肖雯雯，石 鑫，許艷艷，葛鵬莉，高多龍，關(guān) 磊

(中國石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊 830011)

塔河油田位于胡楊林生態(tài)保護(hù)功能區(qū)，其生態(tài)環(huán)保風(fēng)險隱患與社會影響風(fēng)險較高，因此對管道系統(tǒng)安全運(yùn)行也具有更高的要求[1]。隨著石油和天然氣運(yùn)輸管道越來越大型化、網(wǎng)絡(luò)化和復(fù)雜化，管道外部干擾、結(jié)構(gòu)材料缺陷、誤操作、第三方破壞、腐蝕、老化等因素造成管道的泄漏事故越來越多[2]。如何及時、快速發(fā)現(xiàn)管道腐蝕穿孔油氣泄漏、精確定位報警，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(shù)難題，也是管道安全環(huán)保生產(chǎn)運(yùn)行的主要任務(wù)，更是提高油氣田高效開發(fā)的技術(shù)保障[3]。

目前，常用的泄漏檢測有7種方法：音波泄漏檢測方法、負(fù)壓波泄漏檢測方法、紅外成像泄漏檢測方法、分布式光纖泄漏檢測方法、流量平衡檢測方法、瞬態(tài)模型檢測方法和管內(nèi)檢測球方法。由于音波泄漏檢測方法成本相對較低，可以檢測小流量泄漏以及滲漏，并且在氣、液管道通用，同時可以較精確定位泄漏點(diǎn)，也不受管道壓力變化的影響，因此得到廣泛應(yīng)用[4]。但根據(jù)塔河油田實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)：原有的音波泄漏檢測系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用效果不佳，采集的次聲波信號不真實(shí)，泄漏報警定位也不準(zhǔn)確。因此，需要針對性地研究適用于塔河油田現(xiàn)場的音波泄漏檢測系統(tǒng)。

1 音波泄漏檢測技術(shù)原理

當(dāng)油氣管道出現(xiàn)破裂時，天然氣或原油會從破裂處泄漏出來，管內(nèi)流體的流動參數(shù)會隨之發(fā)生變化，該點(diǎn)處的壓力降低，密度減小。在壓差的作用下，相鄰泄漏點(diǎn)的兩邊區(qū)域內(nèi)的流體會向泄漏點(diǎn)處流動，致使該區(qū)域內(nèi)流體的壓力和密度都會隨之減小，進(jìn)而傳播到更遠(yuǎn)處的區(qū)域，并向泄漏的區(qū)間補(bǔ)充，如此循環(huán)，形成次聲波，次聲波會順著管道向首、末站傳播。將次聲波傳感器安裝在管道兩端，在線實(shí)時采集次聲波信號，通過數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換濾波后傳遞給上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件通過對次聲波信號進(jìn)行特征量提取來判斷泄漏發(fā)生的位置[5,6]。

當(dāng)發(fā)生泄漏時，泄漏點(diǎn)距離管道兩端次聲波傳感器的距離不同，同一波形到達(dá)管道兩端存在時間差。因此，當(dāng)管道首、末兩端傳感器之間的距離、次聲波在管道內(nèi)的傳播速度已知時，即可計算出泄漏點(diǎn)距首端傳感器的距離[7]。圖1為次聲波泄漏檢測裝置泄漏點(diǎn)定位原理。假設(shè)首站傳感器安放位置為點(diǎn)A，末站傳感器安放的位置為點(diǎn)B，AB點(diǎn)間的距離為L；泄漏點(diǎn)為C，AC點(diǎn)間的間距為x；一個泄漏點(diǎn)引起的次聲波信號從C點(diǎn)傳播到A點(diǎn)所用時間為t1，從C點(diǎn)傳播到B點(diǎn)所用時間為t2；v為次聲波信號在管道中傳播的速度，則可以得到下面的關(guān)系式。

(1)

泄漏點(diǎn)的位置確定公式為：

(2)

圖1 基于次聲波的管道泄漏點(diǎn)定位原理

次聲波的波長較長，能繞開某些大型障礙物發(fā)生衍射，頻率低，能降低傳播過程中的能量損失，同時次聲波的產(chǎn)生不依賴于流體的密度和壓力等參數(shù)，故基于次聲波法的泄漏檢測方法可檢測小流量泄漏及滲漏，氣、液管道通用，可以較精確定位泄漏點(diǎn)，且不受管道壓力變化的影響。同時，次聲波具有頻率低、傳播速度穩(wěn)定、傳播距離遠(yuǎn)、能量衰減慢的傳播特性，能沿著管道內(nèi)的流體介質(zhì)在長距離傳播，適合長距離信號檢測。

2 音波泄漏檢測系統(tǒng)在塔河油田的應(yīng)用現(xiàn)狀

塔河油田建設(shè)初期管道處于戈壁荒漠，線路巡檢困難，并存在打孔盜油現(xiàn)象，給管道安全運(yùn)行埋下極大隱患，2005年10月塔三聯(lián)至塔庫首站聯(lián)絡(luò)管線安裝1套NIM型音波檢漏系統(tǒng)。2006-2008年分別在雅克拉集氣站至雅克拉末站輕烴外輸管道、雅克拉集氣站至雅克拉末站液化氣外輸管道、塔一聯(lián)至雅克拉集氣站凝析油外輸管道和塔河集氣總站至雅克拉集氣站共安裝4套NIM型音波檢漏系統(tǒng)。安裝的管道泄漏監(jiān)測裝置及運(yùn)行狀態(tài)見表1。

表1 基于音波法泄漏檢測裝置及運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計

重質(zhì)油外輸系統(tǒng)NIM型音波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)安裝完成后，遠(yuǎn)程終端裝置采集的濾波參數(shù)、波速、信號長度參數(shù)不準(zhǔn)確，致使泄漏監(jiān)測系統(tǒng)誤報率極高，系統(tǒng)不能正常實(shí)現(xiàn)管道泄漏監(jiān)測報警的目的，目前音波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)停運(yùn)。

塔河集氣總站至雅克拉集氣站NIM型音波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)由于監(jiān)測的介質(zhì)是氣體，因氣體分子之間的距離大，液體分子之間的距離小，天然氣傳播的速度大約為300 m/s遠(yuǎn)低于液體在管道的傳播速度，當(dāng)管道泄漏時有一定的內(nèi)外壓差，天然氣流動不會形成層流，而是形成了湍流和射流，湍流和射流能形成次聲波，當(dāng)發(fā)生小的泄漏時，泄漏部位的次聲波信號弱，無法傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端裝置，最終在雅克拉末站監(jiān)控計算機(jī)收集的次聲波信號特征分析失誤，無法判斷是否泄漏并報警定位，目前音波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)停運(yùn)。

3 改進(jìn)的音波泄漏檢測系統(tǒng)技術(shù)方案

原技術(shù)工藝設(shè)計在泄漏監(jiān)測系統(tǒng)硬件安裝中采用雙音波管道泄漏監(jiān)測儀，即在基站安裝兩個音波管道泄漏監(jiān)測儀，通過雙音波管道泄漏監(jiān)測儀兩個一次表延時相減，來提高報警準(zhǔn)確率，避免管道發(fā)生泄漏誤報警，但是現(xiàn)場應(yīng)用效果不佳，經(jīng)過研究確定修改為在基站安裝一個音波管道泄漏監(jiān)測儀，通過提高音波管道泄漏監(jiān)測的技術(shù)性能參數(shù)，達(dá)到提高報警準(zhǔn)確率，其安裝工藝結(jié)構(gòu)見圖2。

為進(jìn)一步克服密閉輸送流程的壓力管道，由于壓力變化導(dǎo)致次聲波信號的產(chǎn)生而引起的誤報，提高管道在低壓力運(yùn)行時捕獲管道泄漏次聲 波信號的準(zhǔn)確度，同時借助于流體在泄漏處會產(chǎn)生一個瞬時壓力降和速度差的負(fù)壓波法原理，提出將次聲波泄漏監(jiān)測技術(shù)和負(fù)壓波法泄漏監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，通過兩種監(jiān)測技術(shù)相互校準(zhǔn)、耦合，提高泄漏位置定位準(zhǔn)確率，進(jìn)一步減少誤報率，采用單音波管道泄漏監(jiān)測儀加采集壓力信號方式的管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)工藝設(shè)計，并且預(yù)留今后加裝流量傳感器接口，具體如圖3所示。

圖2 音波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)安裝工藝結(jié)構(gòu)示意

圖3 音波泄漏檢測法和負(fù)壓波法優(yōu)化組合安裝工藝

4 現(xiàn)場應(yīng)用測試

依據(jù)確定的定位精度、報警準(zhǔn)確率、誤報率、漏報率、報警響應(yīng)時間和最小可測泄漏孔徑6項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)，對管道隱患治理工程14條管線上安裝的音波泄漏監(jiān)測裝置開展現(xiàn)場運(yùn)行工況下應(yīng)用測試，評價其技術(shù)指標(biāo)是否滿足技術(shù)規(guī)格書的要求，能否達(dá)到快速精準(zhǔn)報警的目的。原油系統(tǒng)以稠油集輸管線，以12區(qū)某原油外輸管線為例、天然氣系統(tǒng)以KZ區(qū)某凝析氣管線為例的測試結(jié)果進(jìn)行分析。兩條管線的具體參數(shù)見表2?，F(xiàn)場音波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)評價指標(biāo)為：報警準(zhǔn)確率：≥97%；誤報率：≤3%；漏報率為：0；定位誤差：≤50 m；報警時間：≤120 s[8]。

表2 油氣管道音波泄漏監(jiān)測管線參數(shù)

4.1 12區(qū)某集輸管線實(shí)際工況模擬測試

針對12區(qū)某集輸管線輸送稠油性質(zhì)，采用8，4，3 mm 3種孔徑的放油設(shè)備。每次放油時間為5 s，測試人員分兩組，分別在操作現(xiàn)場和控制室，期間對放油時間、報警時間、放油位置和報警位置等進(jìn)行記錄，測試結(jié)果見圖4、圖5和表3。

表3 12區(qū)某集輸管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)測試結(jié)果

圖4 8 mm孔徑監(jiān)測信號波形

圖5 3 mm孔徑監(jiān)測信號波形

由表3結(jié)果可知，12區(qū)某集輸管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)在運(yùn)行工況下可檢測到最小孔徑3 mm泄漏，報警準(zhǔn)確率達(dá)到100%，定位誤差≤38 m，誤報率和漏報率均為0，響應(yīng)時間≤40 s，均滿足現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)要求，綜合分析該系統(tǒng)在12區(qū)某集輸管線運(yùn)行工況下，可實(shí)現(xiàn)對最小泄漏孔徑3 mm的可靠檢測與定位，具有較高的泄漏監(jiān)測和定位能力。

4.2 KZ區(qū)某凝析氣管線實(shí)際工況模擬測試

針對KZ區(qū)某凝析氣管線內(nèi)輸送介質(zhì)性質(zhì)，采用8，4，3 mm 3種孔徑的放油設(shè)備。每次放氣時間為3～5 s，測試人員分兩組，分別在操作現(xiàn)場和控制室，期間對放氣時間、報警時間、放氣位置和報警位置等進(jìn)行記錄，測試結(jié)果見圖6、圖7和表4。

圖6 8 mm孔徑監(jiān)測信號波形

圖7 3 mm孔徑監(jiān)測信號波形

由表4結(jié)果可知，KZ區(qū)某凝析氣管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)在運(yùn)行工況下可檢測到最小孔徑3 mm泄漏，報警準(zhǔn)確率達(dá)到100%，定位誤差≤11 m，誤報率和漏報率均為0，響應(yīng)時間≤20 s，均滿足現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)要求，綜合分析該系統(tǒng)在KZ區(qū)某凝析氣管線運(yùn)行工況下，可實(shí)現(xiàn)對最小泄漏孔徑3 mm的可靠檢測與定位，具有較高的泄漏監(jiān)測和定位能力。

5 結(jié)論與建議

a)由現(xiàn)場管道泄漏監(jiān)測結(jié)果分析可知，改進(jìn)后的音波泄漏檢測系統(tǒng)在塔河油田原油集輸系統(tǒng)和凝析氣集輸系統(tǒng)的管道運(yùn)行工況下，可實(shí)現(xiàn)對最小泄漏孔徑3 mm的可靠檢測和定位，并能及時報警響應(yīng)，同時還可實(shí)現(xiàn)對高黏度含溶解氣稠油管道和天然氣管道的泄漏監(jiān)測和精準(zhǔn)定位。

b)管道運(yùn)行工況的變化直接影響音波泄漏系統(tǒng)報警精度，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場工況對泄漏監(jiān)測軟件及時更新升級。