基于負(fù)壓波和音波的成品油管道泄漏定位綜合分析

任 嬌，李 季，王 東，劉 剛，紀(jì)國(guó)文

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基于負(fù)壓波和音波的成品油管道泄漏定位綜合分析

任 嬌1，李 季2，王 東3，劉 剛3，紀(jì)國(guó)文3

（1. 中石油西南管道公司蘭成渝輸油分公司， 四川 成都 610036； 2. 中石化西南石油工程有限公司油田工程服務(wù)分公司， 四川 綿陽(yáng) 621000； 3. 西南石油大學(xué)， 四川 成都 610500）

油氣輸送管道關(guān)乎國(guó)家能源安全，近年來(lái)隨著石油工業(yè)的發(fā)展，敷設(shè)管線大幅增多。由于腐蝕和人為破壞等問(wèn)題，管道泄漏事故時(shí)有發(fā)生，不僅對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，而且也威脅沿線群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。基于負(fù)壓波、音波、質(zhì)量或體積等單因素的管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，但是影響管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效性的因素有很多，這時(shí)候用單因素進(jìn)行管道泄漏定位會(huì)出現(xiàn)較大的偏差。本文提出的基于負(fù)壓波和音波的成品油管道泄漏綜合定位方法，可以有效地降低有害因素對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響，對(duì)管道泄漏點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，為管道運(yùn)行和維護(hù)人員提供科學(xué)依據(jù)。

負(fù)壓波；音波；定位；綜合分析；成品油管道

石油和天然氣管道輸送可以降低管道運(yùn)營(yíng)的成本，便于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制。但是輸油管道一旦發(fā)生泄漏，后果是十分嚴(yán)重的。造成管道泄漏的原因一般有以下幾種：管道材質(zhì)存在缺陷；管道密封不良或者閥門(mén)處泄漏；重物重壓或地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)致地基下沉，使管道開(kāi)裂；人為盜油使管道穿孔泄漏。

完全杜絕管道泄漏是不可能的，越早發(fā)現(xiàn)管道泄漏并準(zhǔn)確定位，就越能減小損失并節(jié)省人力物力。本文介紹的基于負(fù)壓波和音波的成品油管道泄漏綜合定位方法可以盡量較小不利因素影響，提高管道泄漏定位準(zhǔn)確度。

1 負(fù)壓波和音波泄漏定位方法原理

1.1 負(fù)壓波法原理[1]

當(dāng)管道發(fā)生泄漏的時(shí)候，由于管道內(nèi)部和外部存在壓力差，泄漏點(diǎn)的流體迅速流失導(dǎo)致該點(diǎn)壓力下降，泄漏點(diǎn)兩邊的流體因?yàn)榇嬖趬翰疃蛐孤c(diǎn)流動(dòng)補(bǔ)充。這個(gè)過(guò)程向上下游傳遞，相當(dāng)于在泄漏點(diǎn)形成了一個(gè)向遠(yuǎn)處傳遞的具有一定速度的負(fù)壓力波。其傳播規(guī)律與管道的聲音和水擊波相同，速度取決于液體的壓縮性和管壁的彈性。根據(jù)負(fù)壓波向上游和下游傳遞的速度和到達(dá)兩端壓力變送器的時(shí)間差，可以精確計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置。

管道泄漏定位原理如圖1，設(shè)管道起點(diǎn)為點(diǎn)、泄漏點(diǎn)為點(diǎn)、終點(diǎn)為點(diǎn)，為整個(gè)管道的長(zhǎng)度，X為管道上游到泄漏點(diǎn)的長(zhǎng)度，1和2是負(fù)壓波從泄漏點(diǎn)傳播到管道兩端的時(shí)間，t為全程負(fù)壓波傳播時(shí)間[2]。

圖1 管道泄漏定位示意圖

經(jīng)過(guò)以上分析，可以得出

其中

設(shè)t為t1和t2的時(shí)間差，則有

由式（1）和式（3）可得

則泄漏點(diǎn)距離管道起點(diǎn)的距離為

負(fù)壓波監(jiān)測(cè)定位技術(shù)具有很高的定位精度和很快的響應(yīng)速度，能夠迅速檢測(cè)出突發(fā)性的泄漏，其自動(dòng)化程度較高，但是對(duì)于泄漏量較小的情況效果不明顯。我國(guó)的成品油管道泄漏主要是認(rèn)為原因造成的，特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間短且泄漏量較大，符合負(fù)壓波傳送的特點(diǎn)。

1.2 音波法原理

音波監(jiān)測(cè)管道泄漏的原理是利用音波傳感器監(jiān)測(cè)沿著管線傳播的音波信號(hào)，然后通過(guò)一定的計(jì)算對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位[3]。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，管道內(nèi)的輸送介質(zhì)與管壁摩擦產(chǎn)生震蕩，發(fā)出音波。音波沿著管道向上下游進(jìn)行高速傳播，在管道兩端安裝有音波接收器捕捉音波圖形，并且通過(guò)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比確定是否發(fā)生泄漏和泄漏量的大小，同時(shí)在管道兩端捕捉到的泄漏信號(hào)的時(shí)間差和音波運(yùn)行速度計(jì)算得到泄漏點(diǎn)的位置[4]。當(dāng)管道正常運(yùn)行情況下，音波傳感器接收到的音波被定義為背景噪音，管道一旦發(fā)生泄漏，泄漏音波信號(hào)同正常運(yùn)行時(shí)的音波噪音一同傳給音波傳感器，經(jīng)過(guò)音波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的鑒別，系統(tǒng)會(huì)迅速捕捉到微小的震動(dòng)信號(hào)判斷出具體的泄漏位置。

管道泄漏定位原理如圖1所示，1和2是負(fù)壓波從泄漏點(diǎn)傳播到管道兩端的時(shí)間，泄漏點(diǎn)的計(jì)算公式為

式中：—泄漏點(diǎn)距離上游音波傳感器距離;

—上游和下游音波傳感器之間的距離;

—音波的傳播速度;

△—上下游音波傳感器接收到音波的時(shí)間差。

由上式可以看出，音波法計(jì)算泄漏點(diǎn)位置的公式是很簡(jiǎn)單的，精確確定音波在管道中傳播的速度和上下游傳感器接受音波的時(shí)間差是兩項(xiàng)非常關(guān)鍵的技術(shù)。

負(fù)壓波法具有很強(qiáng)的定位精度和響應(yīng)速度，但是其容易受到管線運(yùn)行工況的影響，有時(shí)管道泄漏量很小，所以產(chǎn)生的微弱負(fù)壓波傳遞到探測(cè)器時(shí)候能量已經(jīng)很低，經(jīng)常分辨不清，而高凌密度的音波傳感器能夠檢測(cè)到很微弱的聲音信號(hào)，鑒于此，我們采用音波法來(lái)彌補(bǔ)負(fù)壓波法對(duì)管道泄漏的監(jiān)測(cè)定位。

2 負(fù)壓波法和音波法檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)系統(tǒng)的組成特點(diǎn)，成品油管線泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為子站和中心站軟件兩個(gè)部分。

（1）子站實(shí)時(shí)采集本站進(jìn)、出站壓力及音波數(shù)據(jù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向中心站傳送。

（2）中心站實(shí)時(shí)接收子站數(shù)據(jù)，并進(jìn)行綜合分析判斷。若發(fā)生泄漏，系統(tǒng)將報(bào)警，并自動(dòng)定位泄漏點(diǎn)。管理人員可通過(guò)“手動(dòng)定位”分析，以及結(jié)合SCADA系統(tǒng)流量數(shù)據(jù)變化，來(lái)確認(rèn)此次壓力異常是否為泄漏。

（3）中心站軟件上實(shí)時(shí)顯示的信號(hào)波形（壓力、音波）。

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)處由于管道內(nèi)外的壓差，流體迅速流失，在泄漏點(diǎn)處的壓力迅速下降形成負(fù)壓波，同時(shí)流體外泄產(chǎn)生音波。負(fù)壓波和音波在管內(nèi)介質(zhì)中以聲波速度向上下游傳播。

本系統(tǒng)采用泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波和音波，并進(jìn)行綜合分析，判斷管道是否發(fā)生泄漏并進(jìn)行定位計(jì)算。

圖2 泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

2.2 軟件設(shè)計(jì)

基于負(fù)壓波和音波的管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，它包含以下幾個(gè)模塊[5]：

（1）數(shù)據(jù)采集模塊

管道內(nèi)的負(fù)壓波信號(hào)、音波信號(hào)、壓力信號(hào)、流量信號(hào)和溫度信號(hào)都是有加裝在管道首端和末端的各種傳感器獲取，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制信號(hào)，以二進(jìn)制格式保存。

（2）GPS時(shí)鐘校對(duì)模塊

判斷信號(hào)是正常生產(chǎn)還是意外泄漏和計(jì)算泄漏信號(hào)傳播到管道首末兩端時(shí)間差，首端和末端的數(shù)據(jù)波形起始時(shí)間對(duì)齊是非常重要的。因?yàn)橛?jì)算機(jī)本地時(shí)鐘的穩(wěn)定性較差，所以利用美國(guó)GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的授時(shí)功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩端時(shí)鐘的校對(duì)。

（3）數(shù)據(jù)傳輸模塊

通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，將分布在網(wǎng)絡(luò)上的參數(shù)信息輸送匯總到中心站?？梢詫?duì)管道進(jìn)行遠(yuǎn)程泄漏診斷，還可以將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳給相關(guān)監(jiān)控站，及時(shí)排除管道故障。

（4）數(shù)據(jù)處理及診斷模塊

中心站采集到的負(fù)壓波和音波數(shù)據(jù)首先要進(jìn)行降噪和濾波等處理，這樣才能保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。用負(fù)壓波法和音波法綜合對(duì)管道進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位是本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

（5）實(shí)時(shí)曲線顯示模塊

中心站接收到的壓力、音波、流量等數(shù)據(jù)都可以通過(guò)實(shí)時(shí)曲線進(jìn)行顯示，站點(diǎn)工作人員可以直觀的查看指定時(shí)間內(nèi)的參數(shù)信息，憑借經(jīng)驗(yàn)察覺(jué)出管道的故障。

3 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以負(fù)壓波、音波為基礎(chǔ)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)管道發(fā)生的突發(fā)性泄漏，并給出泄漏點(diǎn)位置。該系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度高、定位誤差小、反應(yīng)時(shí)間快，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)因打孔盜油等造成的管道泄漏。該系統(tǒng)在停輸情況下，只要管道內(nèi)保持一定的壓力，并保持管段暢通，也能夠監(jiān)測(cè)泄漏。

負(fù)壓波和音波實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線如圖3所示，其中白色曲線為負(fù)壓波監(jiān)測(cè)曲線，左側(cè)坐標(biāo)軸表示其壓力大??；白色曲線為音波監(jiān)測(cè)曲線，右側(cè)坐標(biāo)軸表示音波強(qiáng)弱。

圖3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線

本系統(tǒng)在某條成品油管道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，總管長(zhǎng)為46 000 m，成品油管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如表1所示，定位相對(duì)誤差在4.5%以?xún)?nèi)，說(shuō)明基于負(fù)壓波和音波的成品油管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是準(zhǔn)確有效的。

表1 成品油管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

成品油管道有很多是長(zhǎng)距離輸油管線，地形環(huán)境和運(yùn)行工況比較復(fù)雜。一旦發(fā)生泄漏卻不能盡快準(zhǔn)確定位，其后果不堪設(shè)想?；谪?fù)壓波和音波的成品油管道泄漏綜合定位分析系統(tǒng)能夠有效地對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位，具有靈敏度高、告警快速、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，可以大范圍的使用，還能推廣到原油和天然氣管道泄漏的監(jiān)測(cè)上。

［1］ 沈功田，李光海，景為科，等. 埋地管道泄漏監(jiān)測(cè)檢測(cè)技術(shù)[J]. 無(wú)損檢測(cè)，2006，28（5）：261-265．

［2］ 廉小親，蘇維均，田黎明. 基于負(fù)壓波法的輸油管道泄漏檢測(cè)定位系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007，28（9）：2199-2202．

［3］ 熊慶生，劉奕伽. 音波管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)[J]. 油氣田地面工程，2010，29（8）：59．

［4］ 鄭碗郁. 音波檢測(cè)技術(shù)在油氣管道泄漏檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J]. 廣州化工，2013，41（6）：43-45．

［5］ 李利鋒，白澤生. 基于負(fù)壓波和流量平衡的原油管道檢漏定位系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2008（21）：120-122．

Comprehensive Analysis on Product Oil Pipeline Leakage Localization Based on Negative Pressure Wave and Sound Wave

1，2，3，3，3

（1. CNPC Southwest Pipeline Company Lanzhou-Chengdu-Chongqing Products Transportation Branch, Sichuan Chengdu 610036，China；2. Sinopec Southwest Petroleum Engineering Co.Ltd. Oil&Gas Engineering Service Branch, Sichuan Mianyang 621000,China；3. Southwest Petroleum University, Sichuan Chengdu 610500, China）

Oil and gas pipelines are important to national energy security. In recent years, with the development of petroleum industry, more and more pipelines have appeared. Due to erosion and man-made destruction, pipeline leakage accidents occur from time to time, which not only can cause serious environmental pollution, but also can threaten people's life and property safety. The monitoring system based on pipeline single factor of negative pressure wave, sound wave, mass or volume has been widely applied in the domestic leakage monitoring, but there are many factors affecting pipeline leakage monitoring system, then pipeline leak location based on a single factor will have a large deviation. In this paper, an oil pipeline Leakage locating monitor method based on pressure wave and sonic was put forward, it can effectively reduce the harmful influence on the monitoring system, pipeline leakage point can be located accurately, which will provide a scientific basis for pipeline operation and maintenance personnel.

Negative pressure wave; Sound wave; Positioning; Comprehensive analysis; Product oil pipeline

U178

A

1671-0460（2014）06-1064-03

2013-11-05

任嬌（1985-），女，四川成都人，現(xiàn)在中石油西南管道公司蘭成渝輸油分公司，主要從事成品油管線的運(yùn)行管理等工作。E-mail：380337493@qq.com。