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基于硬件的燃气管道泄漏检测技术发展趋势

2018-08-29 17:19:42
作者:李佩铭 1 , 赵春阳 2 , 刘 翔 3 , 侯庆民 3
来源: 1. 深圳市燃气集团股份有限公司,广东 深圳 518000; 2. 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江

综述近年来国内外基于硬件的各种管道泄漏检测技术和适用条件,介绍各种方法的优缺点。分析了管道泄漏检测技术的发展趋势,利用光纤等先进的信息传输技术,特别是结合燃气管网智能化发展需求,将是今后实现管道泄漏实时检测的有效途径。

    1 概述

 

    随着天然气工业的快速发展、大量燃气工程的建设,燃气管网的安全运行成为一个很重要的课题。燃气管道泄漏是城市燃气安全事故的最主要原因,因此燃气管道泄漏检测技术越来越引起人们的重视 。随着管道服役时间的增加,金属管道腐蚀、周围环境的变化以及第三方破坏等,都可能引起管道泄漏事故的发生,因而从人身安全、经济损失、社会稳定以及环境保护等多方面考虑,都需要更加重视城市燃气管道泄漏检测和定位技术的研究。近年来这一领域的研究进展很快,本文仅就燃气管道基于硬件的泄漏检测技术方法以及发展趋势进行分析。


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    2 管道泄漏检测技术现状

 

    2.1 电缆检漏法

 

    沿管道铺设特殊的电缆,当泄漏物质渗入到电缆里时,电缆的相关属性发生变化,从而实现泄漏的检测和定位。目前常用的电缆有油溶性电缆、渗透性电缆、分布式传感器电缆 3 种 。该类方法检测灵敏度非常高,尤其对较小和缓慢的管道泄漏或渗漏具有良好的检测效果,而且不受管道运行参数和环境噪声的影响。但是电缆造价昂贵,施工费用高。另外,被泄漏污染的电缆应及时更换,其维修和维护工作量较大。


    2.2 放射物检测法

 

    1955 年美国开发了用于输油管道泄漏检测的放射物检测法,该方法主要通过向输送介质中添加放射性标记物,如果管道发生泄漏,在管道沿线地面就可以检测出放射性标记物,并可以迅速确定管道发生泄漏的位置。所用的放射性标记物有溴 - 82、碘 -131、钠 - 24 等。前苏联、法国、丹麦、印度、日本等国家相继采用该项技术进行管道泄漏检测。该检测方式检测范围涉及到油管道、气管道。


    2.3 管壁参数检测法

 

    这种方法通过检测管壁缺陷来判断是否有泄漏,通常将管内探测器从被检测管道的一端放入,使其沿着管道行走,检测管道内壁的腐蚀情况、缺陷以及焊缝的状况等。一般此方法能够获得较详细的整条管道的质量信息,为是否需要大修提供技术依据。其缺点是设备昂贵,对管道要求高,检测费用高昂,无法做到实时连续监测。目前国际上常用的管壁参数检测法有漏磁通检测法、超声波检测法、照相检测法和录像检测法。


    ① 漏磁通检测法

 

    管道为铁磁性材料,直接将电磁铁置于管道内部,在外加磁场的作用下管壁被磁化,当材料中无缺陷时,磁感应线绝大部分通过管壁,此时磁感应线分布均匀。如果管道表面及近表面存在裂纹等缺陷,由于管壁缺陷处的磁阻增大,从而使通过该区域的磁场发生畸变,磁感应线发生弯曲,一部分磁感应线泄漏出管道表面,在缺陷部位形成泄漏磁场。采用磁敏感元件对缺陷漏磁场进行检测,并将磁信号转换成电信号,对电信号进行进一步的处理,就可以得到缺陷的状况。漏磁通检测法结构简单,信号处理方便,但检测精度略低。


    ② 超声波检测法

 

    超声波检测器垂直于管道壁发出一组超声波脉冲,当管壁有缺陷时,增加了超声波脉冲的传播距离,检测器探头首先接收到由管壁内表面反射的回波(前波),随后接收到由管壁缺陷处反射的回波(缺陷波或底波)。探头至管壁内表面的距离与管壁厚度,可以通过前波时间以及前波和缺陷波(底波)的时间差来确定。根据测定管壁的厚度,可以检测出管壁的腐蚀和穿孔。超声波检测法检测精度较高,但对输送介质比较敏感。


    ③ 照相检测法和录像检测法

 

    此种方法直接将整套照相或录像设备安装在管内探测器内,利用流体压力的驱动,使探测器沿管道在管内行走,同时拍摄管道内壁图像或对管道内壁进行录像。这种方法要求管道内的输送流体透明,因而适用于检测天然气、某些成品油管道内壁的缺陷,该方法不适用于输送能见度较差介质(如原油、煤浆等)管道的检测。


    2.4 光纤传感检测方法

 

    在输送管道敷设的同时铺设一条或几条光纤,利用光纤作为传感器,采集管道周围的压力、温度等信号,传送给中心服务器,通过对信号的分析和处理,对管道泄漏进行判断和准确定位  。光纤检测法具有抗干扰性强,信号传输方便,灵敏度高,电绝缘性好,化学稳定性好等优点。基于光纤的泄漏检测技术又分成以下 4 种。


    ① 基于 OTDR 技术的方法

 

   光时域反射(Optical Time Domain Reflectome-ter,OTDR)技术,通过检测光纤中产生的背向瑞利散射和菲涅尔反射信号来判断光纤的故障点,主要应用于光缆的故障、光纤的长度、光纤的损耗以及光纤接头损耗等检测。


    该方法用于对油气管道安全监测时,需在被监测管道的上方沿管道同沟铺设一条传感光纤,不断地向光纤中发射具有一定功率的光脉冲波。当油气管道沿线存在泄漏或人为破坏等引起的振动信号对附近的光纤施加应力时,使传感光纤发生大的弯曲或断裂,背向散射光将在该处发生散射或端面反射,OTDR 技术可测得这些变化。利用这一特性,可通过对光纤输出光功率频谱的分析,判定油气管道是否有泄漏等事件的发生。该方法获得光纤上各点的损耗特征、障碍点位置和光纤长度,即可确定管道泄漏的位置。


    ② 光纤温度传感器方法

 

    如果管道输送的天然气、原油等温度较高,一旦流体泄漏就会引起周围环境温度的变化。通过分布式光纤温度传感器可连续测量沿管道的温度分布情况,即可检测出管道沿途泄漏的情况。


    分布式光纤 Raman 背向散射温度测量系统是用于实时测量空间温度场分布的传感系统。在该检测系统中,光纤既是传输媒体也是传感媒体。利用光纤反 Stokes Raman 背向散射的温度效应,光纤所处空间各点温度场调制了光纤中传输的光载波,经解调将空间温度场的信息实时显示出来。英国York Sensors Limited 是国际上首家开发光纤分布式测温系统并使之商品化的公司,已经有 20 多年的历史,并一直在该技术领域中保持国际领先地位。目前,该公司的产品可以对沿光纤传输路径上长达几十千米的管道进行检测,其空间分辨率可以达到 ±1m 以内,温度分辨率在 ± 1 ℃ 以内。由于加热输送管道周围环境会形成一个温度场,微小的泄漏产生的温度变化不明显,因而基于 Raman 背向散射温度测量系统光纤检漏方法不能检出微小的泄漏。


    ③ 基于 Sagnac 光纤干涉仪原理的方法

 

    1991 年 Kurmer 等人开发了基于 Sagnac 光纤干涉仪原理的管道流体泄漏检测定位系统 [3] 。该检测系统将一固定光纤回路置于管道内作为检测泄漏信号的传感元件。当管道发生泄漏时所产生的泄漏噪声会对泄漏点处的光纤产生扰动,导致两束传输光波相位发生变化,两束光波相位差的大小与泄漏点位置、泄漏噪声引起光波相位变化速率成比例,利用这一基础就可以实现对泄漏点进行定位。该检测方法进行管道泄漏检测时,管道内的压力大小、泄漏量的大小、泄漏点的位置和光纤环的长度等因素都会影响测量的准确度。实际应用中可以针对具体的管道优化光纤环的尺寸,并对单模光纤做进一步的增敏处理,可以有效地提高泄漏检测的灵敏度和定位的准确度。由于该检测方法须将光纤设置在管道内,因而无法对检测光纤进行维修和维护,同时也给管道施工带来一定的困难。


    ④ 基于准分布式光纤光栅的方法

 

    光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器基于波长调制技术,将被测应变和温度的变化转化为光栅中 Bragg 波长的变化,通过解调得知被测参量的信息。它是一种点式准分布测量技术,该技术利用 FBG 作为传感器,平行铺设在天然气管道附近,拾取管道由于泄漏、附近机械施工和人为破坏等事件产生的压力和振动信号,通过匹配光栅法和自动识别技术检测管道泄漏并进行定位 。它具有测量精度高、长期稳定性好、传输距离远、数据采集实时性好、抗电磁干扰、本质防爆等优点。


    3 管道泄漏检测技术发展趋势

 

    随着燃气管道工业的不断发展,燃气管道泄漏检测技术也在不断提高。研制和开发新型高效的燃气管道泄漏检测系统可以有效地提高泄漏检测及定位的灵敏度、精确度和可靠性,其经济效益和社会效益决定这一难点技术仍将是研究的热点。事实上近10 年来,燃气管道泄漏检测技术不仅继续在理论、模型方面探索,更朝着工程实践、实用技术方向发展,预计今后该领域的发展趋势如下。


    ① 注重实时泄漏检测技术、方法的研究。燃气管道全天候运行,覆盖范围大,遍及城镇居民居住地,任何间歇式检测或阶段性检查、评估都无法保证检测后不出现泄漏事故。可靠的实时泄漏检测技术是管道高效运行、并且能够在第一时间发现泄漏事故的可靠保证。


    ② 科技进步为泄漏检测技术提供更多的先进手段。如光纤技术近年来发展很快,成本降低,应用面拓宽,基于光纤的各种管道泄漏检测及定位技术有很大的应用空间。如:基于 OTDR 技术的连续光纤应变传感系统被用于监测铺设在北极的管线在冰融时的沉降情况。将 OTDR 分布式光纤传感技术应用在海底管道监测上[11] ,通过对应变数据的分析,根据海底管道自振频率规律反推海底管道的长度,以监测管道的安全状况。


    ③ 燃气管网智能化目标将有利于管道泄漏技术的发展。由于信息、通信以及控制等相关技术的发展,城镇电网、燃气管网以及供热、供水、交通等都将实现智能化控制与管理,这决定了基于智能化发展平台的管道泄漏检测技术是很有前途的。


    ④ 目前基于硬件的泄漏检测技术发展很快,并显现出良好的势头和许多优势,同时也带来新的理论问题需要研究,而且都或多或少地与管道水力研究相关联,同时各种方法都有不同的适应性和局限性。如果再考虑到管道内气、液不同介质的差异,那么泄漏检测技术无疑是非常广泛、复杂的研究领域,必然是多学科的交叉技术。


    作者简介:

 

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    李佩铭(1983 - ),女,四川泸州人,工程师,硕士,从事液化天然气技术管理工作。

标签: 燃气管道, 泄漏检测, 光纤技术, 硬件

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