蔡玉臣

(中國(guó)石化天津石油分公司，天津 300100)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)埋地油罐滲漏技術(shù)的研究

蔡玉臣

(中國(guó)石化天津石油分公司，天津300100)

在充分研究埋地油罐滲漏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作的原理及具體需求的基礎(chǔ)上，根據(jù)美國(guó)環(huán)?？偸饻y(cè)漏標(biāo)準(zhǔn)，利用油罐內(nèi)液位儀設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理開(kāi)發(fā)研究，設(shè)計(jì)了利用液位儀的高度變化測(cè)量油罐泄漏的檢測(cè)技術(shù)。開(kāi)發(fā)了溫度采集算法和測(cè)漏模型，采用系統(tǒng)科學(xué)的方法對(duì)油罐參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以溫度、高度、密度等為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)埋地油罐滲漏的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

油罐 滲漏 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 液位儀 數(shù)據(jù)庫(kù)

在倡導(dǎo)節(jié)能、環(huán)保為主題的當(dāng)今社會(huì)，加油站的安全、環(huán)保問(wèn)題也逐步成為行業(yè)內(nèi)外廣為關(guān)注的焦點(diǎn)。加油站潛在的污染源主要集中在三個(gè)方面：油氣污染、油罐滲漏污染及管線滲漏污染。由于油罐和管線埋于地下，發(fā)生滲漏時(shí)不容易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，污染潛伏周期長(zhǎng)，對(duì)土壤、水資源污染危害尤為嚴(yán)重，且污染治理成本高昂。隨著加油站油罐使用年限的增加，特別是收購(gòu)站和合營(yíng)站的增多，地下儲(chǔ)罐發(fā)生滲漏的概率逐年增高，滲漏污染的風(fēng)險(xiǎn)是一個(gè)不得不面對(duì)的棘手問(wèn)題。而傳統(tǒng)埋地油罐滲漏監(jiān)測(cè)方法容易出現(xiàn)漏檢，存在成本高和實(shí)施難度較大等缺陷，迫切需要一種可靠有效的監(jiān)測(cè)地下儲(chǔ)罐滲漏的方法。

目前國(guó)內(nèi)已知的埋地油罐滲漏監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有3大類：離線監(jiān)測(cè)法、在線監(jiān)測(cè)法、液位自動(dòng)計(jì)量技術(shù)。但由于技術(shù)可靠性、成本等原因，在石油行業(yè)并未推廣使用。

利用液位儀實(shí)時(shí)檢測(cè)油品高度、密度，通過(guò)專利算法計(jì)算油品體積修正系數(shù)，可對(duì)油罐是否滲漏進(jìn)行量化分析，實(shí)現(xiàn)測(cè)漏過(guò)程的自動(dòng)化、智能化。有效避免滲漏情況的發(fā)生，為企業(yè)的環(huán)保工作做到有效的預(yù)防和報(bào)警。

1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)埋地油罐泄漏技術(shù)的研究

1.1 埋地油罐滲漏原因

油罐本身原因：儲(chǔ)油罐厚度不夠、對(duì)油罐外表面處理不到位、焊縫不合格、防腐材料達(dá)不到等級(jí)或施工時(shí)不小心損壞防腐層等。

外部環(huán)境影響：由于大部分油罐長(zhǎng)時(shí)間埋于地下，外部環(huán)境潮濕，受土壤中的水分、微生物作用罐體容易出現(xiàn)腐蝕，嚴(yán)重情況下會(huì)出現(xiàn)儲(chǔ)油罐腐蝕性孔洞。

油品本身特性影響：油罐內(nèi)部的油品含水，長(zhǎng)時(shí)間后底部滯析出水，不同油品的析出水呈現(xiàn)酸性或堿性，對(duì)油罐鋼材產(chǎn)生點(diǎn)狀腐蝕，可能造成油罐罐體穿孔。

其他因素：罐基不均勻下沉、地震等導(dǎo)致罐體變形破損。

1.2 埋地油罐滲漏監(jiān)測(cè)難點(diǎn)

a)發(fā)現(xiàn)周期長(zhǎng)。由于在營(yíng)加油站一直處于動(dòng)態(tài)加油、進(jìn)油狀態(tài)，在低流速滲漏時(shí)無(wú)明顯跡象，從國(guó)內(nèi)已知滲漏案例看，發(fā)現(xiàn)油罐滲漏時(shí)都是在污染進(jìn)入地下水，出現(xiàn)明顯水源污染現(xiàn)象被間接發(fā)現(xiàn)。

b)缺乏方便、有效而又全面的檢測(cè)措施。目前可行的打井觀測(cè)法屬于被動(dòng)監(jiān)測(cè)方式，測(cè)試效果與選址和觀測(cè)井?dāng)?shù)量有較大關(guān)系。

c)污染處理成本高。油罐滲漏是個(gè)緩慢的過(guò)程，在出現(xiàn)明顯滲漏跡象前，已有大量油品污染土壤并進(jìn)入地下水資源，對(duì)受污染土壤和水處理成本高昂。

1.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控滲漏技術(shù)原理

油罐存在滲漏點(diǎn)時(shí)，油罐內(nèi)油面會(huì)產(chǎn)生變化，液位儀系統(tǒng)通過(guò)浮子檢測(cè)油罐內(nèi)液位高度變化量，通過(guò)油罐的容積表轉(zhuǎn)化為體積變化量，利用油品的體積膨脹系數(shù)計(jì)算獲得標(biāo)準(zhǔn)體積，排除掉溫度變化對(duì)液位體積的影響，從而計(jì)算出當(dāng)前油罐的滲漏率，并與設(shè)定的測(cè)漏標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)，判斷當(dāng)前油罐的滲漏狀態(tài)。

1.4 技術(shù)目標(biāo)

通過(guò)在加油站端安裝可精確測(cè)量油罐內(nèi)油品高度、體積、溫度的液位探棒，把油罐的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳送到控制臺(tái)，由控制臺(tái)對(duì)所采集的油罐數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、處理，從而實(shí)現(xiàn)地下儲(chǔ)油罐實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滲漏功能。測(cè)漏精度參照美國(guó)環(huán)保總署標(biāo)準(zhǔn)有所提高，設(shè)置分為2個(gè)等級(jí)，即0.35 L/h和0.70 L/h。

硬件技術(shù)目標(biāo)：硬件適用于加油站0區(qū)環(huán)境，按本質(zhì)安全型標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)；硬件工作溫度范圍寬，通訊安全可靠，能夠滿足測(cè)漏高精度要求，同時(shí)滿足數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性。

軟件技術(shù)指標(biāo)：通過(guò)專業(yè)算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集可靠性、及時(shí)性。能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)得到準(zhǔn)確的測(cè)漏報(bào)告。另外軟件能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行自檢，保證實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滲漏的可靠性。

2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)埋地油罐泄漏技術(shù)的模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 搭建模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境

建成30 m3地上罐2座(各帶四組閘閥)，準(zhǔn)備試驗(yàn)所需的儀器設(shè)備(燒杯、三角燒瓶、量筒、密度計(jì)、溫度計(jì)、量油尺)，安裝了液位儀系統(tǒng)，在油罐中灌注柴油進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。

2.2 靜態(tài)測(cè)試

制定詳細(xì)的測(cè)試方案、操作步驟和安全注意事項(xiàng)，開(kāi)始靜態(tài)測(cè)漏試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，多次調(diào)整算法、模型，發(fā)現(xiàn)兩方面的問(wèn)題：一是因地上罐受外部溫度影響大，晝夜溫差大，直接影響油品的體積，干擾測(cè)漏結(jié)果；二是由于溫度降低(達(dá)2℃左右)柴油粘度增大，原有浮子靈敏度很難滿足0.38 L/h的滴滲試驗(yàn)要求。為此，采取3項(xiàng)措施：一是為兩個(gè)油罐加保溫層；二是趕制精度更高的浮子，重新測(cè)試；三是有針對(duì)性地分析算法，再次優(yōu)化。經(jīng)過(guò)調(diào)整，測(cè)試環(huán)境、測(cè)漏設(shè)備的硬件系統(tǒng)和軟件模型達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.2.1開(kāi)發(fā)溫度采集算法

實(shí)驗(yàn)證實(shí)地上罐溫度受環(huán)境影響較大，溫度出現(xiàn)分層，具體表現(xiàn)為靠近罐壁和液面位置的溫度傳感器與其他溫度傳感器有明顯不同。溫度傳感器測(cè)出的油品溫度受環(huán)境溫度變化影響主要與溫度傳感器和油罐罐壁距離有關(guān)。因此調(diào)整溫度采集模型，即把原來(lái)采用的油品平均溫度由算術(shù)平均值算法修正為根據(jù)溫度傳感器與罐壁的距離進(jìn)行加權(quán)平均，通過(guò)分析溫度和當(dāng)前液位高度的關(guān)系(剔除溫度變化對(duì)液位高度的影響后)，采用過(guò)采樣數(shù)字濾波方法消除摩擦力對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。經(jīng)驗(yàn)證此方案可以解決地上罐受環(huán)境溫度影響問(wèn)題。在改進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)不斷分析、驗(yàn)證、優(yōu)化解決方案，取得較好的改進(jìn)效果。溫度數(shù)據(jù)采集流程如圖1所示。

通過(guò)分析油罐溫度測(cè)量方法、系統(tǒng)的溫度影響因素及作用過(guò)程，開(kāi)發(fā)了適合測(cè)漏使用的溫度采集算法并申請(qǐng)發(fā)明專利保護(hù)，經(jīng)驗(yàn)證能夠解決油品分層問(wèn)題，滿足加油站的現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境測(cè)漏要求。

2.2.2研發(fā)新型浮子

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)浮子靈敏度實(shí)驗(yàn)證實(shí)，現(xiàn)有的聚苯硫醚浮子摩擦力大，在低滲漏情況下靈敏度不能滿足試驗(yàn)場(chǎng)地上罐測(cè)漏要求。經(jīng)分析現(xiàn)有浮子結(jié)構(gòu)及查閱相關(guān)資料后確定重新設(shè)計(jì)浮子，主要改進(jìn)如下：一是減小浮子與探棒的接觸面積；二是浮子與探棒接觸部分采用低摩擦系數(shù)材料；三是通過(guò)同心定位設(shè)計(jì)使磁環(huán)和探棒同心，進(jìn)一步減小磁環(huán)對(duì)探棒的吸附作用力。

圖1 溫度數(shù)據(jù)采集流程

根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求及浮子特點(diǎn)，研發(fā)新型浮子如圖2所示。

圖2 新型浮子結(jié)構(gòu)示意

本新型浮子內(nèi)卡槽7安裝有內(nèi)定位擋圈，用于固定擋片4、磁環(huán)5和擋圈6，限制這些部件沿骨架2軸向滑動(dòng)的自由度；外卡槽8安裝有外定位擋圈，用于固定骨架2，限制骨架2沿套筒型浮體1軸向滑動(dòng)的自由度。

浮子的重心位于其底端，使浮子穩(wěn)定性高，不易傾斜，提升測(cè)試精度；套筒形浮體的材質(zhì)為丁腈橡膠發(fā)泡，骨架的材質(zhì)為聚甲醛，具有耐腐蝕的特點(diǎn)，延長(zhǎng)浮子的使用壽命；通過(guò)在骨架2內(nèi)壁設(shè)置內(nèi)徑小于環(huán)形擋板3的擋片4，使浮子與液位儀探棒由原來(lái)的面接觸改為線接觸，擋片4花瓣形凸起的材質(zhì)選用特氟龍，使浮子與探棒的接觸進(jìn)而轉(zhuǎn)換為點(diǎn)接觸，從而減小摩擦力，提高測(cè)試精度。

通過(guò)浮子工作過(guò)程模型和各影響因素的分析設(shè)計(jì)了適合測(cè)漏使用的專用浮子并申請(qǐng)專利保護(hù)，經(jīng)驗(yàn)證測(cè)漏浮子達(dá)到設(shè)計(jì)要求，靈敏度滿足測(cè)漏需要。

2.2.3開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)處理軟件

經(jīng)跟蹤收集到的測(cè)試報(bào)告發(fā)現(xiàn)浮子運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線(階梯形曲線)與液位變化規(guī)律曲線(線性直線)明顯不同。測(cè)試過(guò)程中具體表現(xiàn)為在實(shí)際滲漏情況下，原來(lái)單點(diǎn)測(cè)試模型下測(cè)試時(shí)間軸上某一固定時(shí)間點(diǎn)測(cè)試結(jié)論與實(shí)際不符，根據(jù)浮子運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律曲線發(fā)現(xiàn)與理論測(cè)試結(jié)束點(diǎn)相鄰的兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)其測(cè)試結(jié)果可修正此類情況。因此調(diào)整測(cè)試模型從測(cè)試時(shí)間軸上的單點(diǎn)測(cè)試修正為多點(diǎn)測(cè)試。通過(guò)分析與液位變化相關(guān)的溫度因素的影響和當(dāng)前液位高度的關(guān)系用數(shù)字濾波方法消除摩擦力對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。 自動(dòng)測(cè)試流程如圖3所示。

經(jīng)深入研究分析滲漏過(guò)程，建立了測(cè)漏模型及算法并申請(qǐng)發(fā)明專利保護(hù)，通過(guò)驗(yàn)證達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.2.4靜態(tài)測(cè)試結(jié)論

經(jīng)過(guò)調(diào)整，測(cè)試的硬件系統(tǒng)和軟件模型達(dá)到設(shè)計(jì)要求。共完成31組0.38 L/h標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)及32組0.76 L/h標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果正確率100%。

2.3 動(dòng)態(tài)測(cè)試

通過(guò)使用不同閘閥進(jìn)行模擬滲漏動(dòng)態(tài)測(cè)試。完成3種規(guī)格新浮子及新調(diào)整模型試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試共計(jì)627次；每種浮子實(shí)驗(yàn)類型按測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和是否模擬滲漏分類，共有4種，每種浮子按實(shí)驗(yàn)類別各進(jìn)行60組以上實(shí)驗(yàn)。2寸浮子低溫和當(dāng)前氣溫下的靈敏度實(shí)驗(yàn)，3寸浮子、4寸浮子當(dāng)前氣溫下的靈敏度實(shí)驗(yàn)；不同氣溫條件的體積膨脹系數(shù)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)、油罐內(nèi)外溫差實(shí)驗(yàn)記錄。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證，修改后的模型達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)要求。根據(jù)測(cè)試報(bào)告匯總發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：一是同樣條件下模擬滲漏測(cè)試在上午溫度上升時(shí)測(cè)試結(jié)果成功率低(0.38 L/h模擬滲漏測(cè)試尤其明顯)，在下午和晚上測(cè)試成功率高；二是同樣條件下模擬滲漏量接近理論計(jì)算值時(shí)成功率低(綜合阻力影響)。剔除此兩種情況后重新統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)果表明：在0.38 和0.76 L/h模擬滲漏測(cè)試中試驗(yàn)成功率分別為96.4%和91.5%。

圖3 自動(dòng)測(cè)試流程

2.4 試驗(yàn)情況總結(jié)

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，測(cè)漏模型達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果，模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中采用地上油罐，油溫受氣溫影響很大，而加油站均采用埋地油罐，排除地上油罐溫度變化過(guò)大時(shí)段及油溫低導(dǎo)致液面下降前期綜合阻力影響較大這兩條不適合測(cè)試條件，測(cè)試模型能夠滿足對(duì)地下臥罐進(jìn)行檢測(cè)滲漏的設(shè)計(jì)要求。

3 加油站應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 應(yīng)用測(cè)試

試點(diǎn)站驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)挑選運(yùn)行時(shí)間在10年左右的加油站進(jìn)行實(shí)地測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)共測(cè)試23座加油站，前后共進(jìn)行三輪測(cè)試，其中大部分站點(diǎn)多次進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，測(cè)試次數(shù)總計(jì)在90站163罐次。一是實(shí)際測(cè)試加油站油罐是否存在滲漏；二是主動(dòng)模擬滲漏方式驗(yàn)證測(cè)試；三是被動(dòng)模擬滲漏驗(yàn)證測(cè)試。

3.1.1滲漏測(cè)試

測(cè)試結(jié)果顯示所選站點(diǎn)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)超過(guò)測(cè)漏標(biāo)準(zhǔn)的滲漏情況，與加油站調(diào)研結(jié)果相符(盤(pán)點(diǎn)無(wú)明顯虧損)。按照國(guó)外和國(guó)內(nèi)油罐調(diào)查結(jié)果顯示，一般運(yùn)營(yíng)年限在15～20年的油罐可能會(huì)出現(xiàn)滲漏，運(yùn)營(yíng)年限20年以上的油罐出現(xiàn)滲漏的概率較高，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與這一結(jié)論相符。

3.1.2主動(dòng)驗(yàn)證測(cè)試

在現(xiàn)場(chǎng)用加油機(jī)加油方式模擬滲漏(由實(shí)驗(yàn)人員小流量分多次打油模擬滲漏)，測(cè)漏標(biāo)準(zhǔn)分別為0.7 L/h、0.35 L/h，測(cè)試結(jié)果顯示滲漏，測(cè)試結(jié)論正確。

3.1.3被動(dòng)驗(yàn)證測(cè)試

通過(guò)分析測(cè)試加油站加油記錄，發(fā)現(xiàn)東湖加油站9個(gè)罐次，國(guó)和3個(gè)罐次在自動(dòng)測(cè)試期間有加油操作(自動(dòng)測(cè)試期間實(shí)驗(yàn)人員不在現(xiàn)場(chǎng)，加油站按正常模式營(yíng)業(yè)，加油員加油操作為一次性打出。查詢管控機(jī)加油記錄顯示大部分為3～5 L，少量為10 L左右)，測(cè)試結(jié)果顯示滲漏，測(cè)試結(jié)論正確。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和加油站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滲漏功能是可行的，研發(fā)的測(cè)漏算法和軟件模型是科學(xué)的，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確性較高。在應(yīng)用工作中，可完善操作規(guī)范，進(jìn)一步的推廣使用 。

[1] 陳薇.油罐基礎(chǔ)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 石油化工安全技術(shù)，2004(6):42-44.

[2] 盧英.淺談美國(guó)環(huán)保法規(guī)中地下油罐的泄漏監(jiān)測(cè)[J].中國(guó)石油企業(yè)，2004(7):65-65.

[3] 陳佳，羅凱文.油罐漏油檢測(cè)方法與技術(shù)[J].中國(guó)儲(chǔ)運(yùn)，2012(10):110-112.

ResearchonReal-timeMonitoringofBuriedOilTankLeakageTechnology

Cai Yuchen

(SINOPEC Tianjin Branch, Tianjin, 300100)

On the basis of the full study underground tank leaks in real-time monitoring of the principles and specific needs, according to the US Environmental Protection Agency standard leak, using inside tank level gauge equipment, data processing research and development, Level meter height variation measurement tank leak detection technology was designed. Developing a method of temperature measurement and leak detection algorithm model, taking the system of scientific data analysis parameters of the tank, temperature, height, density, etc, as the basis to achieve real-time monitoring underground tank leaks.

oil tank; leakage; real-time monitoring; level gauge; database

2016-06-03

蔡玉臣，高級(jí)工程師，1996年畢業(yè)于重慶建筑大學(xué)計(jì)算機(jī)及應(yīng)用專業(yè)，現(xiàn)主要從事信息化項(xiàng)目建設(shè)應(yīng)用及維護(hù)工作。