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この投稿は、2015年12月14日10時13分にyinkuilin6868によって最終的に編集されました。1 検出技術の分類 現在、世界におけるガスパイプラインの漏れ検出に関する研究は非常に進んでおり、その検出方法も多種多様です。大まかには、直接検出と間接検出の2つに分けられます。 ここでの直接的な漏れ検出とは、人の目視や持ち運び可能な機器を用いてパイプラインの漏れに即座に対応することであり、主に微小なパイプラインの漏れを検出するために使用され、パイプラインが稼働中でも非稼働中でも検出が可能である。間接的な漏れ検出とは、配管内の音波、圧力波、渦流、流量といった物理的パラメータや物質収支の関係を利用して配管の漏れを検出する方法です。一般的な漏れ検出技術には、シャドウグラフィー法、インテリジェントクローリング検出法、嗅覚センサー技術、ガス検出法、地下レーダー、応力波検出技術、流量または質量バランス法、統計的漏れ検出法、動的モデル解析法などがある。これらのガスパイプラインの漏れ検出方法には、ほとんどが検出精度が不十分であり、微小な漏れを検出する能力が弱いといった問題がある。 2 新型の漏れ検出技術 2.1 赤外線イメージングによる漏れ検出技術 管道から漏れが発生すると、周囲の土壌の温度に変化が生じます。赤外線イメージング技術は、この現象を利用して、正常な土壌の温度と比較することで漏れが発生しているかどうかを検出します。この技術はアメリカのOILTON社によって発明されたもので、具体的にはヘリコプターに精密な赤外線カメラを搭載し、ガスパイプライン上空を飛行させてパイプライン周辺の不規則な地熱放射の様子を記録します。そして分光分析を用いて漏れが発生しているかを判断し、漏れの正確な位置を特定するのです。旧ソ連は、アメリカが開発した長距離レーザー分析装置をヘリコプターに搭載し、ガスパイプラインに沿って飛行させたことがある。数メートルの大きさで、エタンの体積分率がわずか1％のガス雲が検出されました。 この技術は、検出速度が速く、検出範囲が広く、精度が高いという利点があるが、深く埋まっている配管の検出には依然として一定の困難がある。関連資料によると、航空機の飛行高度が300mの場合、配管の埋設深さは6m以内でなければならず、またこの方法では配管を連続的に検出することはできない。 2.2 負圧波検出技術 近年、負圧波検出法は国際的にも注目されている配管漏れ検出手法である。その原理は、ガスが漏れると配管内の漏れ箇所周辺のガス密度が相対的に低下し、圧力が急激に下がることにある。また、ガスは連続しているため、漏れ箇所の周囲で圧力差が生じる。この圧力差によって、上下流の高圧ガスが漏れ点付近の低圧ガスに向かって流れ、漏れ点を中心とした圧力波が形成される。これは力学上、負圧波と呼ばれる。管壁の導波作用により、負圧波は伝播過程での減衰が小さいため、非常に遠距離まで伝わることができる。パイプの両端に設置された圧力センサーを利用することで、圧力変動の信号を検出でき、また両端で負圧波が検出される時間差から、パイプの漏れている具体的な位置を特定することができる。 負圧波を利用して配管の漏れを検出する利点は、高い位置決め精度と速い応答速度を持つことです。その欠点は、小さな漏れを検出しにくく、配管から大量の漏れが発生した場合にのみ検出できることです。送気管路の運用時には状況が複雑であるため、圧力センサーはさまざまな信号の干渉を受けやすく、その結果検出精度が低下する。 2.3 磁気漏れ検出技術 磁気漏れとは、配管が外部からの磁場によって磁化された際、配管に欠陥がなければ磁力線が配管内で均一に分布するが、配管の内壁や外壁に欠陥が生じると磁力線が歪み、一部の磁力線が管壁を通り抜けて磁気漏れが発生する現象である。漏磁検出技術とは、管壁に密着したプローブを用いて漏れ磁場を検出し、検出された誘導信号をフィルタリングや増幅、アナログ・デジタル変換などの処理を経て検出器内のメモリに記録し、最終的にソフトウェアによる解析処理を行うことで欠陥の有無を判断するものです。 現在、漏磁探傷法は国内外で最も優れたパイプライン検査手法の一つとして認められており、パイプラインの漏れを検出するだけでなく、腐食の程度も把握できるため、パイプラインの修理に役立ちます。これにより、修理の恣意性が減少し、コストも節約されます。 2.4 分散型光ファイバー漏れ検出技術 光ファイバーセンサ技術は、20世紀70年代に光ファイバー通信の急速な発展に伴い、人々の注目を集めるようになった。光ファイバーによる漏れ検出技術は、主に光ファイバーの後方散乱光の分布変化を利用して、ひずみや光ファイバー周囲の温度といった測定対象の分布変化を解析・検出するものです。後方散乱光は、弾性散乱光と非弾性散乱光に分けられ、弾性散乱光にはレイリー散乱光が含まれ、非弾性散乱光にはラマン散乱光とブリュアン散乱光が含まれる。異なる散乱光の性質を利用することで、さまざまなセンサーを開発することができる。例えば、逆ライリー散乱を利用して開発されたOTDRセンサー、ブリュアン散乱を利用して開発されたB-OTDRやB-OTDAセンサー、ラマン散乱を利用して開発されたR-OTDRなどがある。FBGセンサーは、1990年代に開発された新しいタイプの全光ファイバ無線形デバイスであり、ガスパイプラインのオンライン監視が可能です。このセンシング技術は主に長波変調法を用いており、光強度の影響や干渉型光ファイバセンサーに見られる位相測定の不確実性といった問題を回避しています。準分散型ファイバーグレーティングが広範囲の検出に適しているという特長を活かし、パイプラインに沿って光ケーブルを敷設し、FBGをセンサーとして使用することで、天然ガスパイプライン全体のひずみ信号を取得できる。得られた信号を分析・処理することにより、ガスパイプラインの漏れ位置を検出することが可能である。 分散型光ファイバーによる漏れ検出の利点は、センシング光ファイバー上の任意の点が感度を持ち、連続的な情報を得られることです。漏れた位置を特定でき、位置決めの精度が高い。検出距離が長く、感度も非常に高い。分散型光ファイバーによる漏れ検出には多くの利点があるものの、依然として解決が急がれる問題がいくつか存在する。 (1) 漏出点の音響信号圧力が光に与える影響、(2) 光ファイバーの音響信号に対する感度、(3) 光ファイバーの被覆材料の老化問題、(4) 検出信号の処理アルゴリズムの問題、(5) 光路内での光強度の損失問題。 現在、我が国における光ファイバーを用いた漏れ検出技術の研究はまだ初期段階にあり、またガスパイプラインでの漏れのほとんどは微小なものです。このような微小な漏れに対してはOTDR技術はほとんど役立たないと言えます。さらに、広範囲に光ファイバーが敷設されている状況では、材料の劣化や使用寿命、コストなども総合的に考慮する必要があります。したがって、分散型光ファイバ検出技術にはまだ大きな発展の余地がある。 2.5 嗅覚センサーによる漏れ検出技術 嗅覚センサー技術は、センサーが天然ガス中の化学成分に反応して信号を出力し、その信号を計算処理することで配管に漏れがないかを分析するものです。嗅覚センサーを一定の間隔でパイプライン上に設置し、センサーネットワークを構築することで、パイプラインをリアルタイムで監視できる。ガスが漏れた場合、センサーが反応する。しかし現在、この技術の研究はまだ初期段階にあり、未熟な技術であるため、まだ実用化されていない。 2.6 スマート防食層漏れ検出技術 スマート防食層法とは、送気管の防食層に盗難検出用の回路を追加するもので、漏れが発生すると必然的に防食層が損傷し、その防食層が完全かどうかは回路の抵抗値によって判断できる。 この検出方法の利点は、（1）高い感度を持つこと、（2）高い位置決め精度を持つこと、（3）伝送およびセンシングコストが低いこと、（4）システムが回復しやすいことです。 欠点は：（1）この検出方法は環境の影響を大きく受け、温度や湿度の変化が抵抗率の変動を引き起こし、誤報警が発生する可能性がある。（2）システムの導入には高額な費用がかかります。 2.7 管内音波を利用した漏れ検出技術 近年、音波はその特有の信号特性により、配管の漏れ検出分野における研究のホットスポットとなっている。研究によると、配管の漏れによって生じる低周波の特徴的な信号は配管内を長距離にわたって伝播し、その信号特性は運転状態の変動によって生じる信号特性とは異なる。すでに20世紀90年代に、Jollyらは音波を用いて配管の漏れを検出していた。華科らは2009年に音波を利用した送気管路の漏れ検出・位置特定システムを開発し、優れた検出結果を得ました。管内の音波を利用した漏れ検出の原理とは、配管の上下流に設置された音波センサーが収集する音波信号を用い、その信号の特徴を詳細に分析することで、配管に漏れが発生しているかどうかを判断するものです。 この方法は実験において高い位置決め精度、シンプルな構造、そして微小な漏れも検出できるという特長を示したが、現場の作業環境では騒音が大きいため検出精度に影響を与え、また長い配管の検出効果もそれほど良くないため、まだ現場で広く利用されていない。 2.8 ガスイメージング漏れ検出技術 ガスイメージング法の原理は、光学技術を用いてガスを画像化する難易度から、配管に漏れが発生しているかどうかを判断するものである。この技術は、地上のガスパイプラインの漏れを検出できるだけでなく、地下のガスパイプラインも検出できます。 2.9 フィールド画像式漏れ検出技術 正式名称はfield-signaturemethodで、略称はFSM。この技術は、配管の漏れを検出するだけでなく、漏れが発生する前に配管の腐食度や、亀裂などの微細な損傷の有無も検出できます。その原理は、電流が配管に流れ込むと電場が生じ、この電場には唯一の「電場の指紋」、すなわちいわゆるフィールドイメージがあるというものです。検出された電場フィンガープリントの変化に基づき、配管の損傷や漏れを判断する。この技術はパイプラインの腐食度を検出でき、感度が高く検出範囲も広いという利点があり、長距離送気パイプラインの検査に適しています。 3 結論 世界の石油埋蔵量が徐々に減少し、人々のエネルギー需要が増加するにつれて、天然ガスは必然的に将来の主要なエネルギー源となるであろう。天然ガス輸送パイプラインの漏れ検出は特に重要である。技術の進歩と発展に伴い、今後の漏れ検出手法はますます人工知能化していき、装置の感度に対する要求も高まっていくでしょう。複数の検出方式を組み合わせて単一方式の欠点を補うことで、配管の漏れ検出技術はより完璧なものになる。天然ガスの長距離パイプラインにおける微小漏れの検出と位置特定は、今後も研究の焦点であり続ける。科学技術の発展に伴い、多くの新しい技術が配管の漏れ検出に応用されるようになり、それがガスパイプラインの漏れに関する研究に新たな活気をもたらすことでしょう。