泄漏報警技術在油氣田地面管道中的應用

宋成立 高秋英 付安慶 葛鵬莉 朱原原

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安 710077；2.中國石化西北油田分公司工程技術研究院，烏魯木齊 830011)

泄漏報警技術在油氣田地面管道中的應用

宋成立1高秋英2付安慶1葛鵬莉2朱原原2

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安 710077；2.中國石化西北油田分公司工程技術研究院，烏魯木齊 830011)

通過對5種常用的管道泄漏報警技術原理和優缺點的對比分析，選擇較優的次聲波法和分布式光纖法應用于西部某油田管道的泄漏檢測報警中，現場測試結果表明：次聲波法可檢測到的最小泄漏孔徑為3mm，響應時間不大于1min，定位精度小于50m；分布式光纖法的響應時間不大于10s，定位精度小于20m。

泄漏報警技術 油氣田地面管道 次聲波法 分布式光纖法

油氣集輸管道是油田生產的生命線，其基本要求是安全、高效，一旦管道發生穿孔，不僅會造成巨大的經濟損失和資源浪費，而且還會帶來安全、環境污染等一系列問題。因此，及時快速地檢測油氣泄漏，并精確定位和報警，以便采取有效措施，將損失減小到最低，不僅是目前亟待解決的技術難題，也是管道安全環保生產運行的主要任務，更是提高油氣田高效開發的技術保障。

西部某油田腐蝕環境惡劣，管道穿孔事故多發于高含水/高含硫管線、污水/注水管線及老管線等，并跨越河流、村莊和民族聚居區，導致油氣泄漏的潛在風險很高。因此，為提升管線隱患預測、風險管控及應急指揮等管理水平，筆者在充分調研目前的泄漏報警技術后，引進次聲波法和分布式光纖法兩種泄漏報警技術，并開展了現場應用測試，對系統的關鍵技術指標進行了評價，以期為油田進一步推進泄漏報警裝置的應用進而降低油氣泄漏環境安全風險提供技術支持。

1 泄漏報警技術①

20世紀70年代，德國學者Rlsermann和Siebert H首次提出了一種通過流量和壓力信號檢測管道泄漏的方法，而直到80年代末才開始進入現場測試和商品化應用階段[1]。早期的管道泄漏檢測方法主要基于硬件方法(連續實時監測受限)，而隨著現代控制理論和信息化技術的快速發展，軟硬件相結合并以軟件為主的管道泄漏檢測方法逐漸成為研究熱點[2]，即利用控制理論、信號處理及計算機技術等對壓力、流量、密度、粘度及溫度等管道和流體信息進行采集、處理和估計，通過建立數學模型，對信號降噪并提取故障特征，從而實現管道安全狀態監測和泄漏點定位報警[3]。

目前，油氣田采用的管道泄漏報警方法主要有5種，分別是次聲波泄漏檢測方法、負壓波泄漏檢測方法、分布式光纖泄漏檢測方法、紅外成像泄漏檢測方法和流量平衡檢測方法。對比不同方法的原理和優缺點(表1)[4～6]可知，次聲波法的靈敏度、定位能力及費用等各項技術指標相對較優，適合在油氣田推廣使用；分布式光纖法費用較高，但其靈敏度、定位能力和保護距離都有優勢，也適合在油氣田推廣使用。

2 次聲波法的測試應用

2.1技術原理和系統組成

西部某油田根據實際生產需要，選擇一條典型原油管道作為次聲波法泄漏報警系統投運前的測試對象。該管道長約15km，規格φ323.9mm×7.1mm，管道首站有3個加壓泵，首站壓力1.3MPa，末站壓力0.7MPa。管道介質為稠油，密度平均0.871 3g/cm3；粘度在5.33～419.62mm2/s之間，屬于常規原油，流動性較好；含水量20%～30%，含少量氣體，起點輸送溫度70℃，輸量50～70m3/h。

次聲波法泄漏報警系統(圖1)包括基站(首站和末站)、中心站及通信網絡等部分。其工作原理是：在油氣泄漏的瞬間壓力平衡打破，引起瞬時音波振蕩，次聲波通過流體沿著管壁向首、末站擴展[7]；聲波傳感器安裝在管道兩端，在線拾取次聲波信號，通過數據采集器進行A/D轉換濾波后傳遞給中心站的上位機軟件；上位機軟件通過對次聲波信號進行特征量提取來判斷泄漏發生的位置。

表1 5種泄漏報警方法的優缺點

圖1 次聲波法泄漏報警系統

泄漏點位置x的計算式為：

式中L——首、末站傳感器的距離，m；

v——次聲波的傳播速度，m/s；

Δt——泄漏點次聲波傳播到A、B兩點的時間差，s。

系統共設置了兩處監測點，即在A站出站管線和B站進站管線上分別安裝了兩臺聲波信號傳感器，并在A站和B站非防爆區設置了兩個基站RTU(遠程終端數據采集和處理系統)。為實現系統時間同步，在首、末站各安裝了一套GPS，固定在離采集終端較近的屋頂，并超出屋頂30cm，且四周沒有遮擋物。系統通信方式選擇局域網。

2.2系統測試結果分析

在距離A站10km的管道上開孔設置放油閥，在放油閥出口分別墊入孔徑為3、5、7mm的墊片模擬泄漏孔徑。測試過程中孔板由較小孔徑逐漸更換至較大孔徑，每一孔徑下放油測試3次，每次放油時間5s，放油間隔不小于20min。測試人員分兩組，分別在操作現場和控制室，分別對放油時刻、報警時刻、放油位置和報警位置進行記錄，測試結果見表2。可以看出，該系統各項技術性能指標良好，具有較高的泄漏監測和定位能力，可實現對最小泄漏孔徑3mm的可靠檢測與定位，定位誤差小于50m；管道發生泄漏時，系統能在1min內報警，而且泄漏孔徑越大，響應時間越短。

表2 測試結果

3 分布式光纖法的測試應用

3.1技術原理和系統組成

為了測試分布式光纖法的各項技術指標，對某天然氣管道開展應用測試。該管道全長4.6km，規格為φ168.3mm×12.0mm，介質以氣態為主(占90%以上)，伴生氣(含C1、C2、C3)平均密度0.6g/cm3，C1平均含量92.80%，C2平均含量1.51%，C3平均含量0.47%，首站壓力4.9MPa，末站壓力2.1MPa，起點輸送溫度約40℃。

分布式光纖法泄漏報警系統(圖2)主要包括分布式光纖溫度傳感器、放大電路和數據采集模塊，其中在C站到D站沿管道鋪設一條感溫傳感光纖，在控制室安裝軟件運行平臺(負責數據顯示與存儲、管道狀態實時監控與管理)，在C站配制光電檢測儀(負責光信號的收發與轉換處理，并將處理后的信號返回到計算機信號處理系統進行分析)。系統的工作原理為：激光光源向光纖注入激光脈沖，然后利用后向散射光(拉曼散射光)進行實時信號分析處理，以獲取整根光纖的溫度應變曲線；當管道發生泄漏時，油氣介質溫度將會明顯高于周圍環境溫度，當后向散射光返回至光纖入射端時，可測量到入射光和反射光之間的時間差t。則發生散射的位置(泄漏點)距入射端的距離x′可表示為[8,9]：

式中c——真空中的光速，c=3×108m/s；

n——光纖的折射率。

圖2 分布式光纖法泄漏報警系統

3.2系統測試結果分析

選擇距C站620m處和D站光纜末端作為測試點，每個測試點測量3次，每次間隔不少于30min。測試過程中用毛巾包裹光纜，并通過在毛巾上澆注熱水(90～100℃)的方式對光纜進行加熱，每次連續均勻澆注1min。同時，對測試過程中的加溫位置、報警位置、加溫時刻和報警時刻進行記錄，結果見表3。可以看出，分布式光纖法泄漏報警系統具有較高的泄漏監測和定位能力，系統能在10s內發出警報，且定位精度小于20m。

表3 測試結果

4 結束語

西部某油田選擇較優的次聲波法和分布式光纖法開展了現場管道泄漏測試，并對各項技術性能指標進行了評價。次聲波法可監測到的最小泄漏孔徑為3mm，響應時間不大于1min，定位精度小于50m；分布式光纖法的響應時間不大于10s，定位精度小于20m。兩種方法均能實現對現場管道的泄漏檢測和處理，尤其是分布式光纖法的各項技術指標都較優，但該方法需要沿線鋪設光纖，費用相對較高。因此，建議對兩種泄漏檢測報警方法進一步優化，提高其定位精度并降低響應時間，顯示泄漏點經緯度坐標，方便技術人員查找泄漏點，進一步提高應急快速反應能力。由此可見，兩種方法各項系統技術性能指標良好，用于油田地面管道泄漏報警是可行的，為油田進一步推廣管道泄漏報警技術提供了重要依據。

[1] 王雪亮,蘇欣,楊偉.油氣管道泄漏檢測技術綜述[J].天然氣與石油,2007,25(3):19～23.

[2] 王效東,黃坤,朱小華,等.油氣管道泄漏檢測技術發展現狀[J].管道技術與設備,2008,(1):24～26.

[3] 李輝,馮建國,廉明明,等.油氣管道泄漏監測與定位方法分析綜述[J].中國石油和化工標準與質量,2014,(4):117～118.

[4] 陳朋超.長輸管道安全預警系統若干關鍵技術研究[D].天津:天津大學,2010.

[5] 周琰,靳世久,曾周末,等.分布式光纖管道安全檢測定位技術研究[J].光電子·激光,2008,19(7):922～924.

[6] 闞玲玲,梁洪衛,高丙坤,等.基于次聲波的天然氣管道泄漏檢測系統設計[J].化工自動化及儀表,2011,38(6):653～655.

[7] 趙會軍,武偉強,王克華,等.基于次聲波法的油氣管道泄漏檢測與定位[J].油氣儲運,2012,31(3):215～218.

[8] 劉冰,王潔,吳健宏,等.分布式光纖測溫系統在LNG儲罐泄漏和冷卻溫度監測中的應用[J].化工自動化及儀表,2014,41(12): 1445～1447.

[9] 陳志剛,張來斌,王朝暉,等.基于分布式光纖傳感器的輸氣管道泄漏檢測方法[J].傳感器與微系統,2007,26(7):108～110.

LeakageAlarmforSurfacePipelinesinOil-GasFields

SONG Cheng-li1, GAO Qiu-ying2, FU An-qing1, GE Peng-li2, ZHU Yuan-yuan2

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute，Xi’an710077,China; 2.EngineeringTechnologyResearchInstitute,SinopecNorthwestOilFieldBranchCompany,Urumqi830011,China)

Through comparatively analyzing the theory and the merits and the demerits of 5 leakage alarm methods for pipelines, the infrasonic wave method and a distributed optical fiber method were selected for pipeline leakage alarm in a western oilfield. The testing result in-situ shows that, the minimum leakage aperture that infrasonic wave method could monitor is 3mm with the response time ≤1min and the positioning accuracy <50m; the distributed optical fiber method can monitor a response time ≤10s with positioning accuracy <20m.

leakage alarm technology, surface pipelines in oil-gas fields, infrasonic wave method, distributed optical fiber method

TQ055.8

B

1000-3932(2016)12-1262-04

2016-06-20