＩ　维普资讯 http://www.cqvip.com 城市燃气２００６／６（Ｖｏｌ。３７６）　段需要单独操作，因此管道不能保持继续运行；后者　探测泄漏引起的在２０ｋＨｚ￣４０ｋＨｚ范围内的特有声　音，因此管道可保持运行，泄漏定位是利用里程表和　标定系统。智能清管器检漏的优点是敏感性好，定　位精度高，缺点是无法进行连续检测。　３管道检测方法的选择　３．１管道受损检测方法的选择　对于由于外力或施工不当等原因可能造成管道　受损的检测，首先应该严格遵循燃气管道施工规范，　发现施工质量问题，及时纠正；其次，密切注意其他　地下工程在燃气管道周围的施工情况，加强与对方　图１埋地管道防腐层检测仪　单位的联系，对可能造成的燃气管道损害，及时开挖　检测。　对于采用阴极保护的管道定期检测其管地电位　或电流变化是一种非常简便的方法。通过对检测数　据的分析，可以掌握管道的腐蚀情况，据此制定相应　的对策。对于需要更加全面地检测管道内部腐蚀状　况或管道厚度因腐蚀而减薄的程度时，应该采用管　防腐层完好，电流下降很小　防腐层破损，电流下降很大　内智能探测爬机。　由英国雷迪公司生产的埋地管道防腐层检测仪　（ＲＤ４００ＰＣＭ），见图１。雷迪公司的ＲＤ４００ＰＣＭ克服　了传统防腐检测技术的缺点，提高了阴极保护的效　果，在非开挖的状况下，轻松对埋地管道外防腐层破　损状况进行评估和定位。ＲＤ４ｏ０ＰＣＭ由发射机和接　收机两部分组成。发射机是一个的０．１Ａ～３Ａ的　探测信号输出设备，手持式接收机用于管道路由的　有金属管搭接或防腐层剥落　防腐层完好与破损并存　追踪和电流测量。通过测量和绘制管道电流的的大　电流损失严重　破损处电流急剧下降　小和方向，可以很方便地找到管道的破损点和与外　图２被测管道典型电流变化曲线　部物体的接触点，并通过分析电流的衰减和损失情　况，对管道防腐状况作出评估。当确定所有破损点得　任意长度管道防腐层状况评估；接收机可存储１００　到修复和外部接触物体均已清除后，可以采用　个记录，并可下载到电脑上打印成图形；非接触式探　ＲＤ４００ＰＣＭ对管道重新进行检测，并保存所绘制的　测和评估，无需开挖；发射机有过压、过载和过热保　电流分布图以供今后对该管道评估的参考。实测中　护；发射机可使用２０Ｖ一５０Ｖ直流电源，也可使用　对管道防腐层状况评估及其对应的典型电流变化曲　２２０Ｖ交流电；可与全球定位系统（ＧＰＳ）兼容。　线见图２。　３．２管道泄漏检测方法的选择　ＲＤ４ＯＯＰＣＭ具有下面一些技术特点：大功率发　如前所述，管道泄漏检测的方法很多，我们当然　射机，一次连接探测距离可达３０ｋｉｎ；采用近似直流　希望选择那种能够迅速、准确地发现泄漏、确定泄漏　的４Ｈｚ测绘电流，１２８Ｈｚ／６４０Ｈｚ定位电流；具有管线　位置和估计泄漏量，并且能够不间断地对整个管网　定位、测深、电流测量（ＣＭ）和电流方向（ＣＤ）功能；　系统进行监测的方法，不过投资和运行成本显然也　６　ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｇａｓ．ｏｒｇ．ｃｎ　维普资讯 http://www.cqvip.com 城市燃气２００６／６（ｖｏ１．３７６）　是非常高的。应该根据实际情况，综合考虑管道的重　要性、管道的周边环境、管道的保护措施等因素，根　据下列指标选择合适的检漏方法：　（１１灵敏性：能检测到多小的泄漏；　上述指标其性能对比结果如表１所示。　可将表１中的方法分为两大类，即连续管道检　漏方法和间断性管道检漏方法。管道泄漏的危险随　时都存在，对于重要的昼夜运行的输气管道，应该选　择连续管道检漏方法以进行不间断管道泄漏监测，　（２）定位精度：能否精确指出泄漏位置；　（３）评估能力：估计泄漏量能力如何；　（４）ＰＮ应时间：需要多长时间能检测出泄漏；　（５）有效性：是否能连续监测整条管道；　可供选择的方法有流量／压力变化分析法、质量／体积　平衡法、动态平衡法、压力点分析法、声学传感检测　法、统计检测法和负压检测法等。从表１可以看出，　没有一种泄漏检测方法的所有指标都达到最佳。一　般而言，间断性检漏方法敏感性好，定位精度高，误　报警率低，但不能连续监测管道，对管道进行一次完　整的检测需要较长的时间；连续管道检漏方法敏感　（６）适应能力：管道运行条件发生变化时能否适　应；　（７）误报警率：误报警率是否较低；　（８）使用和维护要求：系统的使用和维护是否简　单、易学；　性和定位精度相对较低，误报警也较高，但可实现对　管道的实时监测。　（９）费用：固定投资和运行费用。　对于前面所提到过的各种泄漏检测方法，根据　实际工作中，燃气管道泄漏检测中往往多种方　表１　不同检测方法特点的对比　定位　检测方法　敏感性　评估　响应　适应　有效　误报　使用维　费　精度　人或狗巡视　好　好　能力　强　时问　不确　能力　能　性　不能　盎　低　护要求　中等　用　向　定　不确　取样分析　流量／压力　最好　最好　强　定　能　不能　低　中等　向　差　变化分析法　质量／体积　差　平衡法　差　弱　较快　不能　能　高　低　低　差　弱　较快　不能　能　高　低　低　动态模拟法　压力点分析　较好　较好　较好　差　较强　弱　较快　较快　能　不能　能　能　高　高　高　中等　高　中　等　法　较　统计捡漏法　较好　较好　较强　中等　能　能　较低　较低　低　不确　光学检测法　声学传感　较好　检测法　较好　弱　较快　不能　能　高　中等　等　中　较好　较好　弱　定　能　不能　中等　高　高　中　负压检测法　管内爬行　较好　较好　弱　快　不确　不能　能　尚　中等　等　好　检测器　较好　弱　定　能　不能　低　中等　高　７　ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｇａｓ．ｏｒｇ．ｃｎ　维普资讯 http://www.cqvip.com 城市燃气２００６／６（＼／ｏ１．３７６）　法同时使用。随着监控与数据采集系统（ＳＣＡＤＡ）的　不断完善和计算机泄漏检测计算机软件的开发，检　的压力传感器接收燃气泄漏引发压力波时间差（压　力波在燃气管道中的传播速约为３００ｍ／ｓ），从而确　定燃气泄漏点的位置。　漏技术逐渐成为ＳＣＡＤＡ系统的一部分，如美国目　前正在开发的在线动态模型ＳｉｍＳｕｉｔｅ　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ作为　ＳＣＡＤＡ系统的组成部分，为了保证该动态模型检漏　分析的可靠性，同时应用了压力波分析、压力流量分　４管道状况检测是燃气管道风险管理　的基础　燃气管道风险管理的目标，首先是鉴别显露的　析和质量体积平衡３种方法。这３种方法都基于各　自的原理进行泄漏检查和定位，并且相互补充以降　低误报警率。　下面介绍一种国内正在使用的利用负压检查法　进行燃气管道泄漏检测的系统。该系统由管线首末　和潜在的风险，处置并控制风险，以期达到预防损　失，其次是在损失发生后提供尽可能的补偿，减少损　失的危害性，保障燃气输配管道的正常运行。　为了消除或抑制管道系统存在的危险，就必须　对管道系统存在的危险有充分的认识，在充分揭示　危险的存在和它发生可能性的基础上，再对危险进　行分析评价，看看究竟会产生什么样的严重后果，是　否需要什么技术措施，采取这些措施后危险得到怎　样的抑制或消除。通过风险评价，可以帮助我们建立　一两个站的两套检测装置和一个中心调度室的控制微　机组成，见图３。　检测装置进行数据采集、数据分析、数据储存和　数据的微波传送。当管道发生泄漏时，系统自动报　警，两站互传数据或将数据传至中心调度室，自动或　人工计算出泄漏点的位置，显示在电子地图上。检测　装置包括信号采集器、监视主机、调制解调器打印机　种科学的思维方式，运用系统方法，及时、全面、准　四个部分。该系统技术指标如下。　（１）泄漏点最大定位误差：小于被测管道的２％；　（２）泄漏检测灵敏度：对大于５ｍ　的泄漏可报　警，准确率为９５％；　（３）报警反应时间：小于２００ｓ。　当管道发生泄漏时，由于管道内外的压差，泄漏　确、系统地识别各种危险因素，评价潜在的风险并采　取最佳方案，从而降低风险，以寻求最低的事故率、　最少的损失和最优的安全投资效益。　对运行中的燃气管道进行检测，可以及时发现　管道的缺陷，如腐蚀、位移、外力受损等，并进行风险　性分析评价，为决策提供依据：继续使用；可以继续　点处燃气迅速排出，压力下降。泄漏点两边的燃气由　于存在压差而向泄漏处补充，这一过程依次向上、下　游传递，相当于在泄漏点处产生了一个以一定速度　使用，但必须经常性检测；按预定计划维修或更换；　马上维修或更换等。按一定的要求（计划等）对燃气　管道检测并进行风险评估，既有利于防止事故的发　传播的压力波（减压波）。利用在管道两端站内设立　生，也有利于提高燃气供应的保障能力。　图３管道泄漏监视系统　８　ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｇａｓ．ｏｒｇ．ｃｎ