4-油气管道泄漏监测技术简介

油气管道的在线检测与 泄漏检测技术简介

中国石油大学储运工程系 安家荣

一、泄漏产生的原因及危害

管道运输是五大运输方式之一(铁路、公路、水运、 空运、管道),是石油和天然气产品的主要运输方式， 是国家的能源动脉，因此，安全是油气管道的生命。 泄漏是影响油气管道安全的主要因素。管道的腐蚀穿 孔、突发性的自然灾害(如地震、滑坡、河流冲刷)以及 人为破坏等都会造成管道泄漏乃至破裂，威胁到长输 管道的安全运行。

按损失程度的不同，泄漏可分为小漏(低于正常流量的3%)、中漏 (在正常流量的3%~10%以内)、和大漏(超过正常流量的10%)三 种。 产生泄漏的原因可能千差万别。例如，小漏(或称为“砂眼”)通 常发生于管道金属被周围介质腐蚀破坏时。埋地管线由于受土壤 中电化学过程的作用，金属逐渐受到破坏，导致管壁上出现锈点 和蜂窝，逐渐扩展到管道的全部壁厚。在土壤腐蚀的情况下，管 壁穿孔速度可达6~7mm/年。发生泄漏的原因还可能是在管道施 工过程中管道金属受到损伤，而在试压时又未能及时发现，这些 呈小裂纹状的损伤在管线内外压力的作用下逐渐发展，从而导致 出现砂眼或破裂。管线的工作压力过高，产生水击压力波，也可 能使管线超压造成金属损伤和破裂。

我国有大部分油气管道的运行时间已超过二十年，管道强度和 涂层完整性都已进入危险期，整个油田管网已进入事故高发期， 据统计，我国油田管道穿孔率为0.66次/(km.a)左右。近年来，由 于原油价格上涨，国内不法分子受利益驱动疯狂地在输油管道 上打孔盗油，严重干扰了正常的输油生产，给油田造成了巨大 的经济损失。例如，胜利油田油气集输公司仅在1999年10月一 个月内就发生盗油破坏泄漏点13处，损失原油数千吨，直接经 济损失200多万元。虽然采取了加大巡查力度，重奖举报考或发 现泄漏及时封堵等措施，但收效甚微。长距离输油管道盗油事 件也时有发生，且呈蔓延之势。例如中洛输油管道严重时每年 发生盗油泄漏事故达300余起之多，给管道造成了严重的经济损 失，同时造成了严重的环境污染。

泄漏产生的原因可归纳如下：⑴ 管道材质不良，由于材质开裂，存在砂眼； ⑵ 管道涂层损坏、脱落，造成管道腐蚀穿孔； ⑶ 管道接头、阀门安装不良造成泄漏； ⑷ 由于地下管道拥挤，在施工其他地下工程时而影响所致; ⑸ 由于高层建筑工程的重压，使地基下沉，致使管道开裂;

⑹ 由于地质构造原因使地基下沉，造成管道开裂(如地震、地 下水位下降等);⑺ 穿越公路的管道由于重载车辆的通行

而造成管道开裂；

⑻ 人为盗油，造成管道穿孔。

长输管道发生泄漏事故极其危险，因为除了损失油气产品之外，还 会酿成爆炸或火灾事故，严重威胁管道沿线国家和人民的生命财产 安全。另外，油气产品泄漏还会造成严重的环境污染，尤其是油品 流入土壤和河流的危害更大，会污染水土介质，造成灭绝动植物。 输油管道泄漏的污染面积可按下列经验公式估算：

S 53.5q 0.89式中：S—污染面积，m2 q—泄漏量，m3。 因此，在油气管道的运行管理中，及时发现管道泄漏并确定漏点位 臵，对于保证管道的安全运行、减少因泄漏造成的经济损失和对环 境的污染、防止爆炸和火灾事故的发生具有十分重要的意义。

二、管道的在线检测

管道在线检测是在不中断油气管道运行的条件下，用装有内 检测器的智能清管器(Smart pig)对管道的几何形状异常、金 属损失、各种裂纹等损伤或缺陷进行检测。

1、管道内检测器的类型 (1) 检测管道几何形状的通径检测器 最广泛使用的测径器是由伞架式曲柄连杆机构及若干个探头 组成的辐射架，探头上的位移传感器均匀地压在管壁上。

其主机的结构示意图如下图所示。

管道通径检测器主机示意图

管道内壁横截面上的凹陷、椭圆变形等将使探头偏移， 传感器捕捉到这些信号并将这些信号转换为电信号存储 到机载的存储器中。测径器上的里程轮记录运行的里程 数。通过地面的标志、跟踪系统，不但随时可以知道测 径器的位臵，还提高了里程数据的定位精度。将一次运 行的数据通过数据采集系统及处理系统，检测出管道几 何形状的异常，可以分辨出正常及变形的直管段、弯头、 环焊缝、凹陷、椭圆度以及阀门、法兰等。

通径检测器检测的目的是：一方面可以确定管道变形是 否影响其完整性；另一方面是检查变形程度是否满足通 过智能清管器的要求，否则可能会卡住内检测器。因此， 管道在线检测之前均要先运行通径检测器，并根据变形 情况对管道进行相应整改。 目前市场上供应的通径检测器的测径范围为100 mm~1 500 mm,其测径的灵敏度通常为管内壁直径的0.2~1%, 变形测量的精度在0.1%~2%。

(2) 漏磁(MFL)检测器 漏磁(Magnetic Flux Leakage ,MFL)技术因其可以检测出腐 蚀或擦伤造成的金属损失及很小的缺陷，应用较简单，可兼用 于油、气管道，结果有很高的可信度，因而得到广泛的应用。 钢管为铁磁性材料，在外加磁场作用下被磁化。材料无缺陷 时，磁力线绝大部分通过磁性材料且分布均匀；若材料表面或 靠近表面存在凹凸、裂纹等缺陷，由于缺陷中导磁率较小，使 通过该区

域的磁力线弯曲，部分磁力线泄漏出材料表面，在缺 陷部分形成泄漏磁场。用磁敏感元件对缺陷的泄漏磁场进行检 测，将漏磁信号转换为电信号，经过记录、放大、A/D转换、 储存、整理、分析，就可以得到缺陷的位臵、大小等信息。

一套完整的漏磁检测系统由检测器(管道中运行的智能检测 器)、调试分析系统(地面上的室外、室内部分)组成。MFL 检测器发送前需要进行标准化调试，运行中检测到的数据 需要处理分析，这些由地面上的调试分析系统完成。 一台273 mm管道的MFL检测器全长2590 mm,重238 kg, 探头32个。主要技术指标如下：最大工作压力10 MPa,工 作温度-5~55℃,连续检测长度380km,被检测管道壁厚 4~12 mm,通过的最小曲率半径1.5D×90°,测量灵敏度 0.35~7 mm,缺陷定位精度为两参考标记间距的1‰。下图 是管道MFL检测器主机的结构示意图。

管道MFL检测器主机示意图1一管壁；2一电池组；3一密封舱；4一漏磁检测仪；5一里程轮；6一弹簧；7一橡胶皮碗；8一电子元件；9一磁带记录仪

(3) 超声波检测器 超声波检测器主要是利用超声波的脉冲反射原理来测量管 壁厚度。探头发射的超声波脉冲达到管壁后，反射回来由 探头接收，根据接收时间间隔来检测管壁形状及厚度变化。 这种方法的检测原理简单，能够检测到各种裂纹和管材夹 杂等缺陷，能够对厚壁管道进行精确测量，并判别是管内 壁还是外壁的缺陷。其缺点是超声波在气体中衰减很快， 用于输气管道上需要耦合剂，才能更好地传输和接收超声 波信号。

超声波检测器主要由密封圈、里程轮、探头、超声仪器系 统、数据处理记录系统、电源等组成，其中超声仪、数据 记录仪、电源部分都装在密封舱内，以防与油气接触。 下图是一台φ720超声波检测器示意图。它全长6880 mm, 重l 935kg。主要技术指标：超声波探头数256个；测管壁厚 度范围7~12 mm,壁厚测量精度±0.5 mm;里程系统定位 精度±1.0 m;连续检测长度150 km;可以通过2.5D的弯头 和变形量13%D的管段。

φ720超声波检测器

2、管道内检测器的选择目前在油气管道内检测上应用最多的是漏磁式与超声波检测器，两种检测器的原理不同，因而在检测对象、检测范 围、检测结果及适用性上各有特点，有所不同。

两种检测方法中，漏磁法操作较简单，对检测环境要求不高， 检测费用低于超声波法。它可以检测出管壁各种缺陷，对检 测金属损失把握较大，但对于很浅、长而且窄的细小裂纹就 难以检测到。它的检测精度受到各种因素影响，壁厚越大， 精度越低，使用范围一般在壁厚12 mm以下。

超声波

检测则不同，它适于裂纹检测，且精度和臵信度高， 缺点是用于输气管时需要耦合剂，使其检测运行费用增加。 检测结果的准确性及稳定可靠性除了与检测器的分辨率、仪 器的机械、电子、计算机技术水平高低有关外，还与管道的 运行工况有关，如管道中流动不稳定、检测器的运行速度过 快或运动受阻等都会影响到测量结果。

检测的费用包括：管道检测准备费、检测费(包括检测器标 定及运行、数据分析及缺陷评价费)、开挖验证费、管道修 理费等。若检测器类型选择不当或检测器精度不高，因而 不能准确地确定管道缺陷尺寸，导致需要增加数据分析和 开挖验证的费用，可能使额外费用增加值超过检测本身的 花费。工程实践表明，采用高分辨率的检测器能对缺陷的 位臵、大小准确测定并合理评价，可以减少开挖工作量， 从而使总费用下降很多。

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