输气管道泄漏检测研究现状

输气管道泄漏检测研究现状摘要：随着天然气的应用越来越广泛，天然气输送管道的高效安全运行越来越受到重视，管道泄漏检测技术的研究与应用对于管道的安全运行起着重要作用。本文在文献调研的基础上，对目前国内外的相关泄漏检测技术进行了分析总结，并分析了其优缺点，为检测技术的选用提供一定的借鉴。关键词：输气管道；泄漏；检测；光纤；声波0前言石油、煤炭等化石能源带来的环境问题日趋严重，作为清洁化石能源的天然气越来越受到重视。因此，天然气重要的输送手段之一——管道输送也日益得到关注，如何保证天然气管道高效安全运行是目前所需要研究的重要课题。泄漏检测技术的研究与应用对天然气管道安全运行起着重要的作用，目前国内外学者已经开展了大量研究，提出了较多天然气管道泄漏检测技术，可大致分为基于硬件和基于软件的两类方法[1]，顾名思义，基于硬件的检测方法主要是将特殊的探测传感器应用于气体的泄漏检测当中，而基于软件的检测方法则主要是通过压力、温度、流速等系列管道参数的监测，利用一定算法确定管道的泄漏情况。两类方法具有代表性的技术分别为光纤传感检测技术、声波检测技术。下面分别对两类方法进行介绍，并对其优缺点进行对比分析，为输气管道泄漏检测技术的选择提供借鉴。1光纤传感检测技术目前，已有多种光纤传感检测技术应用到管道泄漏检测当中，包括基于光纤布拉格光栅的管道泄漏检测技术、基于散射的管道泄漏检测技术、基于干涉的光纤检测技术等。1.1基于布拉格光栅的管道泄漏检测技术布拉格光栅也称光纤光栅，具有体积小、插入损耗低、与光学系统兼容性好等特点[2,3]。同时，光纤纤芯折射率可周期性变化，利用这一特点将其应用于管道泄漏检测当中。图1所示为光纤光栅应用于管道泄漏检测原理示意图，从图中可以看出，当环境因素导致有效折射率和栅距变化时，可导致反射光谱波长发生变化。通过波长位移变化量即可推算出外办环境因素变化情况，确定管道泄漏情况。目前，墨西哥[4]、印度[5]、日本[6]等均开发了相应光纤光栅管道泄漏检测技术。该检测技术具有较强的抗干扰能力，信噪比相对较高，因此，在单点和多点检测方面具有一定的优势。图1光纤光栅应用于管道泄漏检测原理示意图1.2基于散射的管道泄漏检测技术光学散射类型主要包括Raman散射、Brillouin散射及Rayleigh散射等。基于此三类散射[7]，目前已开发出相应的泄漏检测设备及技术。Raman散射探测系统主要是利用分布式光纤温度传感器对输送介质温度进行检测，从而判断输送介质是否泄漏。由于焦耳—汤姆逊效应，气体泄漏时将使得泄漏点处管道温度发生变化（管道温度降降低，见图2所示），通过光纤探测到的温度变化（Raman散射探测系统能够可探测出0.01摄氏度的温度变化）即可判断管道泄漏情况，探测过程见图3所示。图2管道泄漏焦耳—汤姆逊效应图3Raman散射探测系统及过程示意图Brillouin散射探测系统可以通过温度变化的探测来分析管道泄漏情况，但由于该散射对于应力的变化更为敏感，因此，Brillouin散射探测系统常通过应力数据的变化来判定管道的泄露情况。Rayleigh反向散射探测系统中，当向光纤发射信号时，将有少量的光信号沿着光纤反射回来(如图4所示)。结合其他分布式光纤探测方法，当光纤中发生扰动时将改变反射光情况，通过接收器可侦测到信号的变化，据此判断管道的泄露情况。图4光信号反射情况示意图虽然基于散射的光纤检测技术对光源稳定性的要求较高，但由于其结构较为简单，国内外目前已开展了较多的相应研究及应用。1.3基于干涉的光纤检测技术该检测技术主要包括基于Sagnac干涉的光纤检测技术及基于Mach-Zehnder光纤检测技术[8,9]。基于Sagnac干涉的光纤检测系统示意图见图5所示。光源信号分光后将向两个相反方向传输，当发生泄漏时，将对光纤中光的传播产生扰动，使得两束传播光源相位发生变化，通过相位差的分析可确定泄漏点情况。该方法对于光源的稳定性要求较低，但同时灵敏度较高。同时，温度等变化同样会导致传播光源相位发生变化，因此需要利用温度补偿手段，消除温度对监测结果的影响。图5基于Sagnac干涉的光纤检测系统示意图基于Mach-Zehnder光纤检测检测系统示意图见图6所示。该技术中需要利用3根并排铺设光纤进行工作，其中2条被称作光纤测量臂，另外一条用于信号的传输工作。光源信号经过分光后分别在2条测量臂内传输，当发生泄漏时将导致2条泄漏臂内光源信号相位差的变化，在光纤末端产生干涉信号。通过第3条光纤将干涉信号返回至探测系统内，即可确定泄漏点情况。该方法较基于Sagnac干涉的光纤检测系统更为复杂，同时也需进行温度补偿。图6基于Mach-Zehnder光纤检测检测系统示意图2声波检测技术由于声波法具有定位精度较高，灵敏度较好等优点，近年来受到越来越多的关注，国内外学者都开展了较多的相应研究工作。该方法主要是通过探测管道泄漏时所产生声波来确定管道的泄漏情况，具体检测示意图可见图7所示。管道由于腐蚀穿孔、第三方破坏等情况发生破裂泄漏时由于物体间的相互碰撞将产生声波，所产生的声波将向管道上下游进行传播，通过将所传播声波进行收集、比对，可确定泄漏地点及泄漏量的相关泄漏特征参数。该方法可检测到较小的泄漏量，因此具有比较高的灵敏度，同时可以实现连续的在线检测，适应性较好[10]。3两种方法对比分析目前，针对管道泄漏检测的光纤法与声波法国内外均已开展了较多的相关研究工作，技术都较为成熟，适应性都较强。但相对于光纤法，声波法仍具有以下几个优点：（1）声波法检测所用时间较光纤法更短；（2）从目前国外应用情况分析，声波法定位精度及灵敏度均更高；（3）同时发现，声波法的误报率更小；（4）声波法所需费用较光纤法更少。综上分析可知，声波法较光纤法更具有优势，更具发展应用前景。4结论（1）天然气管道泄漏检测技术可大致分为基于硬件和基于软件的两类，基于硬件的检测方法主要是将特殊的探测传感器应用于气体的泄漏检测当中，而基于软件的检测方法则主要是通过压力、温度、流速等系列管道参数的监测，利用一定算法确定管道的泄漏情况。（2）基于布拉格光栅的管道泄漏检测技术具有较强的抗干扰能力，信噪比相对较高，因此，在单点和多点检测方面具有一定的优势；基于散射的管道泄漏检测技术虽对光源稳定性的要求较高，但其结构较为简单；基于干涉的光纤检测技术对于光源的稳定性要求较低，但同时灵敏度较高，同时应注意温度等变化同样会导致传播光源相位发生变化，因此需要利用温度补偿手段，消除温度对监测结果的影响。（3）相对于光纤法，声波法具有检测所用时间较光纤法更短、声波法定位精度及灵敏度均更高、误报率更小、所需费用更少等优点，更具发展应用前景。参考文献[1]刘翠伟,李雪洁,李玉星,等.基于音波法的输气管道泄露检测与定位[J].化工学报,2014,65(11):4363-4642.[2]屈丽,孟瑜,卓仲畅,等.光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔时延和色散特性的研究[J].光学学报,2013,33(8):0806001-1-0806001-7.[3]庄须叶,王浚璞,邓勇刚,等.光纤传感技术在管道泄漏检测中的应用与进展[J].光学技术,2011,37(5):543-550.[4]LopzeR.M.,SpirinV.V.,ShlyaginM.G.etal.Coherentopticalfrequencydomainreflectometryforinterrogationofbend-basedfiberoptichydrocarbonsensors[J].OpticalFiberTechnology,2004,10:79-90.[5]SinghN.,JainS.C.,VandanaM.V.,etal.FibreBragggrating-basedsensingdeviceforpetrolleakdetection[J].CurrentScience,2006,90(2);219-221.[6]LeeJ.R.,TsudaH.Fiberopticliquidleakdetectintechniquewithanultrasonicactuatorandafiberbragggrating[J].opticsLetters,2005,30(24):3293-3295.[7]TanimolaF.,HillD.Distributedfiberopticsensorforpipelineprotection[J].Journalofnaturalgasscienceandengineering,2009,1:134-143.[8]周琰,靳世久,张昀超,等.分布式光纤管道泄漏检测和定位技术[J].石油学报,2006,27(2);121-124.[9]曲志刚.分布式光纤油气长输管道泄漏检测及预警技术研究[M].天津:天津大学,2007.[10]李玉星,彭红伟,唐建峰,等.天然气长输管道泄漏检测方案对比[J].天然气工业,2008,28(9):101-104.