陸地

(中國石油工程建設(shè)有限公司 北京設(shè)計(jì)分公司，北京 100085)

石油天然氣處理及外輸過程中，管道是主要的輸送方式之一。管道運(yùn)輸具有運(yùn)輸量大、受地形限制小、密閉安全、能耗少及運(yùn)費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)[1]。但是在管道運(yùn)行過程中，由于管道老化、地質(zhì)條件變化以及第三方破壞等原因，管道泄漏事故經(jīng)常發(fā)生，輕者造成停工停產(chǎn)、資源浪費(fèi)、財(cái)產(chǎn)損失，重者造成環(huán)境污染，威脅人身安全[2]，對企業(yè)信譽(yù)造成損害。因而，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并定位泄漏點(diǎn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測管道運(yùn)行狀況尤為重要。

某油田位于伊拉克東南部，現(xiàn)場環(huán)境惡劣，交通路網(wǎng)落后，加之戰(zhàn)亂等不安全因素，人工巡線具有很大難度。為了準(zhǔn)確地掌握管道的運(yùn)行狀況，及時(shí)處理管道出現(xiàn)的問題，減少管道事故造成的人身安全傷害、環(huán)境污染及經(jīng)濟(jì)損失等，在管道設(shè)計(jì)之初應(yīng)考慮安裝管道泄漏檢測系統(tǒng)。

1 管道泄漏檢測方法

油氣管道泄漏檢測方法主要分為內(nèi)部檢測法和外部檢測法[3]。

內(nèi)部檢測方法是通過數(shù)據(jù)檢測及采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集管道內(nèi)的溫度、壓力、流量等狀態(tài)參數(shù)，運(yùn)用不同的分析理論進(jìn)行管道泄漏的檢測與定位。主要的方法有： 模型法、壓力點(diǎn)分析法、壓力梯度法、負(fù)壓波法、聲波法等。

外部檢測方法是通過管道上或管道外的某些物理特性對管道進(jìn)行檢測和定位。主要的方法有： 外部巡視法、分布式線纜檢測法、聲發(fā)射檢測法、示蹤化合物檢測法、遙感檢測法等。

不同的管道需要根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)用多種方法進(jìn)行管道泄漏檢測，使得泄漏檢測效果更快速、更精準(zhǔn)、更可靠。

2 負(fù)壓波原理

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，綜合考慮技術(shù)可實(shí)施性、經(jīng)濟(jì)性、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)等多方面因素，油田管道采用基于負(fù)壓波原理的泄漏檢測系統(tǒng)。當(dāng)管道中發(fā)生泄漏時(shí)，管道壓力將在泄漏位置突然下降，初始壓降是由于流體不能立即響應(yīng)泄漏而引起的。由于流體的連續(xù)性，管道中的流體速度不會(huì)立即發(fā)生改變，因而壓力以較慢的速度下降，該壓降通常被稱為負(fù)壓波。負(fù)壓波以泄漏孔為中心的小半球開始，并且隨著與管壁相互作用而改變形狀，最終變成2個(gè)平面波： 以聲速向管道上游傳播；以聲速向管道下游傳播。負(fù)壓波傳播過程衰減較小，可以傳播相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。

基于負(fù)壓波原理的泄漏檢測系統(tǒng)可以捕獲和分析負(fù)壓波，從而實(shí)現(xiàn)管道泄漏檢測與定位。實(shí)現(xiàn)泄漏檢測，關(guān)鍵是能從傳感器中提取非常小的壓力變化，并且過濾由于非泄漏原因引起的其他噪聲，從而實(shí)現(xiàn)管道泄漏定位，其基本原理如圖1所示。

圖1 負(fù)壓波泄漏檢測原理示意

假設(shè)距S1檢測點(diǎn)XV處發(fā)生泄漏，泄漏點(diǎn)所產(chǎn)生的負(fù)壓波到S1檢測點(diǎn)和S2檢測點(diǎn)的時(shí)間分別為t1和t2，管道長度為L，負(fù)壓波傳播速度為v，介質(zhì)流速為vf：

(1)

(2)

Δt=t1-t2

(3)

式中：XV——泄漏點(diǎn)距檢測點(diǎn)S1的距離。

由式(4)可見，要實(shí)現(xiàn)泄漏精確定位，關(guān)鍵是準(zhǔn)確捕捉負(fù)壓波并計(jì)算到達(dá)管道兩端檢測點(diǎn)的時(shí)間差。

3 應(yīng) 用

根據(jù)項(xiàng)目要求，從采油井場到管匯區(qū)的管線以及從管匯區(qū)到油田中心處理站的輸油管線都要安裝泄漏檢測系統(tǒng)。管道泄漏檢測系統(tǒng)最低要求見表1所列。

表1 管道泄漏檢測系統(tǒng)最低要求

根據(jù)檢測及定位要求，項(xiàng)目確定了管道泄漏檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 泄漏檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

系統(tǒng)主要由壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、服務(wù)器以及通信設(shè)備組成。在管道的入口和出口，分別安裝2臺高靈敏度的壓力傳感器，用于檢測負(fù)壓波。為了減少檢測盲區(qū)，增加泄漏檢測定位的精度，在管道出入口可以考慮安裝流量儀表。同時(shí)在管道入口和出口分別安裝1套數(shù)據(jù)采集單元，可以快速采集壓力/流量數(shù)據(jù)，減少信號噪音，具有短期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

數(shù)據(jù)采集單元配備GPS接收裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的時(shí)鐘同步，保證負(fù)壓波采集時(shí)間基準(zhǔn)的統(tǒng)一，提高泄漏檢測與定位的準(zhǔn)確度。數(shù)據(jù)采集單元將數(shù)據(jù)處理后通過以太網(wǎng)傳輸?shù)叫孤z測系統(tǒng)服務(wù)器，服務(wù)器中安裝泄漏檢測系統(tǒng)軟件，軟件包含分析壓力/流量數(shù)據(jù)的多種算法，該類算法的應(yīng)用，大幅降低了誤報(bào)警的幾率。服務(wù)器收到所有數(shù)據(jù)后，泄漏檢測系統(tǒng)軟件將會(huì)分析這些數(shù)據(jù)，并檢查負(fù)壓波波陣面及其在整個(gè)管道中的傳播情況。利用算法濾除噪聲后，將真正的泄漏與正常運(yùn)行引起的瞬態(tài)壓力變化區(qū)分開來，同時(shí)產(chǎn)生1個(gè)時(shí)間、距離和壓力的強(qiáng)度的三維圖形。如果系統(tǒng)確認(rèn)發(fā)生泄漏，將觸發(fā)泄漏報(bào)警并計(jì)算泄漏位置、泄漏大小等泄漏信息，并將其顯示在用戶界面上，或通過OPC協(xié)議將其傳輸?shù)絊CADA系統(tǒng)，所有這些功能都由硬件和軟件自動(dòng)處理。

4 結(jié) 論

1) 基于負(fù)壓波的泄漏檢測系統(tǒng)，具有檢測迅速、定位準(zhǔn)確、誤報(bào)警少、易于安裝等優(yōu)點(diǎn)。人機(jī)界面友好、分析圖形豐富、報(bào)警與定位直觀，有利于減少操作人員工作量，滿足日常泄漏檢測的要求。

2) 在對管道閥門進(jìn)行設(shè)置時(shí)，偶有誤報(bào)警發(fā)生，需要進(jìn)一步研究改進(jìn)泄漏檢測系統(tǒng)，準(zhǔn)確捕捉和正確分析負(fù)壓波情況，針對不同管線配置不同的參數(shù)。

3) 不同檢測原理的泄漏檢測系統(tǒng)組合使用，使泄漏檢測效果更加快速、準(zhǔn)確、可靠，是未來關(guān)注的一個(gè)方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 田遠(yuǎn)，劉靚，王璐.基于負(fù)壓波的泄漏檢測系統(tǒng)在日儀線的應(yīng)用[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2013(09)： 51-53.

[2] 金浩，陳健，黃肖靜，等.管道泄漏檢測與定位技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J].價(jià)值工程，2016(08)： 7-11.

[3] 任順順.油氣長輸管道泄漏檢測技術(shù)研究[J].天然氣與石油，2014，32(06)： 25-28.

[4] 白志英.負(fù)壓波法泄漏監(jiān)測系統(tǒng)在油品長輸管線上的應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修，2015(01)： 70-71.

[5] 馬小林，王澤根，謝靜文.負(fù)壓波在管道泄漏檢測與定位中的應(yīng)用[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2013(03)： 17-19.

[6] American Petroleum Institute. API RP 1130 Computational Pipeline Monitoring for Liquids [S].Washington D.C.： API, 2012.

[7] 宋源.國內(nèi)外油氣管道泄漏檢測技術(shù)研究進(jìn)展[J].當(dāng)代化工，2013，42(03)： 297-299.

[8] 艾信，段新海，喬守武，等.負(fù)壓波法管道泄漏監(jiān)測定位系統(tǒng)的應(yīng)用[J].石油化工應(yīng)用，2017，36(02)： 131-132,148.

[9] 張震，陸地，唐培.強(qiáng)跟蹤濾波器在管道泄漏檢測與定位中的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化，2013，49(02)： 33-36.

[10] 李俊花，劉文白，崔莉，等.一種新的長輸管道泄漏點(diǎn)定位方法[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，2010，42(01)： 127-131.