基于負壓波的原油管道泄漏監測系統的失效及預防

冉小俊，張建昌，趙生祥

（中國石油長慶油田分公司第三輸油處，寧夏銀川 750006）

基于負壓波的原油管道泄漏監測系統的失效及預防

冉小俊，張建昌，趙生祥

（中國石油長慶油田分公司第三輸油處，寧夏銀川 750006）

基于負壓波的管道泄漏監測系統在國內輸油管道上得到了大量的應用，而很多因素會影響泄漏檢測系統的有效性，這對于泄漏檢測系統而言也是至關重要的。本文分析了管道泄漏監測系統失效的原因，并提出相應的預防和改進措施，幫助管理人員提高對管道泄漏監測系統的管理水平。

負壓波；管道泄漏監測系統；失效及預防

油氣管道安全涉及到國家的能源安全，原油輸送管線是油田企業的生命線。隨著管線的增多，管齡的增長，由于施工缺陷和腐蝕等問題和人為破壞的存在，管道事故頻頻發生，不僅造成了環境的污染，巨大的財產損失，甚至威脅到沿線居民的生命。

管道泄漏一般由下列原因造成：（1）管道材質缺陷，存在砂眼或腐蝕損壞，造成泄漏；（2）管道靜密封不良造成泄漏或閥門泄漏；（3）外部工程施工時損壞管道導致泄漏；（4）重物重壓使地基下沉，致使管道開裂；（5）由于地質構造原因使地基下沉，造成管道開裂(如地震，滑坡、地下水位下降等）；（6）人為盜油造成管道穿孔。

從以上原因可以看出，完全杜絕管道泄漏是不可能的，但在泄漏產生后如能及時發現，盡快采取處理預案對于控制事故造成的損失規模來說是非常關鍵的。

然而單靠人工巡線，或被發現而報告很難做到及時發現，因此目前絕大部分管線都采用了各式各樣的管道泄漏監測系統來輔助做到泄漏早發現，快速定位以便快速處理，控制管道泄漏產生的各種各樣的損失。

1 管道泄漏監測系統現狀

目前，國內外管道監測方法較多，應用原理也不盡相同，市場上泄漏監測系統大致可分為以下幾類。

1.1 預警類方法

顧名思義，該類系統通過感知管道可能在某處受到的威脅而提前采取措施，防止管道遭到破壞，或破壞后由于提前采取了措施從而減小損失。這聽上去是一個非常具有誘惑力的系統，但由于系統建設費用的昂貴和實際應用效果的不理想而阻止了其推廣應用，如光纜預警，地震檢波器等，本文不做分析。

1.2 漏后進行定位報警

此類系統主要是利用管道的檢測儀表進行泄漏后的定位和報警，由于方法簡單，投資少，主要技術指標滿足多數管道實際生產的需要而得到大量應用，目前普遍采用的有如下幾種方法：

1.2.1 質量分析法 質量分析法是針對管線中的流體質量的變化進行動態監測一個質量平衡系統。質量分析法監測一段管線中全部的流進和流出的質量。當流入流出的質量發生變化后確認管道泄漏。

1.2.2 體積分析法 體積分析法是針對管線中流體的體積發生變化進行動態監測的體系。首末站兩端安裝體積式流量計計量流體體積并進行定時比對數據來確定管線泄漏。

1.2.3 電磁監測法 電磁監測法是將首站管道加載一個電信號，以巡線人員攜帶監測器進行電磁信號監測來確認管道保溫層、防腐層破損或是管道出現滲漏來確認管道被載閥或泄漏。

1.2.4 負壓波分析法 負壓波分析法是實時監控管道中流體輸送壓力發生變化而確定管道泄漏的方法。

1.2.5 智能音波分析法 在管道兩端安裝音波傳感器，實時接收并監控管道內壓力音波信號，實時識別甄別和分析壓力音波的變化而確定管道泄漏的方法。

1.2.6 綜合分析法 是采用以上一種或幾種方法對管道進行泄漏監測的方法。

2 負壓波管道泄漏監測報警定位系統工作原理

負壓波管道泄漏監測報警定位系統以負壓波法為基本方法，并結合體積平衡對比等方法，建立管道瞬態模型，采用流量報警、壓力定位，以及流量加壓力綜合分析報警、定位。

當管道發生泄漏時，由于管道內流體的壓力遠遠大于大氣壓力，泄漏處的壓力突降，泄漏處周圍的液體由于壓差的存在向泄漏處補充，在管道內突然形成負壓波動。此負壓波從泄漏點向管道上、下端傳播，并以指數率衰減，逐漸歸于平靜，這種負壓波動具有較陡峭的前沿。與此同時管道首站的外輸排量會增大，而末站接收量會減少。管道上下游的壓力變送器和流量傳感器接收到該波信號和流量信號并傳輸到泄漏監測報警定位系統進行采錄。泄漏監測報警定位系統將結合壓力和流量的變化特征，進行判斷泄漏是否發生，通過測量泄漏時產生的瞬時壓力波到達上、下端的時間差和管道內壓力波的傳播速度計算出泄漏點的位置。為了克服管道噪聲等因素的干擾，采用小波變換和相關分析負壓波的傳播規律和管道內的噪聲、水擊波等變換特點，并結合管道管壁的彈性和液體的物理參數、物理特性進行分析、處理、計算。

3 管道泄漏監測系統失效原因分析

所有的技術都有其局限性，基于負壓波的管道泄漏監測報警定位系統會由于以下原因導致系統失效，發生漏報和遠超系統指標的定位誤差。

3.1 負壓波無法正常傳遞導致系統失效

對于一般輸送原油的鋼質管道而言，在管道內流體充滿的狀態下，負壓波傳播速度約在1.0 km/s左右。針對具體的管道，通過理論計算和實驗可以確定管道內負壓波傳播的實際速度，然后利用首末端負壓波的變化時間間隔，準確判斷泄漏點。對于在平原地區敷設的管線，管線首末端基本不存在落差或者落差很小，管線處于滿流狀態運行，利用負壓波進行定位是比較準確的。但是我國大部分地區地形變化比較大，長距離原油輸送管道一般要經過高山、丘陵地帶，造成管線存在很大的落差，一個密閉輸送管段落差甚至可以達到數百米，一旦高落差管線存在不滿流的運行狀態，負壓波將無法按照正常的傳播速度傳遞，導致定位失效。

3.2 流量計測量不準確導致系統失效

體積平衡分析法是針對管道內流體的體積量來確定管道是否發生泄漏。以某段管線為例，當首站的出站排量F出與末站的進站流量F入相比較，當存在一定的流量差的時候，就能確定管線出現泄漏工況。目前，國內的輸油管道的流量監測普遍使用腰輪等容積型流量計，對流體的清潔度要求較高，一旦流體含有較多的雜質，流量計卡堵，導致進出站排量不一致，管道泄漏監測系統就會失效。

另外，工業用的容積式流量計的精度等級一般為0.2級。當管線發生小的泄漏時，進出站流量差變化量很小，管道泄漏監測系統會認為這是儀表誤差而不把這種小的泄漏當做泄漏工況報警，產生系統漏報。因此，可以說管道泄漏監測系統對于突發性泄漏比較敏感，適合監視大的泄漏，對于緩慢的腐蝕滲漏不十分敏感。

3.3 系統通信中斷導致系統失效

系統通信狀況的好壞決定著系統的可靠性，管道泄漏監測系統從輸油站或者閥室的PLC或者RTU中獲取帶有時間標簽的數據，用于系統分析計算。如果通信質量不好，系統得不到同一個時間標簽下的數據，系統雖然會自動分析提取自認為可靠的數據，但會嚴重影響運算的精度。另外，不排除通信中斷的時候，管道泄漏監測系統無法獲取數據，而恰恰在這段時間內發生管線泄漏，則檢漏系統無法實現報警和定位。

3.4 其他影響系統可靠運行的因素

原油的密度和含水率、溫度和壓力變送器的精度、GPS適中授時的準確性等均對系統可靠運行產生影響。

4 防止系統失效的預防措施

4.1 負壓波傳遞失效的預防

為了確保負壓波的正常傳遞，必須采取一定手段是管線的每一個密閉輸送管段的處于滿流狀態。方法一是在管道末端安裝調節閥，通過模擬運算管道水力坡降曲線，得出首站出站流量和調節閥閥前壓力的關系表達式，只要保證在某一輸量下，閥前壓力滿足關系方程的計算結果，管道就會一直處于滿流狀態。方法二是一直保持管線處于大排量輸送狀態。根據水力坡降計算，當管線的輸送量超過一定值時，管線翻越點消失，會一直處于滿流狀態。當然這種方法受到工藝運行的限制，一般在管線運行后期才能保證。

另外，某些管道為了輸送過程中節能降耗和平穩輸送，首站一般會采用壓力給定的PID變頻輸送方式。一旦管線發生泄漏，變頻器會自動調節，彌補管線的壓力變化，這就會影響泄漏監測系統負壓波的下降沿和上升沿，在定位過程中，由于在曲線上選點不準，導致定位誤差大，針對這種情況，建議當管線處于穩態輸送時，將首站外輸PID和末站進站PID回路均設置到手動狀態，從而使泄漏監測系統得到更好的監測數據。

4.2 流量計失效預防

外輸量和接收量是否平衡是判斷是否泄漏的重要依據，所以必須保證流量計的正常運行，除了建設期在流量計前安裝過濾器外，運行中要實時觀察過濾器的前后壓差是否低于150 kPa，一旦差壓變大就要立即組織進行過濾器清洗，同時還應建立過濾器定期清洗機制，對過濾器進行定期清洗；另外為了保證流量計的計量精度，必須對流量計進行定期標定，一般為6個月，當誤差超過允許值是，必須進行更換。

針對緩慢腐蝕等原因發生的小滲漏，在泄漏監測系統中設置專用分析計算模塊，實時分析上下游流量累計差值，當差值超過給定值時，進行報警提示，通知人員人工查找管線可能存在的泄漏，從而減少誤報。另外盡量保持管道的平穩運行，減小首末流量計的重復精度精度影響，根據輸量來調整重復性不一致造成的誤差，提高檢測精度。

4.3 通信失效預防

不建議采用電臺、微波、衛星或3G通信方式，因為這幾種通信方式經常會受天氣影響而不穩定。近年來，光纜通信發展迅速，且費用已經降低到投資可以接受的程度。對于新建管線建議沿管線敷設光纜，對于未敷設光纜的管線，建議就近租用通信公司的電路。由于管道泄漏監測系統和SCADA系統的數據傳輸量不大，每個站點租用一個2 M電路即可滿足通信要求。同時，考慮到光纜可能被故意破壞的情況，建議在首站或者末站租用一個2 M電路，構成環網通信，并定期檢查通信信道的延遲、誤碼，確保系統通信時刻暢通。

4.4 其他影響因素的預防

原油的密度和含水率會對負壓波的波速產生影響，所以在原油輸送過程中必須嚴格控制原油的含水率。當原油的品質和密度發生較大變化時，需要進行現場試驗的，重新確定負壓波的波速。

選用等級要高、重復性好的溫度和壓力變送器，定期進行校驗標定。

定期對系統的GPS適中授時的準確性進行檢查和更正，防止數據標簽存在較大的偏差。

定期對整個泄漏檢測系統進行調整并進行實際實驗測試，確保泄漏檢測系統的有效性。

5 結論

建立管道泄漏檢測系統固然重要，而保證泄漏檢測系統實時有效是關鍵。只有找出管道影響泄漏檢測系統有效性的因素并采取相應的預防失效的措施，就可以最大化的發揮泄漏監測系統在減小管線泄漏損失，保衛管道安全中的作用，從而提高管線的管理水平，確保管道運行安全。

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[2] 靳世久，王立寧，李健，等.原油管道漏點定位技術[J] .石油學報，1998，19（3）：93-97.

[3] 周詩崠，吳志敏，吳明.輸油管道泄漏檢測技術綜述[J] .石油工程建設，2003，29（3）：6-10.

TE973

A

1673-5285（2012）07-0099-03

2012－05-17

冉小俊，女（1976-），工程師，主要從事輸油管道生產運行保障管理工作。