氣田管道智能管控技術(shù)研究應(yīng)用

張 昀，張向京，姬偉華，李娟娟

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采氣廠，陜西西安 710021）

1 技術(shù)應(yīng)用背景

近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)清潔能源需求的與日俱增，天然氣在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，而管道是天然氣最高效、安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式。第二采氣廠目前生產(chǎn)區(qū)域涵蓋榆林5個(gè)市/縣/區(qū)及山西省部分區(qū)域，管網(wǎng)覆蓋面大，長(zhǎng)輸管道及支干線交錯(cuò)復(fù)雜。管道沿線地質(zhì)地貌溝壑縱橫，自然條件惡劣，經(jīng)常遭受山體滑坡、水災(zāi)、穿越、占?jí)旱纫蛩赜绊懀瑯O易產(chǎn)生較大的位移應(yīng)力、屈曲或蠕變，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致管道斷裂破壞，同時(shí)，管道在內(nèi)部流體或外部載荷的作用下，會(huì)發(fā)生不同程度的振動(dòng)。為保障管道安全運(yùn)行，需要加強(qiáng)對(duì)整體管網(wǎng)及重點(diǎn)長(zhǎng)輸管道運(yùn)行情況的監(jiān)控，確保管網(wǎng)安全可靠運(yùn)行[1，2]。

2 管網(wǎng)管控現(xiàn)狀

該采氣廠目前在用管道45條，總計(jì)870余千米，分布在沙漠、山地等地形復(fù)雜區(qū)域，主要采取管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控、分析、告警及緊急情況下的聯(lián)動(dòng)關(guān)斷技術(shù)，加強(qiáng)了智能化運(yùn)行管理技術(shù)應(yīng)用，保障了管網(wǎng)安全運(yùn)行。

2.1 管網(wǎng)運(yùn)行狀況監(jiān)控

2.1.1 壓力流量在線監(jiān)控 在天然氣輸送過(guò)程中，井站管道內(nèi)為濕氣，經(jīng)處理廠進(jìn)行脫油脫水后達(dá)到國(guó)家二類氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行外輸。濕氣在輸送過(guò)程中，因壓力溫度變化在管道內(nèi)產(chǎn)生積液，隨管阻增大前后壓力差呈上升趨勢(shì)，導(dǎo)致管網(wǎng)整體輸氣效率下降。為此，對(duì)45條支干線上下游壓差、44座集配氣站及5座處理廠（站）外輸流量設(shè)定預(yù)警值。在差壓預(yù)警后，則提示清管作業(yè)，或流量發(fā)出預(yù)警時(shí)，通過(guò)綜合分析管網(wǎng)壓力，了解管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，提高了輸氣管控能力。

2.1.2 管道中間閥門(mén)聯(lián)鎖控制 在4條大型輸氣管道上安裝了7臺(tái)氣液聯(lián)動(dòng)閥以及氣體泄漏、火焰探測(cè)器等設(shè)施，在管沿途閥門(mén)前后管段壓降速率過(guò)快（＞0.5 MPa/10s）或發(fā)生泄漏或火災(zāi)時(shí)，閥門(mén)自動(dòng)緊急關(guān)閉。為防止閥門(mén)內(nèi)漏，將該管道的其他閥門(mén)與之進(jìn)行聯(lián)鎖控制，即發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)該管道沿途所有控制閥均聯(lián)動(dòng)關(guān)閉，確保該管道得到有效截?cái)唷Ｍ瑫r(shí)，為了防止上游管道、站點(diǎn)發(fā)生超壓，將與之相連的集氣站、處理廠的進(jìn)出站閥門(mén)也與管道閥門(mén)狀態(tài)進(jìn)行聯(lián)鎖控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)有關(guān)聯(lián)的管網(wǎng)、站點(diǎn)一鍵式停車(chē)管控，提升了氣田管網(wǎng)整體安全控制能力，保障生產(chǎn)運(yùn)行安全。

2.1.3 無(wú)人機(jī)巡航管理 定期采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行管道巡護(hù)，采集管道沿途巡航圖像。結(jié)合管道坐標(biāo)在巡航圖上進(jìn)行導(dǎo)航式掃描，對(duì)與周邊環(huán)境有差異的地方告警、人工判斷。每幀圖像可覆蓋300 m×300 m的區(qū)域，相對(duì)人工巡線，能有效發(fā)現(xiàn)周邊環(huán)境變化情況，管道巡護(hù)效果得到提高。紅色矩形即為系統(tǒng)分析的異常點(diǎn)（見(jiàn)圖1），便于及時(shí)掌握情況，采取有效措施防止事件擴(kuò)大。

2.1.4 監(jiān)控陰極保護(hù)運(yùn)況 對(duì)管道在用陰極保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行集中采集、監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行電流、電壓信息的有效管理，并通過(guò)監(jiān)控不斷優(yōu)化保護(hù)電流，加強(qiáng)了管道電化腐蝕保護(hù)能力。

2.2 高危高后果區(qū)信息化管理

結(jié)合信息化技術(shù)和管道地理信息GIS系統(tǒng)，對(duì)高危高后果區(qū)信息以及管道維護(hù)作業(yè)、日常巡護(hù)信息進(jìn)行記錄，實(shí)現(xiàn)了管道周邊環(huán)境信息、管道巡護(hù)、作業(yè)的有效管理，提高了管道信息化管理水平。

3 管道安全隱患監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

管道雖然實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行監(jiān)控、監(jiān)督檢查，但潛在的風(fēng)險(xiǎn)難以進(jìn)行有效管理。尤其是處于復(fù)雜地形、河流穿越等環(huán)境下，管道的應(yīng)力變化、微振動(dòng)等信息不能及時(shí)掌握，難以在合理范圍管控運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)防安全事故事件發(fā)生。通過(guò)對(duì)管道應(yīng)力監(jiān)測(cè)開(kāi)展研究，進(jìn)一步完善管道管理能力。

3.1 管道應(yīng)力與振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1.1 管道應(yīng)力監(jiān)測(cè) 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)及其分析評(píng)價(jià)技術(shù)是一種非常科學(xué)和有效的手段，通過(guò)在管道外壁安裝應(yīng)力應(yīng)變傳感器，獲取管道應(yīng)力漸變過(guò)程數(shù)據(jù)，對(duì)管道的安全狀態(tài)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

3.1.1.1 技術(shù)原理 管道在外力作用下，當(dāng)應(yīng)力或應(yīng)變達(dá)到某一臨界值時(shí)，即發(fā)生失效。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠掌握管道在外力作用下的力學(xué)行為。管道在工況下的荷載（內(nèi)壓、溫差）與彈性敷設(shè)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力或應(yīng)變進(jìn)行組合，在外力影響下，管道縱向或橫向發(fā)生應(yīng)力變化，就可以利用材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系判別管道的力學(xué)狀態(tài)，對(duì)管道的力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

應(yīng)力值通過(guò)管道微應(yīng)變來(lái)分析、計(jì)算，采用的是美國(guó)基康點(diǎn)焊式VK-4100型傳感器進(jìn)行管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)（見(jiàn)圖2）。

3.1.1.2 工作原理 應(yīng)變測(cè)量是在胡克定律（Hooke's law）的理論基礎(chǔ)上采用振弦原理：把一根鋼弦安裝在固定塊之間，安裝塊焊接在待測(cè)鋼件表面。表面的變形導(dǎo)致兩個(gè)安裝塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而引起鋼弦張力改變。隨著作用力不同，鋼弦的諧振頻率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。通過(guò)不同頻率脈沖來(lái)激勵(lì)鋼弦振動(dòng)，引起鋼弦共振，檢測(cè)其共振頻率，計(jì)算出傳感器的受力情況。其測(cè)量應(yīng)變采用以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：T-振動(dòng)周期；f-共振頻率。

3.1.2 管道振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù) 天然氣管道振動(dòng)對(duì)安全生產(chǎn)帶來(lái)較大的威脅，強(qiáng)烈的管道振動(dòng)將會(huì)使管路附件，尤其是管道的連接部位、管道與附件的連接部位和管道支架的連接部位等處，發(fā)生松動(dòng)甚至破裂，輕則使管道內(nèi)的氣體泄漏，嚴(yán)重時(shí)由管道的破裂處引起爆炸，造成重大事故。

圖1 無(wú)人機(jī)巡航圖像與分析監(jiān)控

圖2 VK-4100振弦式應(yīng)變計(jì)

管道的振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，是針對(duì)振源多或機(jī)械振動(dòng)物理特征不明確的高危高后果區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)在管道本體上安裝加速度傳感器，獲取管道振動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)加速度、振動(dòng)幅度、頻率、位移等信號(hào)利用參數(shù)矩陣進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合管道固有頻率和機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析，判斷管系的安全可靠程度。

3.1.2.1 技術(shù)原理 由于每一條管道在結(jié)構(gòu)、介質(zhì)、工況等諸多方面都不盡相同，所以管道振動(dòng)評(píng)價(jià)數(shù)值因管道而異。《GB/T 5047-2017油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》采用IEPE電壓輸出型壓電加速度傳感器對(duì)管道振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量與評(píng)價(jià)。

3.1.2.2 工作原理 IEPE電壓輸出型壓電加速度傳感器是內(nèi)置了電荷放大器的壓電加速度傳感器，信號(hào)經(jīng)由前置放大器轉(zhuǎn)換成低阻抗的電壓進(jìn)行輸出。

獲取到管道加速度信號(hào)后，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)值，利用傅立葉反變換得到加速度在時(shí)域的積分結(jié)果，從而判斷振動(dòng)是否影響到管道安全。

其加速度振動(dòng)影響通過(guò)下面經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

設(shè)加速度信號(hào)為 X（t）＝X＇（t）＋C，其中 X（t）為測(cè)試所得信號(hào)，X＇（t）為零均值交流信號(hào)，C為未知大小的直流分量。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

3.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 鑒于監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布較散，整個(gè)系統(tǒng)采取分布式采集方式，即將數(shù)據(jù)采集器和傳感器一起布置在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，在管道每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝三支振弦式傳感器、一支振動(dòng)傳感器，采用管道無(wú)損冷焊方式進(jìn)行安裝。

數(shù)據(jù)采集器采用內(nèi)置4G模塊的RTU對(duì)所有傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理，并通過(guò)4GAPN專網(wǎng)接入數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，利用DRESS21C分析軟件計(jì)算，實(shí)現(xiàn)管道狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖（見(jiàn)圖3）。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2.2 系統(tǒng)功能

（1）管道應(yīng)變信號(hào)采集：各個(gè)振弦式傳感器的信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理模塊，將采集到的電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為微處理器可直接處理的頻率數(shù)字信號(hào)；

（2）管道振動(dòng)信號(hào)采集：各個(gè)加速度傳感器信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理模塊，將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為微處理器可直接處理的加速度數(shù)字信號(hào)；

（3）管道應(yīng)變和應(yīng)力值計(jì)算：由測(cè)量出的頻率值通過(guò)管道力學(xué)關(guān)系，實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前管道所受應(yīng)力值；

（4）管道振動(dòng)狀態(tài)分析：實(shí)時(shí)計(jì)算管道振動(dòng)的加速度、速度、振幅、頻率等；

（5）管道環(huán)境溫度測(cè)量：對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；

（6）數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸：將現(xiàn)場(chǎng)管道數(shù)據(jù)通過(guò)4G/APN無(wú)線鏈路上傳至監(jiān)控中心服務(wù)器；

（7）監(jiān)控軟件：在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上展示現(xiàn)場(chǎng)管道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的狀態(tài)數(shù)據(jù)、趨勢(shì)曲線，存儲(chǔ)發(fā)布分析、預(yù)警信息。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察情況，重點(diǎn)選擇在長(zhǎng)輸管道高危及高后果區(qū)進(jìn)行管道應(yīng)力及振動(dòng)監(jiān)測(cè)：

（1）大型輸氣管道監(jiān)測(cè)點(diǎn)：該管道管徑為φ610×6.3，日均輸氣量500×104m3。管道橫穿河流后沿著河堤掩埋1 km，再次橫穿河流，呈“U”字型，總穿越河流長(zhǎng)度達(dá)73 m。由于管道長(zhǎng)年受河流沖刷，位置已經(jīng)發(fā)生偏移，屬于高危區(qū)。

因管道兩處穿越點(diǎn)的地理環(huán)境高度相似，因此只在一處安裝了兩個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖4）。考慮到管道穿越河流后，又穿越公路，在此安裝了一個(gè)管道振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖4 管道監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

（2）穿越公路干線：該處管道管徑為φ219×6，位于國(guó)道邊。該處管先后穿越國(guó)道、高架鐵軌，長(zhǎng)度30 m，道埋深不到2 m。附近地面因受貨車(chē)長(zhǎng)期、持續(xù)載荷影響，發(fā)生沉降，屬于高后果區(qū)。高架鐵軌上的火車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)導(dǎo)致地面載荷發(fā)生變化，振感明顯，因此在橫穿公路的管道兩側(cè)各安裝了一個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖5），加裝了一個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖5 國(guó)道段管道監(jiān)測(cè)點(diǎn)

（3）人口密集區(qū)干線：該處管道管徑為φ323×6，穿越鄉(xiāng)村水泥道路，沿道路鋪設(shè)約1 km，埋深不足1 m。該段道路過(guò)往的車(chē)輛、人員較多。因管道沿山峰、山谷沿平敷設(shè)，易受風(fēng)雨侵蝕，現(xiàn)場(chǎng)踏勘時(shí)發(fā)現(xiàn)部分管道下面已經(jīng)懸空、失去支撐，管道距離地下最低處達(dá)3 m深。在此處安裝了4個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，加上有大型貨車(chē)出入又增設(shè)了2個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

4 應(yīng)用效果

利用APN企業(yè)無(wú)線網(wǎng)建立現(xiàn)場(chǎng)RTU與數(shù)據(jù)采集服務(wù)的通訊通道，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)采集與發(fā)布。通過(guò)監(jiān)控終端對(duì)管道應(yīng)力、振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，采取自動(dòng)生產(chǎn)運(yùn)行報(bào)表進(jìn)行日常管理、分析，加強(qiáng)了管道的全方位管控能力。

5 結(jié)論與建議

通過(guò)管道應(yīng)力、振動(dòng)在線感知系統(tǒng)，實(shí)時(shí)分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)管道的安全狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了定量評(píng)價(jià)，提升了運(yùn)行期管道風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、評(píng)價(jià)和控制水平，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地質(zhì)不穩(wěn)定區(qū)域管道的安全預(yù)報(bào)預(yù)警，可以超前開(kāi)展針對(duì)性維修維護(hù)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控。結(jié)合管道聯(lián)動(dòng)連鎖控制，整體增強(qiáng)了管道應(yīng)急處置能力，有效提高了管道安全運(yùn)行管理水平，保障了管道安全管控能力，為油田輸油管道提前感知危險(xiǎn)、預(yù)防環(huán)境污染事件發(fā)生，提供了解決方案。