1 概述

    隨著天然氣工業的快速發展、大量燃氣工程的建設，燃氣管網的安全運行成為一個很重要的課題。燃氣管道泄漏是城市燃氣安全事故的最主要原因，因此燃氣管道泄漏檢測技術越來越引起人們的重視 。隨著管道服役時間的增加，金屬管道腐蝕、周圍環境的變化以及第三方破壞等，都可能引起管道泄漏事故的發生，因而從人身安全、經濟損失、社會穩定以及環境保護等多方面考慮，都需要更加重視城市燃氣管道泄漏檢測和定位技術的研究。近年來這一領域的研究進展很快，本文僅就燃氣管道基于硬件的泄漏檢測技術方法以及發展趨勢進行分析。

    2 管道泄漏檢測技術現狀

    2.1 電纜檢漏法

    沿管道鋪設特殊的電纜，當泄漏物質滲入到電纜里時，電纜的相關屬性發生變化，從而實現泄漏的檢測和定位。目前常用的電纜有油溶性電纜、滲透性電纜、分布式傳感器電纜 3 種 。該類方法檢測靈敏度非常高，尤其對較小和緩慢的管道泄漏或滲漏具有良好的檢測效果，而且不受管道運行參數和環境噪聲的影響。但是電纜造價昂貴，施工費用高。另外，被泄漏污染的電纜應及時更換，其維修和維護工作量較大。

    2.2 放射物檢測法

    1955 年美國開發了用于輸油管道泄漏檢測的放射物檢測法，該方法主要通過向輸送介質中添加放射性標記物，如果管道發生泄漏，在管道沿線地面就可以檢測出放射性標記物，并可以迅速確定管道發生泄漏的位置。所用的放射性標記物有溴 － 82、碘 －131、鈉 － 24 等。前蘇聯、法國、丹麥、印度、日本等國家相繼采用該項技術進行管道泄漏檢測。該檢測方式檢測范圍涉及到油管道、氣管道。

    2.3 管壁參數檢測法

    這種方法通過檢測管壁缺陷來判斷是否有泄漏，通常將管內探測器從被檢測管道的一端放入，使其沿著管道行走，檢測管道內壁的腐蝕情況、缺陷以及焊縫的狀況等。一般此方法能夠獲得較詳細的整條管道的質量信息，為是否需要大修提供技術依據。其缺點是設備昂貴，對管道要求高，檢測費用高昂，無法做到實時連續監測。目前國際上常用的管壁參數檢測法有漏磁通檢測法、超聲波檢測法、照相檢測法和錄像檢測法。

    ① 漏磁通檢測法

    管道為鐵磁性材料，直接將電磁鐵置于管道內部，在外加磁場的作用下管壁被磁化，當材料中無缺陷時，磁感應線絕大部分通過管壁，此時磁感應線分布均勻。如果管道表面及近表面存在裂紋等缺陷，由于管壁缺陷處的磁阻增大，從而使通過該區域的磁場發生畸變，磁感應線發生彎曲，一部分磁感應線泄漏出管道表面，在缺陷部位形成泄漏磁場。采用磁敏感元件對缺陷漏磁場進行檢測，并將磁信號轉換成電信號，對電信號進行進一步的處理，就可以得到缺陷的狀況。漏磁通檢測法結構簡單，信號處理方便，但檢測精度略低。

    ② 超聲波檢測法

    超聲波檢測器垂直于管道壁發出一組超聲波脈沖，當管壁有缺陷時，增加了超聲波脈沖的傳播距離，檢測器探頭首先接收到由管壁內表面反射的回波（前波），隨后接收到由管壁缺陷處反射的回波（缺陷波或底波）。探頭至管壁內表面的距離與管壁厚度，可以通過前波時間以及前波和缺陷波（底波）的時間差來確定。根據測定管壁的厚度，可以檢測出管壁的腐蝕和穿孔。超聲波檢測法檢測精度較高，但對輸送介質比較敏感。

    ③ 照相檢測法和錄像檢測法

    此種方法直接將整套照相或錄像設備安裝在管內探測器內，利用流體壓力的驅動，使探測器沿管道在管內行走，同時拍攝管道內壁圖像或對管道內壁進行錄像。這種方法要求管道內的輸送流體透明，因而適用于檢測天然氣、某些成品油管道內壁的缺陷，該方法不適用于輸送能見度較差介質（如原油、煤漿等）管道的檢測。

    2.4 光纖傳感檢測方法

    在輸送管道敷設的同時鋪設一條或幾條光纖，利用光纖作為傳感器，采集管道周圍的壓力、溫度等信號，傳送給中心服務器，通過對信號的分析和處理，對管道泄漏進行判斷和準確定位  。光纖檢測法具有抗干擾性強，信號傳輸方便，靈敏度高，電絕緣性好，化學穩定性好等優點。基于光纖的泄漏檢測技術又分成以下 4 種。

    ① 基于 OTDR 技術的方法

   光時域反射（Optical Time Domain Reflectome-ter，OTDR）技術，通過檢測光纖中產生的背向瑞利散射和菲涅爾反射信號來判斷光纖的故障點，主要應用于光纜的故障、光纖的長度、光纖的損耗以及光纖接頭損耗等檢測。

    該方法用于對油氣管道安全監測時，需在被監測管道的上方沿管道同溝鋪設一條傳感光纖，不斷地向光纖中發射具有一定功率的光脈沖波。當油氣管道沿線存在泄漏或人為破壞等引起的振動信號對附近的光纖施加應力時，使傳感光纖發生大的彎曲或斷裂，背向散射光將在該處發生散射或端面反射，OTDR 技術可測得這些變化。利用這一特性，可通過對光纖輸出光功率頻譜的分析，判定油氣管道是否有泄漏等事件的發生。該方法獲得光纖上各點的損耗特征、障礙點位置和光纖長度，即可確定管道泄漏的位置。

    ② 光纖溫度傳感器方法

    如果管道輸送的天然氣、原油等溫度較高，一旦流體泄漏就會引起周圍環境溫度的變化。通過分布式光纖溫度傳感器可連續測量沿管道的溫度分布情況，即可檢測出管道沿途泄漏的情況。

    分布式光纖 Raman 背向散射溫度測量系統是用于實時測量空間溫度場分布的傳感系統。在該檢測系統中，光纖既是傳輸媒體也是傳感媒體。利用光纖反 Stokes Raman 背向散射的溫度效應，光纖所處空間各點溫度場調制了光纖中傳輸的光載波，經解調將空間溫度場的信息實時顯示出來。英國York Sensors Limited 是國際上首家開發光纖分布式測溫系統并使之商品化的公司，已經有 20 多年的歷史，并一直在該技術領域中保持國際領先地位。目前，該公司的產品可以對沿光纖傳輸路徑上長達幾十千米的管道進行檢測，其空間分辨率可以達到 ±1m 以內，溫度分辨率在 ± 1 ℃ 以內。由于加熱輸送管道周圍環境會形成一個溫度場，微小的泄漏產生的溫度變化不明顯，因而基于 Raman 背向散射溫度測量系統光纖檢漏方法不能檢出微小的泄漏。

    ③ 基于 Sagnac 光纖干涉儀原理的方法

    1991 年 Kurmer 等人開發了基于 Sagnac 光纖干涉儀原理的管道流體泄漏檢測定位系統 ［3］ 。該檢測系統將一固定光纖回路置于管道內作為檢測泄漏信號的傳感元件。當管道發生泄漏時所產生的泄漏噪聲會對泄漏點處的光纖產生擾動，導致兩束傳輸光波相位發生變化，兩束光波相位差的大小與泄漏點位置、泄漏噪聲引起光波相位變化速率成比例，利用這一基礎就可以實現對泄漏點進行定位。該檢測方法進行管道泄漏檢測時，管道內的壓力大小、泄漏量的大小、泄漏點的位置和光纖環的長度等因素都會影響測量的準確度。實際應用中可以針對具體的管道優化光纖環的尺寸，并對單模光纖做進一步的增敏處理，可以有效地提高泄漏檢測的靈敏度和定位的準確度。由于該檢測方法須將光纖設置在管道內，因而無法對檢測光纖進行維修和維護，同時也給管道施工帶來一定的困難。

    ④ 基于準分布式光纖光柵的方法

    光纖光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）傳感器基于波長調制技術，將被測應變和溫度的變化轉化為光柵中 Bragg 波長的變化，通過解調得知被測參量的信息。它是一種點式準分布測量技術，該技術利用 FBG 作為傳感器，平行鋪設在天然氣管道附近，拾取管道由于泄漏、附近機械施工和人為破壞等事件產生的壓力和振動信號，通過匹配光柵法和自動識別技術檢測管道泄漏并進行定位 。它具有測量精度高、長期穩定性好、傳輸距離遠、數據采集實時性好、抗電磁干擾、本質防爆等優點。

    3 管道泄漏檢測技術發展趨勢

    隨著燃氣管道工業的不斷發展，燃氣管道泄漏檢測技術也在不斷提高。研制和開發新型高效的燃氣管道泄漏檢測系統可以有效地提高泄漏檢測及定位的靈敏度、精確度和可靠性，其經濟效益和社會效益決定這一難點技術仍將是研究的熱點。事實上近10 年來，燃氣管道泄漏檢測技術不僅繼續在理論、模型方面探索，更朝著工程實踐、實用技術方向發展，預計今后該領域的發展趨勢如下。

    ① 注重實時泄漏檢測技術、方法的研究。燃氣管道全天候運行，覆蓋范圍大，遍及城鎮居民居住地，任何間歇式檢測或階段性檢查、評估都無法保證檢測后不出現泄漏事故。可靠的實時泄漏檢測技術是管道高效運行、并且能夠在第一時間發現泄漏事故的可靠保證。

    ② 科技進步為泄漏檢測技術提供更多的先進手段。如光纖技術近年來發展很快，成本降低，應用面拓寬，基于光纖的各種管道泄漏檢測及定位技術有很大的應用空間。如：基于 OTDR 技術的連續光纖應變傳感系統被用于監測鋪設在北極的管線在冰融時的沉降情況。將 OTDR 分布式光纖傳感技術應用在海底管道監測上［11］ ，通過對應變數據的分析，根據海底管道自振頻率規律反推海底管道的長度，以監測管道的安全狀況。

    ③ 燃氣管網智能化目標將有利于管道泄漏技術的發展。由于信息、通信以及控制等相關技術的發展，城鎮電網、燃氣管網以及供熱、供水、交通等都將實現智能化控制與管理，這決定了基于智能化發展平臺的管道泄漏檢測技術是很有前途的。

    ④ 目前基于硬件的泄漏檢測技術發展很快，并顯現出良好的勢頭和許多優勢，同時也帶來新的理論問題需要研究，而且都或多或少地與管道水力研究相關聯，同時各種方法都有不同的適應性和局限性。如果再考慮到管道內氣、液不同介質的差異，那么泄漏檢測技術無疑是非常廣泛、復雜的研究領域，必然是多學科的交叉技術。

    作者簡介：

    李佩銘（1983 － ），女，四川瀘州人，工程師，碩士，從事液化天然氣技術管理工作。