油气管道音波泄漏检测技术.pdf

2 0 1 0年 第 2期 管 技 术 Pi p e l i n e Te c h n i q u e 5 设 备 a n d Eq u i pme n t 2 01 0 No ． 2 油气管道音波泄漏检测技术 巩艳 ， 袁宗明 ， 林宇 ， 王 煜 1 ． 西南石油大学， 四川成都6 1 0 5 0 0 ； 2 ． 中石油西南油气田分公司川西北气矿邛崃作业区， 四川邛崃6 1 1 5 3 0 ； 3 ． 中石油西南油气田分公司重庆气矿开县作业区， 重庆4 0 5 4 0 0 摘要 随着国内石油天然气管道的迅速发展 ， 泄漏检 测作为保 障管道运行安全的重要 手段被 深入 研究。简要概述 了油气管道泄漏检测技 术， 详细 阐述 了音 波泄漏检 测与定位的基本 原理、 系统的硬件 设置及特点， 说 明了系统实现 中存在的问题 ， 并提 出了建议。 关键词 油气管道 ； 泄漏检测 ； 音波 中图分类号 T E 9 7 3 ． 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 0 0 2 0 0 1 9 0 3 S o n i c Le a k De t e c t i o n Te c h n o l o g y i n Oi l a n d Ga s P i p e l i n e GONG Ya n ， YUAN Zo n g ． rui n g ， LI N Yu ， W ANG Yu 1 ． S o u t h w e P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a ； 2 ． P e t r o C hin a S o u t h we s t Oi l a n d Ga s F i e l d C o mp a n y C h u a n x i b e i Gas P r o d u c ti o n D i v i s i o n ， Qi o n g l a i 6 1 1 5 3 0 ， C hin a ； 3 ． P e t r o C hin a S o u t h w e s t Oi l a n d G a s F i eld C o mp a n y C h o n g q i n g G a s P r o d u c ti o n D i v i s i o n ， C h o n g q i n g 4 0 5 4 0 0 ， C hin a Ab s t r a c t W i t h t h e r a p i d d e v e l o p me n t o f d o me s t i c o i l a n d g a s p i p e l i n e s ， p i p e l i n e l e a k d e t e c t i o n， wh i c h i s a n i mp o r t a n t me a n s f o r g u a r a n t e e i n g t h e s a f e o p e r a t i o n o f t h e p i p e l i n e ． h a s r e a c h e d a t h o r o u g h s t u d y ． T h i s p a p e r b ri e fl y s u mma ri z e s t h e o i l ＆ g a s p i p e - l i n e l e a k d e t e c t i o n t e c h n o l o g i e s ． I t e x p o u n d s t h e b a s i c p rin c i p l e o f t h e l e a k a g e d e t e c t i o n a n d l o c a l i z a t i o n o f t h e s o n i c l e a k d e t e c t i o n t e c h n o l o g y ，t h e h a r d wa r e c o n fi g u r a t i o n a n d c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e s y s t e m． I t e x p l a i n s t h e p r o b l e ms e x i s t i n g i n t h e s y s t e m i m- p l e me n t a t i o n a n d p u t s for w a r d s o me s u g g e s t i o n s ． Ke y wo r d s o i l a n d g a s p i p e l i n e ； l e a k d e t e c t i o n；s o n i c 1 管道泄漏检测技术概述 由于管道的老化、 腐蚀、 意外或人为破坏等原因， 泄漏事故时有发生 ， 这不仅会造成 巨大的经济损失和 资源浪费， 而且还会带来严重的安全和污染问题。因 此 ， 当管道投入运行后 ， 利用管道泄漏检测技术对管 道进行泄漏检测并对泄漏点进行定位是确保油气管 道在服役期间安全运 营的重要手段。 目前 ， 国内外有 多种油气长输管道泄漏检测和定位方法。 根据检测手段 的不 同， 可分为基 于硬件 和软件 的 方法 。基于硬件的方法 h a r d w a r e ． b a s e d me t h o d s 是指利用不同物理原理设计的硬件装置 ， 如基 于视觉 的红外线温度传感器、 基于听觉的超声波传感器、 基 于嗅觉的碳氧检测装置等， 将其携带或铺设在管线 上， 以此来 检测管道的泄漏并定位 ； 基于软件 的方法 s o f t w a r e ． b a s e d m e t h o d s 是根据计算机数据采集 系统 如 S C A D A系统 实时采集管道 的流量、 压力、 温度及 其他数据， 利用流量或压力的变化、 物料或动量平衡、 收稿 日期 2 0 0 8一l 2一l 9 收 修改稿 日期 2 0 0 91 1 0 4 系统动态模型、 压力梯度等原理， 通过计算对泄漏进 行检测和定位。 根据检测媒介的不同， 可分为直接检测法与间接检 测法 J 。直接检测法主要采用人工巡视或通过沿管道 周围埋设湿度或气敏传感器 例如光纤湿度传感器 ， 利用这些传感器直接感应泄漏流体， 泄漏检测系统马上 进行报警。这种检测方式 的特点是能精确地对泄漏点 进行定位， 然而需要预先在管道周围埋设大量传感器和 传输装置 ， 费用较高， 且 只能对 已经泄漏的地点进行报 警而不能提前预报泄漏地点。间接检测法是根据一些 物理参数如磁通、 超声 、 涡流、 压力波的变化或者物质平 衡等方法对管道进行无损检测。它既可以对已经泄漏 的管道进行漏点定位， 也可根据管道壁厚、 腐蚀程度等 参数分析管道的运行状态， 对潜在的泄漏部位进行提前 检修， 从而避免管道泄漏。目前， 这一类的检测方法已 经从单一的物理参数发展到了采用多参数， 从静态模型 分析方法发展到动态模型分析方法， 从非实时检测发展 到在线实时检测技术。 根据检测装置所处位置 的不 同， 可分为 内部检测 2 0 P i p e l i n e T e c h n i q u e a n d E q u i p me n t Ma r ． 2 0 1 0 法与外部检测法_ 4 J 。管内检测法发展于 2 0世纪 8 0 年代末期， 该方法基于磁通、 超声、 涡流、 录像等技术， 将探测仪器沿管线内检测， 利用噪声法或漏磁法采集 数据， 分析和判断管道是否发生泄漏。此类方法检测 准确， 精度较高， 适于管径较大、 弯头和连通较少的管 道； 缺点是对管道条件要求较高， 探测只能间断进行， 实际使用 时易发生堵塞、 停运的事故 ， 且无法在线监 测 ， 造价较 高。管外 检测法基 于管 线压 力、 温度、 流 量、 振动等运行参数的检测 ， 主要包括沿管巡视、 流量 差法、 压力差法、 负压波法和声波法等， 其费用较低， 可连续在线检测 ， 检测准确 、 速度快 ， 但定位精度低 ， 泄漏事故 的漏报 、 误报率高。 目前， 这类方法在 向实 时在线检测和人工智能方面发展 。 根据检测对象的不同， 可分为检测管壁状况和检 测内部流体状态的方法 J 。 2 音波泄漏检测技术 利用音波法对管道进 行测漏是 目前全球顶尖 的 管道泄漏实时检测技术 ， 世界上主要工业 国家都已进 行过成功应用。在国内 ， 西气东输天然气管道人 口密 集的苏沪段干线 2 7 8 k m管道也进行了成功应用 。 2 ． 1 基本原理 音波泄漏检测技术适用于气体管道、 液体管道及 多相流管道的泄漏检测和定位 I 2 J 。当管道发生破裂 时， 产生泄漏压力 ， 这将会影响流体并产生一短暂音 波， 音波以管内流体为传输介质， 并利用管内壁为反 射体向管道两端扩散， 安装在管道两端的现场数据采 集处理器立即接收管 内输送介质泄漏瞬间所产生 的 音波震荡， 通过比较数据库中的模型来确定管道是否 发生 了泄漏 以及泄漏量等数值 ； 同时 ， 利用管段两端 的现场数据采集处理器传送信号的时差， 从而判断泄 漏位置。 安装在所需监测管道两端的音波传感器不断地 将其接收到的信号传送到现场数据采集处理器， 而这 些信号与同样安装于现场的 G P S 接收器的时间信号 对应； 在管道正常流动情况下， 音波传感器接收的信 号被处理为背景噪音 。当管道一旦 出现泄漏 ， 泄漏音 波信号和管道正常流动下的背景噪音一同传到音波 传感器， 经音波测漏系统的比对和鉴别， 系统将迅速 依据这一捕捉到的微小物理震动信号判断出管道的 泄漏孔径和泄漏位置， 同时报警， 以保证管道输送的 安全。音波泄漏检测原理示意图 如图 1所示。 音波泄漏检测法定位公式见式 1 L 图 1 音波泄漏检测原理图 X L ／ 2 一 a ／ 2 1 式中 为泄漏点到首站的距离； L为两个传感器之间 的距离； T 、 分别为首站、 末站检测到泄漏信号的时 间 ； 为流体音速 。 2 ． 2 音波测漏系统的组成 利用音波测漏技术 ， 可 以根据需要建设音波测漏 系统 ， 用于油气长输管道的泄漏检测 J 。音波泄漏检 测系统一般由音波传感器、 G P S 时间同步设备、 现场数 据采集处理器、 中心数据采集处理器和系统中央主机 组成 。 2 ． 2 ． 1 音波传感器 音波传感器是采集泄漏信号的重要部件， 可以捕 捉很微小的物理震动信号， 可敏感地接收到带有压力 的流体在管道流动的信号， 即便是微弱的泄漏也会改 变音波传感器中传输信号的特性。 2 ． 2 ． 2 G P S时间同步设备 现场及控制中心均装有 G P S时间同步设备， 其时 间误差调整为 5 0 0 n s ． 因为各个采集处理器 的时间 同步设备互为独立， 不会因卫星通讯 V A S T 故障或 中断通讯而影响系统监测泄漏事件。一个泄漏信号 到达不同处理器的时间都会显示在两个不同的现场 数据采集 处理器的时钟上面。所有现场数据采集 处 理器的监控板时钟都保持同步。此效果是通过安装 在每个现场数据采集处理器上面 的全球卫 星定 位系 统来实现。G P S 能够在 5 0 0 n s 同步所有的现场数据 采集处理器的时钟 。 当运行管道发生破损泄漏时， 音波传感器装置采 集到管道破损瞬间的音波信号， 并将音波信号传送到 现场数据采集处理器， 现场数据采集处理器对信号进 行处理并转换为固定格式的数字信号， 打上 G P S时 标， 把数据上传至中心数据汇集处理器。 2 ． 2 ． 3 现场数据采集处理器 当运行管道发生破损泄漏时， 现场数据采集处理 器中的音波传感 器装置会采集管道破损瞬 间产生 的 音波， 并将音波信号传送到现场数据采集处理器。现 第 2期 巩艳等 油气管道音波泄漏检测技 术 2 1 场数据采集处理器接收到相应信号后， 当即对信号进 行处理并转换为固定格式的数字信号， 并把数据上传 至 中心数据汇集处 理器。现场 数据采集处 理器 固件 包括信号处理密码 、 通信 以及输入与输 出状 态控制。 通过来 自所有现 场数据采集处 理器输入 的数据来确 定泄漏的发生。一个泄漏是否发生 ， 要取决 于它是否 被两个音波监测装置分别监测到 ， 而且这个泄漏事件 通过处理器的过滤才能最终确认 。 2 ． 2 ． 4 中心数据采集处理器 中心数据采集处理器 与各现场数 据采集处 理器 相互通信 ， 能整合分析来自各现场数据采集处理器的 数据， 并对其进行有序排列。通过检测音波电流数 据， 中心数据采集处理器就会以 R A M 的形式创建出 监测的泄漏文件 ， 然后进行 一系列的计算 ， 判断泄漏 是否发生并确定具体泄漏位置 ， 并将结果进行存储 ， 将泄漏数据传递到人机界面。 2 ． 2 ． 5 系统 中央主机 音波泄漏检测系统控制主机以 P C服务器为数据 处理 中心 ， 包括核心数据处理模 型处理 软件 。庞大的 对比型数据库及其专利算法 ， 构成 了音波测漏系统的 核心。操作者可输A／ 输出资料， 并打印相关数据信 息。所有现场及远程的参数设定 、 调校均可通过该设 备进行。 2 ． 3 音波泄漏检测系统的特点 1 快速。泄漏监测时间通常可在 6 0 S 内。 2 灵敏度高。泄漏监测孔径在适当条件下可达 0 ． 1寸 1 寸 2 ． 5 4 c m 内。 3 准确度高。泄漏定位误差在3 0 m内。 4 可信赖度高。系统误报率低 ， 平均 1 年少于 1 次。 5 操作方便。安装、 维护简单， 非专业人员同样 可以操作 。 3结束语 音波泄漏检测技术 检测效率高 ， 可准确地判 断泄 漏的发生， 并能在较短的时间内判断出泄漏点的具体 位置， 可靠地判断泄漏程度， 能对较小量的泄漏做出 判断。检测系统原理简单 ， 易于操作和维护 。 但该技术 目前在国内属新兴技术 ， 其应用尚处 于 起步 阶段 j 。对于已经投产的长输管道 ， 由于设计上 并未考虑安装音波测漏系统， 在后期改造时就会产生 许多不必要的困难， 这主要体现在音波传感器安装点 的选取上。由于在管道干线上没有预留合适监测点， 对于投运的干线管线不便进行动火施工， 只能在旁支 线上利用 已有 引压管安装音波传感器 ， 但 这会使音波 传感器位置难 以达到距离要求 ， 影响了系统检测 的精 度。因此， 建议在建设新的管线时， 要为音波系统预 留合适的检测点， 同时考虑电缆敷设、 通信信道容量、 网络地址分配等问题 。 参考文献 [ 1 ] 李瑾． 音波泄漏检测系统设计． 石油化工 自动化 ， 2 0 0 7 5 7 8 8 0 ． [ 2 ] 李瑾． 输气管线泄漏检测系统设计． 胜利油田职工大学学 报， 2 0 0 7 ， 2 1 2 7 4 7 5 ； 7 8 ． [ 3 ] 别沁， 郑云萍 ， 付敏 ， 等． 国内外油气输送管道泄漏检测技 术及发展趋势． 石油工程建设 ， 2 0 0 7， 3 3 3 1 92 3 ． [ 4 ] 陈华敏， 师学明， 张云姝 ， 等． 管道泄漏检测技术进展． 安 全与环境工程 ， 2 0 0 3 ， 1 0 3 5 86 1 ． [ 5 ] 耿艳峰， 张朝晖． 气体长输管线泄漏检测技术． 仪器仪表 学报， 2 0 0 1 ， 2 2 4 增刊 3 2 8 3 3 0 ． [ 6 ] 王效东， 黄坤 ， 朱小华， 等． 油气管道泄漏检测技术发展现 状． 管道技术与设备， 2 0 0 8 1 2 4 2 6 ． [ 7 ] 牛树伟． 音波测漏技术在长输管道上的实现． 科技创新导 报， 2 0 0 8 1 5 8 4 ． [ 8 ] 景晓斐． 输气管道音波泄漏检测技术研究 [ 学位论文] ． 沈阳 沈阳工业大学， 2 0 0 6 ． [ 9 ] 杨理践 ， 景晓斐 ， 宫照广． 输气管道音波泄漏检测技术的 研究． 沈阳工业大学学报， 2 0 0 7 ， 2 9 1 7 0 7 3 ； 1 0 2 ． 作者简介 巩艳 1 9 8 6 一 ， 在读硕士研究生， 主要从事油气集输 工艺 的研究 。 上接 第9页 [ 3 ] 胡艳， 丁树柏 ， 邹立群． 遥感技术和地理信息技术在管道 选线中的应用． 国土资源遥感 ， 2 0 0 4， 6 0 2 4 3 4 6 ． [ 4 ] 吴宏． 西 气东输管道工程介绍 上 ． 天然气工业， 2 0 0 3 ， 2 3 6 1 1 71 2 2； 1 8 5 ． [ 5 ] 樊涛， 王海山． 中国石油管道信息系统建设构想． 石油规 划设计， 2 0 0 4 ， 1 5 4 81 0； 4 8 ． [ 6 ] 薛元忠， 宋波 ， 顾斌超 ， 等． 海底输油管道掩埋状况调查研 究． 海洋工程 ， 2 0 0 0， 1 8 3 9 2 9 6 ． [ 7 ] 党安荣． A r c G I S 8 D e s k t o p 地理信息系统应用指南． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 3 5 ． [ 8 ] 朱凌． A r c G I S 9的特点及其 A r c o b j e c t s C o n t r o l s 版的使用 体会． 北京测绘 ， 2 0 0 4 1 1 6 1 8 ． [ 9 ] 赵万锋， 刘南． 基于 A r c o b j e c t s的系统开发技术剖析． 计 算机应用研究， 2 0 0 4 3 1 3 01 3 2 ． [ 1 0 ] 吴秀芹 ， 张洪岩， 李瑞改 ， 等． A r c G I S 9地理信息系统应 用与实践． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 7 6 ． 作者简介 陈宁 1 9 7 4 一 ， 硕士， 从事管理方面的研究工作。