燃气管道受损、泄漏的检测方法与选择

燃气管道受损、泄漏的检测方法与选择

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，为了保证燃气输气管道的安全性，必须依据实际状况采纳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。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。1.1管道外腐蚀检测技术

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当，通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状况。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、不影响正常工作的状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，测量前必须知道管道确实切位置、走向等，关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合适于检测穿越公路、铁路和江河海底的管道。

管道内腐蚀检测技术

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。在没有开挖的状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、管壁厚度变化、防腐层剥离、裂缝等信息。

漏磁通法检测的基本原理是建立在铁磁材料的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。检测被磁化钢管表面逸出的漏磁量，就可以判断缺陷是否存在。漏磁通法一般只限于管道表面和近表面的检测，管壁太厚，抗干扰能力差，空间分辨力低。另外，小而深的管壁缺陷处的漏磁信号要比形状平滑但很严重的缺陷处的信号大得多，所以，往往需要校验，特别是当管材中混有杂质时，还会得到虚假数据。1.2.2超声波法

超声波检测法主要利用超声波的脉冲反射原理测量管壁腐蚀后的厚度。检测时将探头垂直向管道内壁发射超声脉冲，探头首先接收到由管壁内表面反射脉冲，然后超声探头又会接收到来自管壁外表面的反射脉冲，这个脉冲与内表面反射脉冲之间的间距反映了管壁的厚度。这种检测方法是管道腐蚀缺陷深度和位置的直接检测方法，检测原理简单，对管道材料的敏感性小，不受管道杂质的影响，能够实现对厚壁大口径管道进行准确检测，还能分辨管道的内外壁腐蚀、管道的变形、应力腐蚀破裂和管壁内的缺陷，如夹渣等。

目前，国外结合漏磁通法和超声波法研制出了各种管内智能检测装置，一般有两大类为：有缆型和无缆型。

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、数据记录处理仪、电缆供给控制装置以及连接管内移动检测部分和管外装置的电缆组成。由于该类管内智能检测装置的数据处理与电源部分设在管外，所以管内的移动部分一爬行机结构紧凑，可以应用于中小口径的管道，但是受到电缆长度的影响，其检测长度有限，而且多应用于停运管道的检测。

无缆型管内智能检测装置一般由主机、数据处理系统和辅助设备3部分组成。无缆型管内智能检测装置的主机指在管内行走的智能检测爬机部分，国外漏磁检测爬机的研究始于20世纪70年代中期，而超声波技术是在20世纪80年代末才引入爬机的。与漏磁检测爬机相比，超声波检测爬机具有不受管道壁厚限制的优点，而且施行也说明，超声波检测法提供的检测数据比漏磁法更为准确。现在国外的超声波检测爬机的轴向判别精度可达3.3mm，管道圆周分辨精度可达8mm，机体外径从59mm到1504mm，爬机的行程可达50km～200km，行走速度最高可达2m/s。

无缆型管内智能检测装置的数据处理系统指安装在爬机内的，用于管内检测过程中记录数据的部分，一般待爬机检测结束后，由爬机中取出记录数据，再由计算机进行分析，以供检测人员对腐蚀状况进行评估。

无缆型管内智能检测装置的辅助设备指用于发送爬机的装置和检测定位的装置。

无缆型管内智能检测装置无论是检测精度、定位精度、数据储存、还是数据分析均已达到了较高的水平。特别是随着电磁声学传感器的出现和应用，这类爬机还能检测管道的应力腐蚀裂痕。

国内地下燃气管道检测技术的研究与应用仍处于相对比较落后的状况，大部分燃气管道不仅没有使用网络系统进行监控，而且各种管道腐蚀技术也都是管外检测，无法对埋地管道的腐蚀状况进行及时准确的检测，从而可能造成重大损失。目前管道的各种智能检测爬机仍在研究开发中，无论某些科研单位已经研制出了几种功能样机，但还难以满足实际要求。2

管道泄漏检测方法

依据燃气泄漏检测原理，现有的方法可分为直接检测法(依据泄漏的介质)和间接检测法(依据泄漏引起的管道流量、压力等输送条件的变化和泄漏引起的声、光、电等变化)。

直接检测法

最常用的直接检测法有火焰电离检测法和可燃气体监测法两种。

×10-6m3的可燃气体就可检测到；响应快，典型的响应时间为2s；定位准确度高；抗干扰能力强；可检测浓度范围大；具有较快的检测速度。缺点是不能长距离连续检测，对密闭空间内的管道泄漏检测时易引起燃烧或爆炸事故。

可燃气体监测法的基本工作原理是：通过扩散作用从空气中取样，利用催化氧化原理产生一种与可燃气体浓度成比例的信号，一旦可燃气体浓度超过爆炸下限的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。

间接检测法

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，但不能准确定位，而且误报警率较高。

(2)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，可依据压力/温度的波动和变化对流量进行矫正。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。

(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。模型采纳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。动态模型法的特别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)

管道在正常运行时，其压力值浮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，采纳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的曲线作比较。如果现行状态曲线脱离其特有形式，则说明有泄漏发生。该方法可检测流量超过3.17%的泄漏。

在以上4种形式中，流量/压力变化、质量/体积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善。

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。依据这类变化进行泄漏检测，主要有以下方法。

(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准确定位。

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，关于小的破裂，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。

(2)光学检漏法

泄漏会引起管道四周环境的温度变化。采纳搭载在车辆、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

泄漏会引起管道四周土壤电参数的变化，采纳雷达系统(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内部状况的在线检测，泄漏检测清管器只是其中的一种。它是依据压差法或声辐射原理工作的。前者由一个带测压装置的仪器组成，检测泄漏处在管道内形成的最低压力区以确定泄漏，被检测的管道或管段需要单独操作，因此管道不能坚持持续运行；后者探测泄漏引起的在20kHz～40kHz范围内的特有声音，因此管道可坚持运行，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

关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，及时改正；其次，密切注意其他地下工程在燃气管道四周的施工状况，强化与对方单位的联系，对可能造成的燃气管道损害，及时开挖检测。

关于采纳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状况，据此制定相应的对策。关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，应该采纳管内智能探测爬机。

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，提升了阴极保护的效果，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。RD400PCM由发射机和接收机两部分组成。发射机是一个独立的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追踪和电流测量。通过测量和绘制管道电流的的大小和方向，可以很方便地找到管道的破损点和与外部物体的接触点，并通过分析电流的衰减和损失状况，对管道防腐状况作出评估。当确定所有破损点得到修复和外部接触物体均已清除后，可以采纳RD400PCM对管道重新进行检测，并保存所绘制的电流分布图以供今后对该管道评估的参照。实测中对管道防腐层状况评估及其对应的典型电流变化曲线见图2。

RD400PCM具有下面一些技术特点：大功率发射机，一次连接探测距离可达30km；采纳近似直流的4Hz测绘电流，128Hz/640Hz定位电流；具有管线定位、测深、电流测量(CM)和电流方向(CD)功能；任意长度管道防腐层状况评估；接收机可存储100个记录，并可下载到电脑上打印成图形；非接触式探测和评估，无需开挖；发射机有过压、过载和过热保护；发射机可使用20V一50V直流电源，也可使用220V交流电；可与全球定位系统(GPS)兼容。

管道泄漏检测方法的选择

如前所述，管道泄漏检测的方法很多，我们当然希望选择那种能够迅速、准确地发现泄漏、确定泄漏位置和估计泄漏量，并且能够不间断地对整个管网系统进行监测的方法，不过投资和运行成本显然也是非常高的。应该依据实际状况，综合合计管道的重要性、管道的周边环境、管道的保护措施等因素，依据以下指标选择合适的检漏方法：

(1)灵敏性：能检测到多小的泄漏；

(2)定位精度：能否准确指出泄漏位置；

(3)评估能力：估计泄漏量能力如何；

(4)响应时间：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；

(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；

(9)费用：固定投资和运行费用。

关于前面所提到过的各种泄漏检测方法，依据上述指标其性能对比结果如表l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，关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，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正确。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。

表1

不同检测方法特点的对比

检测方法敏感性定位精度评估能力响应时间适应能力有效性误报率使用维护要求费用人或狗巡视好好强不确定能不能低中等高取样分析最好最好强不确定能不能低中等高流量/压力变化分析法差差弱较快不能能凹凸低质量/体积平衡法差差弱较快不能能凹凸低动态模拟法较好较好较强较快能能高高高压力点分析法较好差弱较快不能能高中等中等统计捡漏法较好较好较强中等能能较低较低较低光学检测法较好较好弱不确定能不能中等高高声学传感检测法较好较好弱较快不能能高中等中等负压检测法较好较好弱快不能能高中等中等管内爬行检测器好较好弱不确定能不能低中等高

实际工作中，燃气管道泄漏检测中往往多种方法同时使用。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SimSuitePipeline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，并且互相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、调制解调器打印机四个部分。该系统技术指标如下。

(1)泄漏