任 嬌，李 季，王 東，劉 剛，紀國文

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基于負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，紀國文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分公司， 四川 綿陽 621000； 3. 西南石油大學， 四川 成都 610500）

油氣輸送管道關乎國家能源安全，近年來隨著石油工業(yè)的發(fā)展，敷設管線大幅增多。由于腐蝕和人為破壞等問題，管道泄漏事故時有發(fā)生，不僅對環(huán)境污染嚴重，而且也威脅沿線群眾的生命財產安全?；谪搲翰?、音波、質量或體積等單因素的管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)在國內得到了廣泛應用，但是影響管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)有效性的因素有很多，這時候用單因素進行管道泄漏定位會出現較大的偏差。本文提出的基于負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監(jiān)測系統(tǒng)的影響，對管道泄漏點進行準確的定位，為管道運行和維護人員提供科學依據。

負壓波；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營的成本，便于對整個系統(tǒng)進行自動化控制。但是輸油管道一旦發(fā)生泄漏，后果是十分嚴重的。造成管道泄漏的原因一般有以下幾種：管道材質存在缺陷；管道密封不良或者閥門處泄漏；重物重壓或地質構造導致地基下沉，使管道開裂；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)現管道泄漏并準確定位，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確度。

1 負壓波和音波泄漏定位方法原理

1.1 負壓波法原理[1]

當管道發(fā)生泄漏的時候，由于管道內部和外部存在壓力差，泄漏點的流體迅速流失導致該點壓力下降，泄漏點兩邊的流體因為存在壓差而向泄漏點流動補充。這個過程向上下游傳遞，相當于在泄漏點形成了一個向遠處傳遞的具有一定速度的負壓力波。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。根據負壓波向上游和下游傳遞的速度和到達兩端壓力變送器的時間差，可以精確計算出泄漏點的位置。

管道泄漏定位原理如圖1，設管道起點為點、泄漏點為點、終點為點，為整個管道的長度，X為管道上游到泄漏點的長度，1和2是負壓波從泄漏點傳播到管道兩端的時間，t為全程負壓波傳播時間[2]。

圖1 管道泄漏定位示意圖

經過以上分析，可以得出

其中

設t為t1和t2的時間差，則有

由式（1）和式（3）可得

則泄漏點距離管道起點的距離為

負壓波監(jiān)測定位技術具有很高的定位精度和很快的響應速度，能夠迅速檢測出突發(fā)性的泄漏，其自動化程度較高，但是對于泄漏量較小的情況效果不明顯。我國的成品油管道泄漏主要是認為原因造成的，特點是持續(xù)時間短且泄漏量較大，符合負壓波傳送的特點。

1.2 音波法原理

音波監(jiān)測管道泄漏的原理是利用音波傳感器監(jiān)測沿著管線傳播的音波信號，然后通過一定的計算對泄漏點進行定位[3]。當管道發(fā)生泄漏時，管道內的輸送介質與管壁摩擦產生震蕩，發(fā)出音波。音波沿著管道向上下游進行高速傳播，在管道兩端安裝有音波接收器捕捉音波圖形，并且通過與計算機數據庫中的數據進行對比確定是否發(fā)生泄漏和泄漏量的大小，同時在管道兩端捕捉到的泄漏信號的時間差和音波運行速度計算得到泄漏點的位置[4]。當管道正常運行情況下，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，泄漏音波信號同正常運行時的音波噪音一同傳給音波傳感器，經過音波監(jiān)測系統(tǒng)的鑒別，系統(tǒng)會迅速捕捉到微小的震動信號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是負壓波從泄漏點傳播到管道兩端的時間，泄漏點的計算公式為

式中：—泄漏點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間差。

由上式可以看出，音波法計算泄漏點位置的公式是很簡單的，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間差是兩項非常關鍵的技術。

負壓波法具有很強的定位精度和響應速度，但是其容易受到管線運行工況的影響，有時管道泄漏量很小，所以產生的微弱負壓波傳遞到探測器時候能量已經很低，經常分辨不清，而高凌密度的音波傳感器能夠檢測到很微弱的聲音信號，鑒于此，我們采用音波法來彌補負壓波法對管道泄漏的監(jiān)測定位。

2 負壓波法和音波法檢測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

根據系統(tǒng)的組成特點，成品油管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)分為子站和中心站軟件兩個部分。

（1）子站實時采集本站進、出站壓力及音波數據，并通過網絡向中心站傳送。

（2）中心站實時接收子站數據，并進行綜合分析判斷。若發(fā)生泄漏，系統(tǒng)將報警，并自動定位泄漏點。管理人員可通過“手動定位”分析，以及結合SCADA系統(tǒng)流量數據變化，來確認此次壓力異常是否為泄漏。

（3）中心站軟件上實時顯示的信號波形（壓力、音波）。

系統(tǒng)的總體結構框圖如圖2所示。

當管道發(fā)生泄漏時，泄漏點處由于管道內外的壓差，流體迅速流失，在泄漏點處的壓力迅速下降形成負壓波，同時流體外泄產生音波。負壓波和音波在管內介質中以聲波速度向上下游傳播。

本系統(tǒng)采用泄漏產生的負壓波和音波，并進行綜合分析，判斷管道是否發(fā)生泄漏并進行定位計算。

圖2 泄漏監(jiān)測系統(tǒng)組成

2.2 軟件設計

基于負壓波和音波的管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)是一個復雜的實時多任務系統(tǒng)，它包含以下幾個模塊[5]：

（1）數據采集模塊

管道內的負壓波信號、音波信號、壓力信號、流量信號和溫度信號都是有加裝在管道首端和末端的各種傳感器獲取，并通過數據采集卡將模擬信號轉換為二進制信號，以二進制格式保存。

（2）GPS時鐘校對模塊

判斷信號是正常生產還是意外泄漏和計算泄漏信號傳播到管道首末兩端時間差，首端和末端的數據波形起始時間對齊是非常重要的。因為計算機本地時鐘的穩(wěn)定性較差，所以利用美國GPS導航衛(wèi)星的授時功能實現了對兩端時鐘的校對。

（3）數據傳輸模塊

通過遠程數據采集，將分布在網絡上的參數信息輸送匯總到中心站。可以對管道進行遠程泄漏診斷，還可以將實時數據傳給相關監(jiān)控站，及時排除管道故障。

（4）數據處理及診斷模塊

中心站采集到的負壓波和音波數據首先要進行降噪和濾波等處理，這樣才能保證計算的準確性。用負壓波法和音波法綜合對管道進行泄漏點定位是本系統(tǒng)的優(yōu)勢。

（5）實時曲線顯示模塊

中心站接收到的壓力、音波、流量等數據都可以通過實時曲線進行顯示，站點工作人員可以直觀的查看指定時間內的參數信息，憑借經驗察覺出管道的故障。

3 系統(tǒng)應用實例

管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)以負壓波、音波為基礎，能夠實時監(jiān)測管道發(fā)生的突發(fā)性泄漏，并給出泄漏點位置。該系統(tǒng)檢測靈敏度高、定位誤差小、反應時間快，能夠及時發(fā)現因打孔盜油等造成的管道泄漏。該系統(tǒng)在停輸情況下，只要管道內保持一定的壓力，并保持管段暢通，也能夠監(jiān)測泄漏。

負壓波和音波實時監(jiān)測曲線如圖3所示，其中白色曲線為負壓波監(jiān)測曲線，左側坐標軸表示其壓力大小；白色曲線為音波監(jiān)測曲線，右側坐標軸表示音波強弱。

圖3 實時監(jiān)測曲線

本系統(tǒng)在某條成品油管道進行了現場測試，總管長為46 000 m，成品油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)測試結果如表1所示，定位相對誤差在4.5%以內，說明基于負壓波和音波的成品油管道監(jiān)測系統(tǒng)是準確有效的。

表1 成品油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)測試結果

4 結論

成品油管道有很多是長距離輸油管線，地形環(huán)境和運行工況比較復雜。一旦發(fā)生泄漏卻不能盡快準確定位，其后果不堪設想。基于負壓波和音波的成品油管道泄漏綜合定位分析系統(tǒng)能夠有效地對泄漏點進行定位，具有靈敏度高、告警快速、定位準確等優(yōu)點，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)測上。

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

［2］ 廉小親，蘇維均，田黎明. 基于負壓波法的輸油管道泄漏檢測定位系統(tǒng)[J]. 計算機工程與設計，2007，28（9）：2199-2202．

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

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

［5］ 李利鋒，白澤生. 基于負壓波和流量平衡的原油管道檢漏定位系統(tǒng)[J]. 現代電子技術，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行管理等工作。E-mail：380337493@qq.com。