曾金令

自2013年“11·22東黃輸油管道原油泄漏爆炸特別重大事故”發(fā)生以來(lái)，國(guó)家及相關(guān)煉化企業(yè)持續(xù)加大對(duì)油氣輸送管道的安全管理力度，為油氣輸送管道搭建一套對(duì)泄漏進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和定位的系統(tǒng)是加強(qiáng)油氣輸送管道安全管理的有效措施。

2005年，嚴(yán)正國(guó)團(tuán)隊(duì)［1］提出基于水擊波原理的輸油管線漏失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)在大慶油田得到測(cè)試和應(yīng)用。2005年，王強(qiáng)團(tuán)隊(duì)［2］基于聲發(fā)射信號(hào)的傳播和改進(jìn)小波包分解算法，提出了一種鉆孔破壞點(diǎn)精確定位的方法。2011年，賈宗賢團(tuán)隊(duì)［3］通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了小波變換理論在天然氣管道泄漏預(yù)報(bào)中的應(yīng)用。2015年，闞玲玲團(tuán)隊(duì)［4］基于聲學(xué)和流體學(xué)等相關(guān)理論給出了一種天然氣管道次聲波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)方案。2016年，Morteza Zadkarami團(tuán)隊(duì)［5］集成OLGA軟件和多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（MLPNN）分類技術(shù)，對(duì)伊朗一條20 km的“Goldkari－Binak”管道的泄漏故障進(jìn)行了有效分類和定位應(yīng)用。

在此介紹一種基于次聲波的智能泄漏檢測(cè)系統(tǒng)（Intelligent Leakage Detection System，ILDS）在中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱上海石化）汽油長(zhǎng)輸管道上的應(yīng)用情況。

1 汽油長(zhǎng)輸管道的概況

截止到2017年，服役19年之久的汽油長(zhǎng)輸管道由上海石化以年5 Mt／a的能力向陳山油庫(kù)輸送汽油。管道里程為26.229 km，途經(jīng)區(qū)域的地表地物主要包括：農(nóng)耕地、沼澤地、住房和河流等，埋設(shè)地為4級(jí)地區(qū)。管道等級(jí)為GA2，其管體與運(yùn)行參數(shù)如表1和表2所示。

表1 汽油長(zhǎng)輸管道的管體參數(shù)

表2 汽油長(zhǎng)輸管道的運(yùn)行參數(shù)

在沿程含水量、含鹽量、pH、電阻率和孔隙率等理化性質(zhì)差異較大的氣、液、固多相體系土中，汽油長(zhǎng)輸管道易受到氧濃差電池、硫酸鹽還原菌等腐蝕威脅；同時(shí)，地表占?jí)?、雜散電流、道路、河流等外部動(dòng)態(tài)環(huán)境亦對(duì)汽油長(zhǎng)輸管道的安全構(gòu)成挑戰(zhàn)。

鑒于“11·22東黃輸油管道原油泄漏爆炸特別重大事故”的教訓(xùn)，2015年上海石化在中國(guó)石化提出的設(shè)備完整性和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防式管理理念［6］的指導(dǎo)下，在此汽油長(zhǎng)輸管道上搭建了一套對(duì)泄漏具有實(shí)時(shí)檢測(cè)和定位功能的ILDS，以提高長(zhǎng)輸管道的安全運(yùn)行等級(jí)。

2 泄漏檢測(cè)系統(tǒng)

油氣輸送管道泄漏時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)疊加了具有奇異性的次聲波信號(hào)［4］，這種次聲波信號(hào)是由泄漏處的介質(zhì)與管壁高速摩擦形成的低頻能量波產(chǎn)生的，這些信息能為管道的泄漏檢測(cè)和準(zhǔn)確定位提供分析依據(jù)。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

ILDS與定位原理如圖1所示，汽油長(zhǎng)輸管道上搭建的ILDS主要由石化1站與油庫(kù)1站聲波傳感器、聲波采集與發(fā)射模塊、監(jiān)控主機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器和全球定位系統(tǒng)（GPS）／北斗衛(wèi)星等5部分組成。另外，石化2站與油庫(kù)2站聲波傳感器作為補(bǔ)充配置，分別安裝在距離石化1站和油庫(kù)1站150 m與200 m處。

圖1 ILDS與定位原理

在ILDS工作時(shí)，聲波傳感器檢測(cè)并放大聲波信號(hào)，聲波采集與處理模塊采集并預(yù)處理聲波信號(hào)，GPS／北斗衛(wèi)星保證系統(tǒng)接收到的聲波信號(hào)具有同步性。如果在聲波信號(hào)預(yù)處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)疑似泄漏次聲波信號(hào)，數(shù)據(jù)服務(wù)器將會(huì)對(duì)聲波信號(hào)做進(jìn)一步的處理。如果汽油長(zhǎng)輸管道確實(shí)發(fā)生泄漏，監(jiān)控主機(jī)將實(shí)時(shí)發(fā)出警報(bào)，并預(yù)報(bào)泄漏點(diǎn)位置x。

2.2 泄漏定位原理

如圖1所示，汽油長(zhǎng)輸管道的泄漏點(diǎn)位于石化1站和油庫(kù)1站聲波傳感器之間。ILDS信號(hào)分析軟件將石化1站與油庫(kù)1站接收到的次聲波信號(hào)同步并作互相關(guān)后，利用小波變換的時(shí)間－尺度特性［3］可有效地獲取到變化信號(hào)中次聲波信號(hào)傳到兩端聲波傳感器的絕對(duì)時(shí)間T1與T2，從而得到如下的定位公式：

式中，C為次聲波在介質(zhì)中傳播的速度，m／s。

3 系統(tǒng)測(cè)試方法

為了不破壞汽油長(zhǎng)輸管道的完整性，采用閥門(mén)開(kāi)閉泄放的方式模擬泄漏場(chǎng)景，以測(cè)試ILDS的泄漏檢測(cè)功能。ILDS測(cè)試方法如圖2所示，泄放組件通過(guò)短節(jié)安裝在聲波傳感器組件的測(cè)試孔上。測(cè)試過(guò)程中，快速全開(kāi)泄放球閥，并保證5 s的泄放時(shí)間，然后迅速關(guān)閉。泄放頭孔徑有7 mm和5 mm兩種規(guī)格，以模擬不同大小的泄漏點(diǎn)，并各進(jìn)行3次泄放測(cè)試，期間相鄰再次泄放操作的時(shí)間間隔不低于5 mm。

圖2 ILDS測(cè)試方法

4 結(jié)果與討論

4.1 次聲波信號(hào)分析

圖3是石化1站處模擬泄漏時(shí)ILDS檢測(cè)到的聲波信號(hào)，此時(shí)模擬泄漏點(diǎn)（石化1站）在布控范圍內(nèi)。由圖3可見(jiàn)：聲波信號(hào)中能夠觀察到明顯的奇異性的次聲波信號(hào)。由于泄漏點(diǎn)在石化1站處，石化1站處檢測(cè)到的泄漏信號(hào)較油庫(kù)1站處檢測(cè)到的泄漏信號(hào)背景干擾噪音較少，且信噪比最大。同時(shí)，由圖3可知：次聲波信號(hào)在由石化1站向油庫(kù)1站傳播過(guò)程中產(chǎn)生了近2／3幅度的衰減，其中正向波幅由495 mV急減至163 mV，而負(fù)向波幅由－580 mV急減至－288 mV。

由圖3還可知：與石化1站相比，油庫(kù)1站在接收次聲波信號(hào)時(shí)發(fā)生了延遲滯后現(xiàn)象。泄放頭孔徑為7 mm時(shí)，3次泄放中ILDS的響應(yīng)時(shí)間分別為40，37，37 s；泄放頭孔徑為 5 mm時(shí)，3次泄放中ILDS的響應(yīng)時(shí)間分別為41，36，39 s。響應(yīng)時(shí)間小于50 s，ILDS能迅速檢測(cè)到長(zhǎng)輸管道泄漏的發(fā)生。

圖3 石化1站處模擬泄漏時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)到的聲波信號(hào)

圖4 是油庫(kù)2站處泄漏時(shí)ILDS檢測(cè)到的聲波信號(hào)，此時(shí)模擬泄漏點(diǎn)（油庫(kù)2站）在布控范圍外200 m處。由圖4可知，ILDS的響應(yīng)時(shí)間仍然小于50 s。

圖4 油庫(kù)2站處模擬泄漏時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)到的聲波信號(hào)

4.2 泄漏定位誤差

限于ILDS的技術(shù)條件，布控范圍內(nèi)報(bào)警泄漏點(diǎn)與實(shí)際泄漏點(diǎn)之間的定位誤差小于50 m時(shí)，泄漏定位x為準(zhǔn)確定位。

表3列出了石化1站與油庫(kù)2站處模擬泄漏時(shí)ILDS的泄漏定位誤差。石化1站處模擬泄漏時(shí)，實(shí)際泄漏點(diǎn)位于布控范圍的一端，報(bào)警定位點(diǎn)位于聲波傳感器布控范圍內(nèi)。由表3可知，6次測(cè)試中泄漏定位誤差最大為14 m，滿足ILDS的定位精度要求（小于50 m）。

油庫(kù)2站處模擬泄漏時(shí)，實(shí)際泄漏點(diǎn)（油庫(kù)2站）位于聲波傳感器布控范圍外，報(bào)警定位點(diǎn)仍位于聲波傳感器布控范圍內(nèi)。由表3可知：6次測(cè)試中泄漏定位誤差最大為224 m，此時(shí)，泄漏定位誤差包括系統(tǒng)誤差：油庫(kù)1站和油庫(kù)2站之間的里程200 m。

表3 測(cè)試過(guò)程中的泄漏定位誤差

5 結(jié)論

（1）ILDS能夠有效地對(duì)泄漏次聲波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和降噪處理。

（2）ILDS對(duì)泄漏的響應(yīng)時(shí)間小于50 s，能迅速檢測(cè)到泄漏的發(fā)生。

（3）聲波傳感器布控范圍內(nèi)，ILDS的泄漏定位誤差小于50 m。該ILDS對(duì)汽油長(zhǎng)輸管道泄漏滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)和準(zhǔn)確定位的要求。

［1］ 嚴(yán)正國(guó)，張家田，胡長(zhǎng)嶺，等.輸油管線漏失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，20（1）：66－68.

［2］ 王強(qiáng)，張光新，周澤魁，等.基于聲發(fā)射的輸油管線破壞點(diǎn)定位方法研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2005，39（3）：321－325.

［3］ 賈宗賢.基于小波變換的天然氣管道次聲波信號(hào)分析［J］.油氣田地表工程，2011，30（11）：13－14.

［4］ 闞玲玲，梁洪衛(wèi)，高丙坤，等.基于次聲波的天然氣管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2015，38（6）：653－655.

［5］ Mor teza Zadkarami，Mehdi Shahbazian，Karim Salahshoor.Pipeline leakage detection and isolation：An integrated approach of statistical and wavelet feature extraction with multi－layer perceptron neural network（MLPNN）［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2016，43（9）：479－487.