燃气管道检测技术进展

管道运输作为燃气的最主要输送方式，具有投资省、运费低、安全性好、运输量大的优点。然而因为一些不可避免的因素，如管道老化、腐蚀、第三方损坏和自然灾害等导致燃气泄漏频频发生，不仅影响了燃气的正常输送，而且还会造成环境污染，引发

火灾、爆炸等，造成大量的人员伤亡以及财产损失。

１９７０年格陵兰Ｇｏｄｔｈａｂ地下室管网煤气泄漏，１９７５年８月英格兰Ｍｅｒｓｅｙ公寓、１９７２年美ＲｉｃｈｍａｎｓｗｏｒｔｈＧｒｏｘｄｅｙＧｒｅｅｎ和１９７３年法国Ｐｅｒｐｉｇｎａｎ由于天然气泄漏，造成建筑物破坏。根据统计资料，２００６－２００８年我国城市燃气管道共发生泄漏事故４１１起，在导致泄漏事故的诸多原因中，有２９．４％是燃气管道腐蚀引起的，３０．７％是外力破坏管道引起的，这两个因素引起的泄漏事故占总体的６０．１％，是泄漏事故的主要诱因。目前世界上５０％的燃气管道的运行时间超过了３０年，步入衰老期，已进入事故的多发期。

在燃气管道规模日趋庞大的今天，燃气管道泄漏检测和定位技术的研究有着极为重要的现实意义，并且越来越引起世界各国的重视。虽然对管道泄漏检测方法的研究已有几十年的历史，但由于燃气管道所处环境和泄漏形式的多样性，使得目前还没有一种简单可靠、通用的方法来解决燃气管道泄漏检测与定位问题。

国内外燃气管道检测技术研究概况

根据所采用的测量手段及检测对象的不同，管道泄漏检测技术分为直接法和间接法。直接法是指对泄漏物直接进行检测，其主要特征是借助于人的感官或各种特殊传感装置直接感知管道泄漏的存在，有时也称为硬件检测法。间接法是利用数据采集系统提供的管道内压力、流量、温度等数据，进行计算分析来检测管道泄漏的方法。因为检测的结果是通过计算分析得来，故也称为间接推理法或软件检测法。

直接法

直接法技术分类

（１）人工巡视法：这是目前国内各城市燃气公司常用的一种泄漏检测方法，由巡线工人手持燃气检漏仪或检漏车定期沿管道敷设路径巡视，通过看、闻、听等多种方式来判断是否有燃气泄漏。此方法较为直观、可靠，缺点在于检测速度慢，且对检测者经验的依赖性强，无法实现连续检测。

（２）管内智能爬机检测法：爬机在管道工业中使用广泛，如果配置各种传感器，就能组成智能爬机检测系统。目前利用爬机可以检测管内的压力、流量、温度以及管壁的完好程度。爬机可以分为两类：超声波检测器和漏磁通检测器。应用较多的是漏磁通检测器，将爬机放入管内，它就会在流体的推动下运动到下游，同时收集有关管内流动和管壁完好程度的信息，对记录在爬机内的数据进行处理后，可以得到很多信息，同时也可以判断管道是否泄漏。

国外此项技术己经比较成熟，并用于各种管道中，它

的作用不仅在于泄漏检测，而且是综合型的管道检

测系统，但爬机只适用于那些没有太多弯头和连接

的管道，它的操作需要有丰富的经验。

（３）电缆检测法：沿管道平行铺设检漏电缆，当泄漏物质渗入电缆后，会引起电缆反射特性、阻抗等特性的变化。检漏电缆具有透油不透水的渗透性和对烃类的敏感性，如渗透性电缆、油溶性电缆、碳氢化合物分布式传感电缆等。这种方法灵敏度、准确度高，检测速度快。缺点是对天然气不敏感，施工费用高，而且电缆一旦受泄漏物污染会影响检测精度，需要及时更换电缆。

（４）分布式光纤检测法：沿油气管线铺设一条或几条传感光纤，采集管道周围的应力、压力、振动等信号，通过信号分析和处理，对管道泄漏、地形沉降、施工或人为破坏等因素进行判断和定位。该方法抗干扰性强、灵敏度高。

（５）红外检测法：利用机载精密红外摄像装置，记录管道周围地热辐射效应或管道上方空气光谱，利用光谱分析检测泄漏并进行定位，该法定位精确，灵敏度高，但检测费用较高，且不适用于检测埋设较深的管道。

（６）声发射技术法：声发射检测技术可根据泄漏时产生的声信号判断泄漏，实现对泄漏信号的连续捕捉，在检测原理上有很大的优势。

直接法国内外研究进展

美国开发了一种手持式检测器ＲＭＬＤ（ＲｅｍｏｔｅＭｅｔｈａｎｅＬｅａｋＤｅｔｅｃｔｏｒ），它采用可调谐二极管激光吸收频谱技术。当激光通过泄漏处时，甲烷吸收部分光，从而可以检测到甲烷泄漏，检测范围在３０ｍ以内。对于一些危险地段的燃气管道，不必接近就可检测是否泄漏。这种激光只对甲烷敏感，因而不会受其他碳氢化合物的干扰而存在误报。

德国汉丁堡技术大学和鲁尔燃气公司合作开发了一种燃气浓度团识别工具———燃气摄像机。它采用ＦＴＩＲ（ＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍＩｎｆｒａｒｅｄ）的扫描成像光谱技术，是一种远程检测和成像的燃气检测新方法。此技术通过对燃气浓度团的叠加实现对甲烷的泄漏源定位。燃气摄像机采用聚焦平面阵列检测

器与滤波器相结合的方法可以检测和识别０～１００ｍ范围内燃气的泄漏。

俄罗斯的ＩＬＩ（ＩｎＬｉｎｅＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎ）管道检测技术主要用来检测与腐蚀有关的各种管道缺陷。ＩＬＩ设备在管内气体的推动下运动并收集管内信息，对记录在ＩＬＩ内的数据进行处理可以得到管道的很多信息，可以判断管道是否发生泄漏，ＩＬＩ是俄罗斯管道检测的主要方法。

日本Ｔｏｈｏ燃气公司开发了一种便携式第三方破坏远程监控系统，实时监测第三方周围燃气管道的损坏情况。该系统采用声学原理，利用振动检测法联络第三方，通过安装一个对比传感器来克服外界噪声干扰的振动，通过监测传感器来辨别燃气管道的振动。该系统克服了传统声学检测方法中采用频率分析进行信噪分离所导致的造价高、安装复杂等缺点，因此成本低廉，安装简便

。

国内沈阳工业大学和新疆三叶管道技术有限责任公司联合于２０００年５月研制成功高精度管道漏磁在线检测系统，该系统实现了管道缺陷、管壁变化、管道特征识别（管箍、补疤、弯头、焊缝、三通等）以及内外壁缺陷分辨的在线检测，给出了缺陷尺寸、

程度、方位、位置等信息，能探测出５ｍｍ×５ｍｍ和０．１狋（管壁厚度）以上的缺陷。定位精度≤０．１％标记间距离，最大检测距离可达１５０ｋｍ，达到世界先进水平。

２００５年，中国石油天然气管道局管道技术公司

与英国Ａｄｖａｎｔｉｃａ（简称ＡＴ）公司合作研发了具有国际领先水平的无损检测器———直径１０１６ｍｍ管道高清晰度漏磁检测器，最小探测缺陷深度不超过壁厚的５％至１０％。在管道内以８ｍ／ｓ的高速运行状态下，系统能够一次性完成

３５０ｋｍ的检测距离并稳定地采集数据，已超过当时５ｍ／ｓ的国际水平，并且检测器不会对管道及管道沿线的空气、水、土地等造成破坏或污染，也不会对人体产生危害。

中国石油大学采用声发射技术法对燃气管道的泄漏和定位进行了试验研究，该法能够有效探测燃气的泄漏，显著降低误报率，泄漏点的定位相对误差提高至０．０１％～１．３７％。

间接法

间接法技术分类

（１）基于信号处理的方法

ａ．负压波法：当管道因穿孔、破裂发生泄漏时，在泄漏处瞬态压力突然降低，形成负压力波，该负压波以一定的速度自泄漏点向管道两端传播。利用管道首末端压力传感器检测管内压力变化的拐点可判断负压波，并根据负压波在管道内的传播波速与两个压力传感器检测到的负压波时间差就可以进行泄漏定位。该方法具有施工量小、成本低、安装维护方便等优点，在长输管线的泄漏检测中得到广泛应用。但对于缓慢发生的泄漏或已经发生的泄漏反应弱，

甚至是无效的。基于负压波进行泄漏检测和定位的方法主要有相关分析法、时间序列分析法和小波变换法等。

ｂ．压力梯度法：该方法假定管线压力沿管线线性变化，当发生泄漏并且再次稳定后，管内压力梯度发生变化。泄漏点前后沿线的压力梯度形成两段折线，由折线拐点即可确定泄漏点位置。但对于不等温长输管道，实际管道压力梯度是非线性分布的，需要通过建立数学模型，找到符合实际的非线性压力梯度分布实现泄漏定位。该法操作简单，但是压力和流量的测量精度对于定位结果有较大影响，定位精度较差。所以压力梯度法一般作为辅助手段与其他方法一起使用。

ｃ．质量平衡法：通过对管道进出的质量流量偏差判断泄漏。由于油气管道首、末站一般均装有容积式流量计，故无需增加设备投资。该方法适用于较大泄漏量的泄漏检测，可实现在线实时检测，缺点是不能实现泄漏定位，对于小泄漏量检测灵敏度不

高。并且气体具有较大的可压缩性，使得利用质量

平衡法检测燃气管道泄漏更加困难。

（２）基于模型的方法

此类方法需要建立管道的实时动态数学模型，利用模型计算管道系统参数，并与实测值比较，按符合程度用一定的算法进行泄漏故障诊断。根据建立模型的方法，可分为：

状态估计法：泄漏检测是基于已知的管线分布模型，并根据沿管道假定的一组泄漏分布实现泄漏检测。通过建立管道内流体的压力、流量和泄漏量的状态方程，根据流体的性质、温度、管道边界条件等参数变化对模型进行实时修正，通过首、末站压力计算两站流量的估计值，与流量实测值比较，对其偏差信号采用适当的算法实现检漏和定位。该方法难于实现多泄漏点的定位，仅适用于小泄漏量的检漏和定位。

基于系统辨识的方法：其基本原理是描述系统工作过程的数学模型，反映了决定系统运行规律的物理定理，系统的数学模型中的各种方程的系数实际上就是许多物理参数的函数，当系统发生故障时，描述系统工作过程的物理规律就会发生变化。通常情况下，这些变化表现在物理参数的变化上，物理参数的变化引起数学模型方程中系数的改变，从而影响系统的输出。因此，由系统输入输出数据对模型方程系数进行实时辨识，再由辨识得到的方程系数求解出各物理参数的真实值，通过对物理参数的异常状况的检验，则可以实现对故障状况的检测与诊断。该法需在管道上施加Ｍ序列激励信号，并假设两站的压力不受泄漏量的影响，也仅适于小泄漏量情形。

实时模型法：利用流体的水力学特性和热力学特性等建立管内流体动态模型，以测量管道运行参数作为边界条件，估算管内流体的流态和压力、温度及流量值。同时，实时采集管道运行参数的实际值，与模型推演的参数值比较，当二者偏差超出设定的阈值时，即可判断管道发生泄漏。该法的检测精度依赖于模型和硬件的精度。

基于知识的方法：由于管道泄漏的未知因素很多，采用常规数学模型进行描述存在较大困难。基于知识的泄漏检测方法通过非模型的方法进行识别。主要有：

ａ．神经网络法：用泄漏信号特征指标构造的神经元网络模型，能够运用自适应能力学习管道的各种工况，对管道运行状况进行分类识别。但由于神经元网络所获得的训练数据难以包含所有故障模式，离线训练的神经元网络模型在线应用时能够识别的故障非常有限。

ｂ．模式识别法：可以通过试验为管道运行的各种状态建立模式库，通过对输入的模式进行匹配来判断识别管道运行状态。为简化模式识别的过程，必须消除信号模式中的冗余信息和干扰信息，目前

采用较多的算法有：小波、微分等。

ｃ．统计决策法：管道运行经验表明，正常运行时，进出口压力和流量满足一定的函数关系。根据这一原理，对管道进出口流量和压力进行连续测量，实时计算出流量和压力的关系。泄漏发生时，二者关系发生变化，从而可判断出泄漏的发生。通过测量流量和压力的统计平均值估算泄漏量，用最小二乘法进行泄漏定位。该方法避开复杂的管道模型，只需测定进出口的压力、流量就可进行泄漏判断，运行操作简单，不受管道结构限制，缺点是对小泄漏无法检测。

ｄ．专家系统法：通过建立非线性分布参数控制系统，利用经验知识、泄漏模式、泄漏机理模型，首先完成管道最严重异常现象的广度搜索，然后进行深度优先搜索，完成基于经验知识的定性诊断，确定有无泄漏及可能的泄漏量和定位。基于知识的泄漏检测和定位方法目前仍处于研究试验阶段，尚无成熟的方案和产品用于生产实践。

１．２．２

间接法国内外研究现状２００１年Ｗｉｔｎｅｓｓ提出了模型频域分析的频域响应法，将管道瞬态模型转换到频域进行泄漏检测定位，在管段两端参数可测的情况下，对单一管道系统的单点及多点泄漏进行了仿真试验。澳大利亚Ａｄｅｌａｉｄｅ大学的Ｗａｎｇ等人对管道瞬变流动模型进行求解，用傅里叶级数来表示，并利用不同傅里叶分量的不同衰减比来确定泄漏位置。

２００７年印度的ＨＰｒａｓｈａｎｔｈＲｅｄｄｙ提出了管道传递功能模型，提高了瞬态模型的计算效率。荷兰壳牌（Ｓｈｅｌｌ）公司的ＺｈａｎｇＸＪ提出了一种气体和液体管道的统计检漏法。它通过采用模式识别和序列概率比的方法，构造两种状况（正常、

泄漏）下的假设检验，利用统计分析技术对实测的压力、流量间的关系进行分析，以此来检测泄漏，并采用最小二乘法对泄漏进行定位。该方法已成功应用于石油、天然气等多种管道运输中。其优点是不需要复杂的数学模型，可连续进行检测，并且具有记忆功能、适应性强、误报率低、安装方便、易于维护，缺点是检漏精度受仪表精度影响大、定位精度欠佳。

２０世纪８０年代以来，我国从事管道泄漏检测技术的科研人员在应力波法、负压力波法、管道实时模型法等方面进行了研究。负压波检测法可迅速检测孔径比１０％～２０％以上的突发性泄漏，在快速诊断中占据重要地位。清华大学与胜利油田油气集输公司联合研制了长输管道泄漏监测系统，以负压波为基础，利用小波变换法和相关分析法同时进行检测。西南石油大学张红兵考虑到管段内燃气流速对负压波波速的影响，对原始的负压波定位公式进行了改进。２００７年清华大学研究了负压波法可检测的最小泄漏量。上述方法对已存在的泄漏及缓慢微小泄漏且没有负压波出现的情况失效。中国石油大学的胡瑾秋等人利用谐波小波时频图、时频等高线图以及时频剖面图挖掘管道泄漏敏感特征，准确提取负压波拐点，实现了对长输管线小泄漏的故障诊断，谐波小波泄漏检测法在噪声干扰下对小泄漏信号识别的准确率较高，为长输管道安全输送提供了可靠的保障。基于模型的管道泄漏检测与定位方法依据流体的输送模型对泄漏量和泄漏位置进行预测，适用于突发泄漏、小泄漏和缓泄等多种泄漏工况的检测和定位。近年来，随着流量测量技术、数据采集与监控技术及装置的发展及应用，为基于模型的方法在油气管道泄漏检测中的进一步应用提供了基础。北京化工大学的孙良对基于稳态模型和瞬态模型的泄漏检测与定位方法在油气管道上的应用进行研究，他提出的等温定位法和变步长龙格库塔法，促进了基于模型的方法在气体管道泄漏检测与定位中的应用，所提出的泄漏瞬变模型法和定位误差补偿方法提高了基于模型的管道泄漏检测与定位方法的实时性和准确性。

北京理工大学的万江文等人研究了管道的泄漏监测信息和管道监测传感器网络的结构特点，提出了基于分层模型的管道泄漏检测与定位方法，有效提高了泄漏点定位的精度（最大相对误差从４．７５％降至１．７５％），并减少了未被发现率和误报率，但此研究仅局限于直线管道。

２我国燃气管道检测技术研究的发展方向

直接检测法具有检测及时、灵敏度高、漏报率和误报率低的特点。而目前的泄漏间接检测

技术还不很成熟，尤其对小的泄漏不敏感，国内仅在部分输油管道上使用，其目的也主要是防止一些不法分子在原油管道上钻孔盗油，而在输气管道的应用中还存在一些问题。因此在今后一定时期内直接检测法还是燃气管道泄漏检测的主要手段。由于直接检测法只能间断进行，易使管道发生堵塞、停运事故，造价较高，因此间接检测法将会引起越来越多研究者的重视。随着我国管道技术的进步，特别是燃气管道ＳＣＡＤＡ（ＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）技术的逐步推广，与ＳＣＡＤＡ、ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）等技术相结合的间接检测法将是今后燃气管道泄漏检测和定位的发展方向。

目前，油气管道完整性管理已成为管道工程领域研究的热点，燃气管道的完整性管理也必将是一种趋势。其是继燃气管道安全管理、风险管理之后更高级别的安全管理新模式。它是以保证燃气管道的经济安全运行为核心目标，对影响燃气管道完整性的各种潜在因素进行综合的、一体化的管理，使管道管理标准化、程序化、科学化、规范化，已成为当前最被认可的管道安全管理模式。通过管道完整性管理，不仅可以大大减小管线事故发生率，而且可以避免不必要和无计划的管道维修和更换，从而获得巨大的经济效益和社会效益。

燃气管道的管理者应当在广泛了解各类实用技术、充分认识待评价燃气管道基本特征的基础上，多途径、多角度地来完善管道完整性管理在燃气输配管网中的应用，发展和落实我国燃气管道的安全管理工作。

来源：２０１２远东无损检测新技术论坛论文精选 

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