[0001] 本发明涉及输油气管道泄漏检测以及相关的气体成分取样和测量，特别针对在腐蚀性地质条件下的浅层直埋输油气管线的渗漏，如铁路内燃机车用燃料油库到加油站之间的输油气管线。

[0002] 目前国内各铁路公司所述机务段都有很多用于内燃机车的燃料油库。这些油库与与加油站之间的输油气管道大部分采用土壤直埋方式敷设。以某铁路公司为例，其油库埋地管道长度占比80％以上。这些管道典型公称管径为DN100，典型长度为2km左右，典型埋深在0.5m～1.0m之间。受当地土壤中腐蚀性成分的影响，输油气管道会形成点、点群、大面积腐蚀等现象，长时间的腐蚀使管壁变薄形成局部裂隙或微孔，导致油料渗漏。此外，由于诸如冻融等因素的影响，管道的应力变化会导致复杂的变形和位移，在综合因素的叠加作用下，一旦达到管材的强度极限，会导致管材失效产生裂缝或穿孔，发生管道泄漏事故。除了漏油损失造成的直接经济损失外(例如漏油损失、开挖寻找泄漏点位置和管道修复等人力物力消耗等)，油管泄漏的导致的其它后果有较长时间的不可逆转性，甚至是灾难性的，例如对被污染的土壤进行修复，需要消耗大量的投入和较长的修复时间。因此及早发现输油气管道因防腐层失效或其它原因造成管道破损后产生的渗漏或泄漏，并确定渗漏或泄漏点的位置，对安全生产和减少经济损失具有重要意义。

[0003] 燃油管道泄漏是石油储运行业中关注的焦点问题之一，目前已经研发出很多种检测方法和技术，依其技术原理可以分为以下几类：

[0004] 基于介质油气浓度的检测方法，1)检漏电缆法——其原理是沿管线埋设带有易被烃类(碳氢化合物)溶解的绝缘材料的两芯电缆。这种电缆与渗漏油接触就会发生阻抗变化，在管道一端通过对阻抗分布参数的测量处理就可确定管道状态及渗漏位置。另一种是沿管道铺设由隔水透油膜制成的同轴电缆，其阻抗特性对油气敏感。从电缆一端发射脉冲波，碰到被油浸透的电缆会反射脉冲，通过检测反射脉冲信号，可检测管道泄漏位置。

[0005] 2)气体取样法——以分子扩散原理为基础，沿管线敷设一根半渗透检测管(透油不透水)。如果这种检测管周围存在油蒸气，并达到一定浓度后，油蒸气将扩散到检测管中，气流带着蒸气通过检测管进入检测器，从而确定泄漏是否发生。如CN 2019107552405提供了一种油气泄漏防护装置及具有其的油气泄漏防护系统。

[0006] (1)基于声波的检测方法

[0007] 音频法——通过音频传感器对输油气管道进行检测，在发现存在泄漏音频信号时，沿管道选两个测量点，根据两个测量点音频频谱中两个频率分量的功率强度可计算出泄漏的位置。但由于无法规避背景噪声的影响，这种方法的精度难以保证。

[0008] 声信号分析法——在音频法的基础上，演变出对声波对信号进行频率域选择性处理，以提高对干扰噪声和管道系统共振抑制能力。声信号检漏法的精度很高，但不适用于有中间构件(如阀门或膨胀节)的管道。

[0009] (2)基于管道流量或压力的检测方法

[0010] 质量平衡法——其工作原理是根据管道进出口流量的差值来判定管道是否泄漏。在一段时间内，进出口流量的累计偏差大于某个阈值时，表明管道存在泄漏。该方法非常适用于连续输油气管道，但无法确定泄漏点的具体位置。

[0011] 压力梯度法——这种方法的原理是根据上游站和下游站的流量等参数，计算出相应的压力梯度，然后分别按上游站出站压力和下游站进站压力绘图，其交点就是理论的泄漏点。这种方法要求管道的流量、压力和温度测量精确，实际中已经很少采用。

[0012] 压力波检法——压力波检漏技术是发展中的新型检漏技术，这种技术以检测到的负压波为依据，当管道发生泄漏事故时，在泄漏处由于有物质损失，会引起局部密度减小，进而造成压力降低。而由于管道中流体不能立即改变流速，就会在泄漏处和其任一端流体之间产生压差，该压差引起液流自上而下流至泄漏处附近的低压区，在临近泄漏区域和其上、下游之间又产生新的压差，最终的结果是使低压波离开泄漏处沿管道上下传播。

[0013] 当输油气管道破裂发生泄漏时，会在管路上产生显著的声波、压力波和流量等参数的异变，可以采用基于声波的检测方法或基于管道流量或压力的检测方法来判定，而对于腐蚀造成的渗漏因其产生的声波、压力波和流量等参数变化较小，上述方法不再适用。

[0014] 因此，为及早发现油管渗漏，通过探测油管沿线介质中的油气浓度来判定是目前技术条件下的可行方案之一。

[0029] 下面将参照附图对本发明的具体实施方式进行说明。

[0030] 如图所示，图中有：在输油气管段沿线(P)每隔一段距离预埋入地面(G)以下的总线式TVOC气体取样探测器(1)，每个探测器之间通过供电总线(2)和通信总线(3)级联起来；供电总线和通信总线用气密套管(4)保护，总线的首端与具有总线通信、数据显示和存储功能的监测装置(5)连接，用于定期巡检获取每个取样探测器测得的TVOC浓度。

[0031] 总线式TVOC气体取样探测器(1)包括：具有底端锥形封头、上端预攻外丝、侧壁开多孔的多孔取样管(1‑1)、下部具有与多孔取样管尺寸适配的开孔和上部具有内螺纹和密封端面的测量腔(1‑2)、安装在测量腔内、套在多孔取样管上并固定在多孔取样管上端的下锁母片(1‑7)和上锁母片(1‑8)之间的环形气体TVOC浓度探测器(1‑3)、用于将测量腔中部的具有预攻外螺纹的进线管(1‑4)和出线管(1‑5)、测量腔端盖(1‑10)侧面预攻外丝与测量腔(1‑2)上部的内丝适配，上面阴刻内六方凹槽以便使用外六角扳手旋紧，安装在测量腔(1‑2)和端盖(1‑10)之间的密封垫片(1‑9)。位于级联末端的取样探测器的出线管(1‑5)，还连接一个内螺纹密封端盖(1‑6)。

[0032] TVOC气体取样探测器(1)内置的TVOC浓度探测器(1‑3)包括直径与测量腔内尺寸和内孔与多孔管外尺寸适配的电路板(1‑3‑1)，电路板上的TVOC气体浓度传感芯片(1‑3‑2)，用于温湿度补偿的温湿度一体传感器芯片(1‑3‑3)、主控单片机(1‑3‑4)、总线通信芯片(1‑3‑5)、电源稳定芯片(1‑3‑6)、4位(2位用于供电，2位用于通信)进线端子(1‑3‑7)和与之并联的4位(2位用于供电，2位用于通信)出线端子(1‑3‑8)。其中电源稳定芯片(1‑3‑6)从电源总线取电稳压后向其它各芯片供电；主控单片机(1‑3‑4)通过串行通信管脚与总线通信芯片(1‑3‑5)连接，通过GPIO管脚分别与TVOC气体浓度传感芯片(1‑3‑2)和用于温湿度补偿的温湿度一体传感器芯片(1‑3‑3)连接。

[0033] 监测装置(5)包括机箱(5‑1)、机箱内具有总线通信、数据显示、存储和导出功能的工业人机界面或工业电脑(5‑2)、电源适配器(5‑3)、可选配的通信接口转换器(5‑4)、与TOVC传感器对接的电源和总线端子(5‑6)和与市电对接的接线端子(5‑6)。

[0034] 硬件准备按照图1所示完成传感器埋设、供电和通信电缆连接之后，经过一段时间的地质修复期(典型时间为14天)，使土壤孔隙中的气体成分达到平衡。

[0035] 工作状态硬件准备完成后，将系统上电启动，各TVOC传感器开始循环采集数据(典型周期为1秒)，监测装置通过通信总线接口巡回检测各TVOC传感器的TVOC测量数据(典型周期为传感器数目乘以1秒)，并显示和存储。按照以下步骤实现TVOC监测报警：

[0036] 基线和方差校准——在系统初次启动后的第一个周期内(典型值为24小时)，获取每个TVOC传感器的浓度值Ci,j。其中i＝1,2,...M，j＝1,2,...N，M是系统中TVOC传感器的总数，N是在第一个周期内采集的数据个数。分别计算第一个周期内每个传感器的TVOC浓度均值 和均方根偏差 对每个TVOC传感器i，以其TVOC浓度均值 加3倍的均方根偏差为TVOC浓度报警上限Ci,alarm，即 根据数理统
计理论，这意味着正常情况下，99.7％的测量数据不会超过Ci,alarm。

[0037] 监测报警——经过第一个周期的基线和方差校准理后，系统进入正常监测，监测装置巡检每个TVOC传感器i的TVOC浓度均值Ci，若连续多次(典型次数为3次)出现Ci＞Ci,alarm时，则认为是异常数据，监测装置发出声光报警信息，并记录此时的测量值与均值的偏差

[0038] 泄漏点定位——当出现报警条件后，若某个或某些个孤立传感器i出现报警，则认为该传感器附近出现渗漏；若出现多个连续点出现报警条件，则认为测量值与均值的偏差最大的传感器附近出现渗漏。

[0039] 实施例：典型的实施方案之一如下所述。TOVC气体取样探测器(1)的测量腔(1‑2)采用304不锈钢管制造，典型公称尺寸为DN80～DN100mm，高度为80～100mm；多孔管(1‑1)采用公称尺寸DN20～DN25的304无缝钢管制造，典型长度与油管(P)的埋深相仿，一般在1000mm～1500mm之间，侧壁的多孔采用CNC工艺或激光加工，典型孔径为2～4mm之间，上部预攻外丝，外丝长度为20～30mm；密封垫片(1‑9)采用PTFE制造，典型厚度为2～3mm；测量腔的盖板(1‑10)采用厚度为8～10mm的304不锈钢板CNC加工制造；多孔管(1‑1)通过测量腔(1‑2)底部的孔插入到测量腔内，并将二者采用氩弧焊工艺在结合部满焊；测量腔(1‑2)的进线管(1‑4)与出线管(1‑5)可采用与多孔管相同规格的管材制造并预攻外丝，典型长度为
50面，外丝长度为15～20mm，末端传感器的内丝盖板(1‑6)、下锁母片(1‑7)和上锁母片(1‑
8)可参照多孔管(1‑1)的尺寸选配标准件。

[0040] 供电电缆(2)采用RVVP2×1.0国标电缆，通信电缆(3)采用RVST2×0.75双绞线，保护套管(4)采用与进线管(1‑4)和出线管(1‑5)的PE管及相应管件实现。

[0041] TVOC浓度探测器(1‑3)的电路板(1‑3‑1)采用1.5mm厚度的玻纤覆铜板制造，电路板上的TVOC气体浓度传感芯片(1‑3‑2)选用Sensiron公司的SCD30，用于温湿度补偿的温湿度一体传感器芯片(1‑3‑3)采用Sensiron公司的SHT30、主控单片机(1‑3‑4)选用Nuvoton公司的N76E003、总线通信芯片(1‑3‑5)采用美信公司的Max3485、电源稳定芯片(1‑3‑6)采用TI公司LM2596、进线端子(1‑3‑7)和出线端子(1‑3‑8)采用2EDGK2.54‑4P型连接器。

[0042] 电源稳定芯片(1‑3‑6)从电源总线取电稳压后向其它各芯片供电；主控单片机(1‑3‑4)通过串行通信管脚与总线通信芯片(1‑3‑5)连接，软件实现与监测装置之间采用modbus RTU协议通信；通过GPIO管脚分别与TVOC气体浓度传感芯片(1‑3‑2)和用于温湿度补偿的温湿度一体传感器芯片(1‑3‑3)连接并通过软件I2C通信实现数据采集。

[0043] 机箱(5‑1)采用钢制标准控制箱，典型尺寸为500×400×200mm、工业人机界面(5‑2)采用具有RS‑485串口的昆仑通态(MCGS)TPC‑1061工业人机界面,此时可省略可选配的通信接口转换器(5‑4)、电源适配器(5‑3)可采用鸿海220VAC/24VDC 10A的产品、与TOVC传感器对接的电源和总线端子(5‑6)采用2EDGK2.54‑4P连接器、与市电对接的接线端子(5‑6)采用TB1503型接线端子。

[0044] 典型的实施方案之二如下所述。TOVC气体取样探测器(1)的测量腔(1‑2)采用HDPE管制造，典型公称尺寸为DN80～DN100mm，高度为80～100mm；多孔管(1‑1)采用公称尺寸DN20～DN25的HDPE管制造，典型长度与油管(P)的埋深相仿，一般在1000mm～1500mm之间，侧壁的多孔采用CNC工艺加工，典型孔径为2～4mm之间，上部预攻外丝，外丝长度为20～30mm；密封垫片(1‑9)采用PTFE制造，典型厚度为2～3mm；测量腔的盖板(1‑10)采用厚度为8～10mm的HDPE板CNC加工制造；多孔管(1‑1)通过测量腔(1‑2)底部的孔插入到测量腔内，并将二者采用热熔焊工艺在结合部满焊；测量腔(1‑2)的进线管(1‑4)与出线管(1‑5)可采用与多孔管相同规格的管材制造并预攻外丝，典型长度为50面，外丝长度为15～20mm，末端传感器的内丝盖板(1‑6)、下锁母片(1‑7)和上锁母片(1‑8)可参照多孔管(1‑1)的尺寸选配标准件。

[0045] 供电电缆(2)采用RVVP2×1.0国标电缆，通信电缆(3)采用RVST2×0.75双绞线，保护套管(4)采用与进线管(1‑4)和出线管(1‑5)的PE管及相应管件实现。

[0046] TVOC浓度探测器(1‑3)的电路板(1‑3‑1)采用1.5mm厚度的玻纤覆铜板制造，电路板上的TVOC气体浓度传感芯片(1‑3‑2)选用Sensiron公司的SCD30，用于温湿度补偿的温湿度一体传感器芯片(1‑3‑3)采用Sensiron公司的SHT30、主控单片机(1‑3‑4)选用Nuvoton公司的N76E003、总线通信芯片(1‑3‑5)采用MicroChip公司的MCP2515+NXP公司的TJA1050以适应长距离的CAN总线通信、电源稳定芯片(1‑3‑6)采用TI公司LM2596、进线端子(1‑3‑7)和出线端子(1‑3‑8)采用2EDGK2.54‑4P型连接器。电源稳定芯片(1‑3‑6)从电源总线取电稳压后向其它各芯片供电；主控单片机(1‑3‑4)通过串行通信管脚与总线通信芯片(1‑3‑5)连接，软件实现与监测装置之间在CAN总线物理层协议的基础上，仍采用modbus RTU协议通信；通过GPIO管脚分别与TVOC气体浓度传感芯片(1‑3‑2)和用于温湿度补偿的温湿度一体传感器芯片(1‑3‑3)连接并通过软件I2C通信实现数据采集。

[0047] 机箱(5‑1)采用钢制标准控制箱，典型尺寸为500×400×200mm、工业人机界面(5‑2)采用具有RS‑485串口的昆仑通态(MCGS)TPC‑7062工业人机界面,可选配的通信接口转换器(5‑4)采用致远电子的CANCOM‑100IE+模组实现人机界面的RS‑485接口与TVOC传感器的CAN总线接口的信号转换、电源适配器(5‑3)可采用鸿海220VAC/24VDC 10A的产品、与TOVC传感器对接的电源和总线端子(5‑6)采用2EDGK2.54‑4P连接器、与市电对接的接线端子(5‑
6)采用TB1503型接线端子。

[0048] 典型的实施方案之三如下所述。TOVC气体取样探测器(1)的测量腔(1‑2)采用304不锈钢管制造，典型公称尺寸为DN80～DN100mm，高度为80～100mm；多孔管(1‑1)采用公称尺寸DN20～DN25的304无缝钢管制造，典型长度与油管(P)的埋深相仿，一般在1000mm～1500mm之间，侧壁的多孔采用CNC工艺或激光加工，典型孔径为2～4mm之间，上部预攻外丝，外丝长度为20～30mm；密封垫片(1‑9)采用PTFE制造，典型厚度为2～3mm；测量腔的盖板(1‑
10)采用厚度为8～10mm的304不锈钢板CNC加工制造；多孔管(1‑1)通过测量腔(1‑2)底部的孔插入到测量腔内，并将二者采用氩弧焊工艺在结合部满焊；测量腔(1‑2)的进线管(1‑4)与出线管(1‑5)可采用与多孔管相同规格的管材制造并预攻外丝，典型长度为50面，外丝长度为15～20mm，末端传感器的内丝盖板(1‑6)、下锁母片(1‑7)和上锁母片(1‑8)可参照多孔管(1‑1)的尺寸选配标准件。若干(2、3、4个均可)TOVC气体取样探测器(1)即多孔取样管直线排列，与油气管线成90°±45°。

[0049] 供电电缆(2)采用RVVP2×1.0国标电缆，通信电缆(3)采用RVST2×0.75双绞线，保护套管(4)采用与进线管(1‑4)和出线管(1‑5)的PE管及相应管件实现。

[0050] TVOC浓度探测器(1‑3)的电路板(1‑3‑1)采用1.5mm厚度的玻纤覆铜板制造，电路板上的TVOC气体浓度传感芯片(1‑3‑2)选用奥松公司的AGS10，用于温湿度补偿的温湿度一体传感器芯片(1‑3‑3)采用奥松公司的AHT20模组、主控单片机(1‑3‑4)选用ST公司的STM32F030F4P6、总线通信芯片(1‑3‑5)采用SIPEX公司的SP3485、电源稳定芯片(1‑3‑6)采用TI公司LM2596、进线端子(1‑3‑7)和出线端子(1‑3‑8)采用2EDGK2.54‑4P型连接器。

[0051] 电源稳定芯片(1‑3‑6)从电源总线取电稳压后向其它各芯片供电；主控单片机(1‑3‑4)通过串行通信管脚与总线通信芯片(1‑3‑5)连接，软件实现与监测装置之间采用modbus RTU协议通信；通过GPIO管脚分别与TVOC气体浓度传感芯片(1‑3‑2)和用于温湿度补偿的温湿度一体传感器芯片(1‑3‑3)连接并通过软件I2C通信实现数据采集。

[0052] 机箱(5‑1)采用钢制标准控制箱，典型尺寸为500×400×200mm、工业人机界面(5‑2)采用具有RS‑485串口的显控(Samkoon)SA‑070A工业人机界面,此时可省略可选配的通信接口转换器(5‑4)、电源适配器(5‑3)可采用昂鼎220VAC/24VDC 10A的产品、与TOVC传感器对接的电源和总线端子(5‑6)采用2EDGK2.54‑4P连接器、与市电对接的接线端子(5‑6)采用TB1503型接线端子。

[0053] 以上所述仅为本发明的基本及较优实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。