摘 要 本文论述了在用埋地管道腐蚀评价检测、位置走向勘测和泄漏检测监测技术的检测需求、技术特点、应用情况、发展建议等
1 概述
埋地压力管道主要用于燃油、燃气、蒸汽和工业用危险介质的输送，是城市发展、能源供应、石油化工的基础设施和人民生活的基础条件，人们形象地称之为“城市生命线”。在用埋地管道的检验检测是保证“城市生命线”安全运行、延长“城市生命线”使用寿命的基本措施。近年来，中国特种设备检测研究中心对国内外埋地管道检测技术发展和应用情况，进行了系统性调研，分析了国内外差距，提出了发展方向，为研究制定埋地管道安全科技发展规划奠定了坚实基础。下面按照腐蚀评价检测技术、位置走向勘测技术和泄漏检测监测技术三个方面，对检测需求、技术特点、应用情况、发展建议等进行概括性论述。
2 腐蚀评价检测技术
腐蚀评价检测是定期检验的核心。为了对埋地钢质管道进行腐蚀评价，需要进行的检测包括：外覆盖层检测、阴保效果检测、腐蚀环境调查、管道本体腐蚀检测等。
2.1 外覆盖层检测
目前，我国埋地钢质管道的外覆盖层以石油沥青玻璃布、环氧煤沥青为主，也有聚乙稀（PE）胶带、夹克和二层、三层PE等，石油沥青玻璃布施工麻烦、质量难以保证，而且存在环境污染，环氧煤沥青固化时间较长（低温时更长），质量同样难以保证。PE类外覆盖层克服了沥青类外覆盖层的缺点，但价格高于沥青类，是近来推荐使用的外覆盖层。
国内外现有外覆盖层检测方法归纳起来有：Pearson法、交流电流衰减法、直流电位梯度法（DCVG）、管中电流电压法(也称直流电流电压法)、变频-选频法和密间隔电位法（CIPS）等6种方法。其中：Pearson法、交流电流衰减法、直流电位梯度法（DCVG）等3种方法主要用于检测外覆盖层破损点，管中电流电压法(也称直流电流电压法)、变频-选频法等2种方法主要用于检测外覆盖层绝缘电阻，密间隔电位法（CIPS）则是通过检测管道保护电位来间接评价外覆盖层状况。这6种方法皆通过向管道施加一额定交/直流电信号，或借助管道的阴保电信号，并在管道正上方检测信号的变化情况，进而分析评判管道外覆盖层的状况。原理和特点见表1。
表1 埋地钢质管道外覆盖层检测方法原理特点一览表
方法名称 检测原理 特点 应用情况
Pearson法 对管道施加交流电信号，通过沿线检测交流电位梯度，当电位梯度大于某值时，判定对应部位有破损 破损点定位精度和检测效率取决于检测间隔距离的大小，不能判断破损程度和剥离，检测结果的准确性取决于操作者的经验。 国内外已普遍应用，国产设备性能良好（检测深度大于5米），适合于城市埋地管道外覆盖层破损点检测。
交流电流衰减法
PCM
C-SCAN 对管道施加交流电信号，通沿线检测交流电位梯度，判断破损点位置，通过检测沿线电流，推算绝缘电阻。 破损点定位精度和检测效率取决于检测间隔距离的大小，不能判断破损程度和剥离，易受外界电流的干扰。 PCM国内外都已普遍应用，国内拥有C-SCAN的检验单位很少，无国产设备，PCM适用于长输管道、C-SCAN适用于城市埋地管道的检测。
直流电位梯度法
DCVG 借助管道阴保电流，通过沿线测量电位梯度，分析电位梯度场的形状,判断破损点的位置、估算破损点面积和形状等 不受交流电干扰，不需拖拉电缆，受地貌影响小，操作简单，受训练最少，准确度高，但不能判断剥离。 在我国的应用属于起步阶段，只有个别检验单位拥有此法检测能力，无国产设备。
管中电流电压法 通过测量阴保电流的衰减和电位偏移，来计算外覆盖层绝缘电阻。 易受到客观条件（如：杂散电流干扰、测试桩设置等）的制约。 适合于人员与车辆较少的野外或郊区等易于开挖地段埋地管道的检测，不适合于城市埋地管道的检测。
变频—选频法 向管道发射一设定频率的电信号，接受其响应频率，通过频率差值计算得到外覆盖层绝缘电阻 具有一定的实用性，能快速普查整条管道外覆盖层绝缘电阻，但影响因素多，误差较大。 此方法由我国提出和建立，国外未见应用报道，国内对此方法也有争议，基本不适合于城市埋地管道的检测。
密间隔电位法
CIPS 通过检测阴保电位沿管道（一般每隔1-5米测量一个点）的变化大小来判断外覆盖层状况好坏，变化小状况好、变化大状况差。 可给出缺陷位置、大小、和严重程度，同时给出阴保效果和欠保护部位（此部位管道本体可能已发生腐蚀） 在我国的应用属于起步阶段，只有个别检验单位拥有此项检测能力，无国产设备。
上述方法都无法检出外覆盖层的剥离，而剥离对于发展前景很好的PE外覆盖层来说是最主要的危害性缺陷，应研究探讨外覆盖层剥离缺陷的检测技术和方法。
上述方法所用设备，多为进口设备，其中的C-SCAN、DCVG和CIPS等新型检测设备价格昂贵，应尽快安排国产化。
上述方法中的Pearson法和交流电流衰减法也常用于管道位置、走向的勘测。
2.2 阴保效果检测
为了延长埋地钢质管道的使用寿命、保证安全运行，一般都采取外覆盖层加阴极保护的联合保护方式，外覆盖层是最重要的第一道保护，但外覆盖层漏点难以避免，必需辅以阴极保护。
阴保效果的评价准则全世界通用（即通常情况下，阴保电位≤-850mV 有效，-1250mV时过保护，＞-850mV 失效），要想准确评价阴保效果，关键是阴保电位的测试方法要能够消除或减少IR降的影响。具有工程适用性的阴保电位测试方法主要有地表参比法和近参比法，这两种方法都离不开预设的测试桩。密间隔电位法（CIPS）是一种能够检测管道沿线阴保电位分布的新方法，配合中断器的使用，还可检测到消除了由土壤产生的IR降的阴保电位。
我国标准中给出的地表参比法和近参比法，由于没有如何考虑IR降的统一方法，一般检测人员都不考虑IR降的影响，因此阴保效果评价的实际意义并不大，应尽快根据十五攻关研究成果对标准进行补充完善。对于密间隔电位法（CIPS）我国尚处于应用的起步阶段，由于价格昂贵，只有个别检验单位拥有此设备，应尽快安排国产化。
2.3 腐蚀环境调查
当腐蚀防护系统失效时，应进行腐蚀环境调查。
腐蚀环境调查包括：管道沿线周围环境变化（主要是电缆接地点、构筑物等的变化）的调查、土壤电阻率的测定、杂散电流的测定。我国已有相应标准给出了土壤电阻率和杂散电流的工程测定方法。近年来，国外开发的杂散电流测绘仪（SCM），智能化程度高，可以沿着管道检测出管线上方直流干扰杂散电流的大小和方向，发现干扰源、确定管道上杂散电流的流入点和流出点，对于排除直流干扰、预防腐蚀泄漏很有意义。应该开展应用研究和设备国产化工作。
2.4 管道本体腐蚀检测
管道本体腐蚀检测包括：管道腐蚀率检测和管道本体腐蚀状况检测。
关于管道腐蚀率检测，美国已经开发出了适用于现场腐蚀速率快速检测的仪器，其核心技术是高灵敏极化电阻探头和大量的腐蚀数据，原理是通过现场检测工况条件下金属的极化电阻值，借助已有腐蚀数据，推算出工况条件下的腐蚀速率。该技术如果确实可行，对解决我国普遍缺乏、而工程检验中又非常需要的腐蚀速率数据问题，意义重大。应尽快开展应用研究。
对于管道本体腐蚀状况检测，目前有应用报道和检测设备的方法主要有适用于内检测的漏磁通检测法、超声波检测法和适用于局部开挖检测的低频超声导波法。
漏磁通检测器的励磁部分为永久磁铁，其N、S两极与管道内壁接触，在管壁内产生磁路。传感器装在两磁极之间，检测线圈接收由管壁缺陷造成的漏磁，用来反应管壁状况。适用于腐蚀深度为20～30%壁厚的腐蚀状况检测，通过对管壁的描述可以用来判断管道是否会发生泄漏。该方法要求传感器与管壁紧密接触，由于焊缝等因素的影响，管壁凹凸不平，使上述要求有时难于达到。此类检测设备价格昂贵，检测费用也较高。国内中国石油天然气管道局组织研制了多种口径的管内检测器，可以满足国内大多数长输管道内腐蚀的检测要求。
超声波检测法利用超声波探头发射超声波，根据管道内外壁反射波的时间差来检测壁厚及腐蚀情况。由于从发射器到管壁之间需要均相液体作为声波传播媒介，所以用于天然气管道时，需要在一个液体段（通常为凝胶）的两端运行两个常规清管器，超声波检测器放入液体段中运行。日本钢管株式会社（NKK）研制的超声波检测清管器能再现管道壁厚和管道内壁表面的图象，探测焊缝腐蚀，检测腐蚀深度为管壁厚度的10%。该公司研制的不需要耦合剂（即能用于天然气管线）的轮式干耦合超声波检测器，试验中取得了满意效果，目前正在开发可用于长距离天然气管道的检测器。
低频超声导波法通过自动发射、接受和分析低频超声沿被测管道传播过程的反射信号，来测定管道截面损失程度。此方法对于“截面损失率＞9%”的腐蚀检出率为100%，对于“9%＜截面损失率＜3%” 的腐蚀视具体情况检出率不等。开挖一点的一次检测长度分别为：±100M（清洁、装满液体和带环氧涂层管道）、±35M（严重腐蚀管道）、±15M（带沥青涂层管道），对于埋地管道一次检测长度会有所缩短。腐蚀部位定位精度为±100mm。
对于城市埋地燃气管道来说，由于检测设备进出口的设置、探头与管壁的接触、偶合等问题，目前开展内检测的可行性很小。因此，低频超声导波法的应用显得更加必要和紧迫，应尽快安排应用研究。
3 位置走向勘测技术
我国城市埋地燃气管道的使用年数，钢质和球墨铸铁管道的多在20年之内，灰口铸铁管道多在10～30年之间，PE管多在10年之内。这些管道的位置多以道路名、建筑物名进行标识，改革开放以来，城市建设和改造速度发展很快，很多道路、建筑物发生了翻天覆地的变化。因此，埋地管道（尤其是老管道）的位置、走向、埋深等的检测和重新标识，建立埋地管道地理信息系统，是政府安全监察和企业安全管理的共同需求。
位置走向勘测技术除上面提到的Pearson法和交流电流衰减法外，还有电磁波检测法，也称之为雷达探测法。
雷达探测法是向地下发射特定频率的电磁波，并在路面接收其反射回波，根据电磁波的传播速度和从天线到目标物的双程走时，确定目标物的深度；根据同一深度地层中连续成线性出现的反射信号，确定目标管线。此法是一种非侵入式的探测方法，对地面和地下设施没有破坏性，适用于金属和非金属管道的探测。但探测过程复杂、效率较低，由于其它物体的反射有时比目标管线反射还要强，所以对信号识别技术要求较高。
以这两种技术为基础的检测设备，国内外都有一些产品，但专门针对探测管道的设备并不多，国内几乎是空白，国外销售此类设备的公司也只有几家，尤其是能够提供信号识别能力强、检测准确性高的设备的公司更是寥寥无几。
4 泄漏检测监测技术
泄漏的检测、监测，对于保证输送燃油、燃气和工业用危险介质的埋地管道的安全至关重要。
4.1 泄漏检测技术
泄漏检测一般采用移动式的仪器设备进行，一种是进行定期检验发现已经产生泄漏的部位和有可能产生泄漏的部位，另一种是管道已发生泄漏，采用泄漏检测仪器发现管道的泄漏点（一般从管道的外表面进），以进行准确开挖和采取堵漏措施。根据检测时设备的所处位置，泄漏检测技术可分为外检测和内检测两类。
○ 外检测技术主要有嗅敏仪法、音波法、机载红外线法、激光扫描泄漏检测技术
“嗅敏仪法”是利用各种可燃性气体传感器（半导体、催化燃烧式（抗中毒型）、热传导式和红外式等传感器）制成嗅敏仪在阀井管沟等部位直接探测，或利用火焰等离子检测(FID)或光学探测原理(OMD)制造便携式或车载式检测仪进行路面检测。此法是我国燃气企业目前普遍采用的燃气泄漏检测法，一般通过此法发现燃气泄漏后，进一步借助其它方法寻找泄漏点，然后进行堵漏抢修。由于发现泄漏气体的位置往往不在泄漏点上方，而是距泄漏点几百米，甚至上千米的地方，所以泄漏点部位的检测效率和准确性对于及时发现泄漏点、采取堵漏措施极为重要，也是燃气企业面临的难点问题。我国在此方面普遍采用的方法是，探测管道位置走向、沿线路面打孔、检测甲烷浓度、逐渐逼近高浓度部位。检测效率是可想而知的。
声波法的工作原理是，流体穿过管壁漏孔外泄时，会激发沿管道壁传输的声信号，贴装在管道外壁的音波传感器监测泄漏声信号的大小和位置。没有泄漏发生时，声波传感器获得的是背景噪声信号，当有泄漏发生时，产生的低频泄漏声信号容易从存储的背景噪声中区别出来和处理。该方法用于地埋管道的泄漏检测时，可用一个钢制的杆状波导，一端深入地下和管道外壁接触，另一端贴装声发射传感器，即可进行管道泄漏的检测。其优点是成本低，环境适应性强，而且不仅可以随时对埋地管道进行检测，如安装上固定传感器也可以实现监测。其缺点是检测距离有限，不适用长输管道。声波检漏系统根据通道数（传感器数目）确定价格，传感器布置间距为100到300米，每通道约3千美元。如果视情况以100～300米为间隔布上声发射探头，便可实现泄漏点的快速精确定位。
机载红外线法是近年由美国OILTON公司开发的，此法利用直升机吊装的一部精密红外摄像机沿管道飞行，通过红外摄像，将其结果进行光谱分析，可以确定管道的泄漏位置。这种方法可用于长管道的泄漏检测，但检测结果受周围环境的影响较大，对环境要求较高。
激光扫描泄漏检测法是前苏联天然气自动化设计部门开发出在的一种泄漏检测方法，载有激光甲烷气体分析仪的直升飞机沿输气管线飞行，向输气管线发射激光束沿输气管道扫描，激光束经地面反射到直升飞机上的激光甲烷气体分析仪上，当输气管道发生泄漏并在管道上方形成甲烷云团时，甲烷云团会吸收激光束某一频域的谱线，造成反射回波，激光甲烷气体分析仪根据该频域光谱的衰减程度判定是否有燃气泄漏，当该频域谱线的衰减超过一定阈值时，激光甲烷分析仪的指示器发出泄漏报警信号。该方法可以检测出较小的管道泄漏，但受环境和气候的影响，该方法的使用受到很大限制。
○ 内检测技术
内检测技术主要有：漏磁通检测法、超声波检测法，其原理和特点已在本文“2.4 管道本体腐蚀检测”中予以说明，在此不再重复，内检测的目的是预防管道的腐蚀泄漏。
4.2 泄漏监测技术
埋地管道泄漏监测主要是对燃气管道从不漏到突然发生泄漏这样一个新生过程的监测，一般采用固定的装置实时监测，一旦发生泄漏立即报警，使有关人员能够进行及时处理。根据传感器安装在管道的具体部位，泄漏监测技术可分为外监测和内监测两类。
○ 外监测技术
外监测技术主要有：气体敏感法、光纤敏感探测器法、电缆传感法和封入气体压力法等4种方法。其原理和特点见表2。
表2 外监测技术原理特点一览表
方法名称 检测原理 特点
气体敏感法 当挥发或泄漏的介质侵入周围土壤的空隙中时，放置在土壤中的气体采集器会收集到这些气体，示踪剂或化学指示剂会给出提示，进而进行泄漏报警和漏点定位。 泄漏报警准确，精度高，漏点定位准确，能发现微小渗漏，需要沿管道密布气体采集器，成本高
光纤敏感探测器法 将光纤敏感探测器埋设在管道附近，当接触到泄漏的碳氢化合物时，对碳氢化合物敏感的传感器外层的折射率会发生变化，从而引起光信号变化。该方法报警灵敏度有百万分之一，可以检测到极其微小的泄漏。 不受电磁干扰，因此测试灵敏度高，但易产生误报警。
电缆传感法 检测电缆埋设在管道附近，当接触到泄漏的碳氢化合物时，对碳氢化合物敏感的电缆阻抗会发生变化，从而在漏点处发射电缆中传输的脉冲信号，微处理器接收到反射的泄漏信号，会给出泄漏报警和漏点定位。 漏点定位精度高、不需改造已有管道、软件的设置和维护简单，但成本高
封入气体压力检测法 在双层管的两管间隙内密封一定压力的氮气，内管泄漏时，氮气压力上升；而外管泄漏时，氮气压力下降，由此即可检漏。如果双层管较长，可利用两隔开管段间的压力差检漏。 只能用于少量的双层管段，应用范围较小
○ 内监测技术
内监测技术主要有：流量平衡法、负压波检测法、声波法、基于实时模型（RTM）和监控与数据采集（SCADA）法、密封加压法等5种方法。其原理和特点见表3。
表3 内检测技术原理特点一览表
检测方法 工作原理 特点
流量平衡法 测量一段管道入口端与出口端的流量差。如果发生泄漏则流量差>流量测量误差范围与流量变化率之和 需在管段两端加装流量和压力传感器，可以发现微小泄漏
负压波检测法 当介质穿过管壁漏孔外泄时，漏点处的压力会突然减小，形成低压膨胀波（负压波），几毫秒后漏点处的压力又会回升，达到泄漏状态下平衡稳定压力。而形成的低压膨胀波从泄漏点以声速分别向上下游传播。安装在管道两端的压力传感器检测该负压波，利用传感器接收到负压波的时间差和已知的负压波声速就可以进行漏点定位。 适用长输管道，泄漏率大时泄漏定位精度和灵敏度高，不适用微小泄漏和渗漏
声波法 当管壁破裂时，管内流体瞬间自洞孔喷出，管内外压力差将会产生特定频率声波讯号，此讯号会沿上、下游的管线传送，利用声波讯号到达安装在管壁的声发射传感器的时间差，计算出泄漏点位置。 需将声发射传感器按一定间隔加装在管壁上，可快速发现泄漏位置，价格昂贵
基于实时模型和现代数据传输技术法 基于工况参数（流量、压力、温度）、管道参数（长度、直径、厚度）和介质参数（密度、粘度），利用动量守恒、能量守恒和大量的流体方程建立管道工作模型。将测量数据和预制的管道工作模型比较即可确定漏点的位置和尺寸。现代数据传输技术具有管道参数的监视、处理、传输和显示的综合功能，各数据分站将收集到的数据通过微波、卫星或电缆传给总站，由总站对数据进行存储、处理和显示 泄漏报警准确，漏点定位精度高，并能区分系统故障和干扰，要求管道模型准确，运算量大，对仪表要求高，成本高。
密封加压法 检测时先对管道密封加压，然后长时间连续检测压力，看压力是否出现压力缓慢下降的现象，如有下降则说明管道有泄漏。 简单易行，检测时间长，难以确定泄漏点位置，对于突发事故不适用。
4.3 国内外技术比较
上述泄漏检测监测技术，除嗅敏仪法属成熟技术，国内外无明显差距外，其它各种方法国内外差距很大。总体上来讲，工业发达国家在泄漏检测监测技术方面能够做到与社会新技术发展的同步发展，上述检测监测技术皆由工业发达国家首先开发和应用，而且各种方法皆有应用实例。
埋地管道泄漏检测监测技术的研发，我国起步于20世纪90年代中期，在原油成品油长输管道泄漏监测监测技术开发和应用方面，我国积累了一定经验，也有一些产品。如：天津大学精仪学院与管道局科技处以及新乡输油公司合作研制了“原油长输管道泄漏自动监测系统”，完成了我国第一套现场实际应用的管道泄漏检测系统，该系统（一个站间距约为60km）在国内的售价一般为25万元（人民币），是国外公司同类产品售价的1/8。在燃气管道泄漏检测监测技术开发和应用方面，我国也积累了少量经验，但尚无具有工程实用价值的产品问世。如：中国特种设备检测研究中心与清华大学合作，于2000年研制了工业压力管道声发射泄漏检测仪，但该技术只能对50m长的管道进行泄漏检测，对埋地管道只能检测10m长的距离。2000—2003年中国特种设备检测研究中心对国内外燃气泄漏检测技术开展了比较研究，探讨了我国燃气管道泄漏监测的可行技术路线。
5 结束语
总体上来说，我国在用埋地管道检测监测的技术水平和能力，还远不能满足埋地管道安全的需要，与工业发达国家存在较大差距。埋地管道安全科技工作者未来几年的主要任务是赶上工业发达国家的水平，并形成具有一定规模的检验能力，提高事故预防能力。
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