管道泄漏检测初探

2023-02-07

油气管道运输业作为连结油气资源与市场的桥梁和纽带, 以其高效率、低成本和安全可靠的优势越来越显示出旺盛的生命力。油气管道运输在油气运输领域有着高效率, 低成本的巨大优势, 在许多油田都得到了普遍采用。与之相悖的是这几年在管线上的偷盗活动猖獗, 给国家人民的生命财产安全带来了许多隐患, 对油气管线来说, 管道的泄漏是巨大的威胁, 同时带来经济, 环境和安全等一系列问题。为此它的安全性也同时成为每个管道运输业者关注的焦点。为保证输油气管道的安全运行, 防止因腐蚀或者人为因素如打孔盗油等对管道设施造成的破坏, 避免管道泄漏造成的安全事故及次生灾害事故, 管道防破坏泄漏预警检测就显得尤为重要。近些年, 多数管道公司结合各自实际都建立的自己的管道泄漏检测装置, 我们公司也和中国计量科学研究院携手建成了我们自己的泄漏检测网络, 为公司的管线安全提供了保障。本篇从国内输油管道泄漏检测的先进技术着手, 希望通过说明这些技术原理能为公司将来的泄漏检测事业提供支持。

目前输油管道泄漏检测方法主要有特质平衡法、仿真模型法、压力波法和声波辐射法等, 其中输油管道上的泄漏检测技术较为成熟的普遍采用的有两种:压差法和声波辐射法。

1 负压波法

1.1 工作原理

压差法首先在被监测管道上安装一些带测压装置仪器, 在正常输油时这些压力检测装置没有大的变化, 但当管线由于某些原因发生泄漏后, 泄漏处由于管道内外的压差, 使泄漏处的压力突降, 泄漏处周围的液体由于压差的存在向泄漏处补充, 在管道内产生负压波动, 这样负压波从泄漏点向上、下游传播, 并以指数律衰减, 逐渐归于平静, 管道两端的压力传感器接收管道的瞬变压力信息, 而判断泄漏的发生, 通过测量泄漏时产生的瞬时压力波到达上游、下游两端的时间差和管道内的压力波的传播速度计算出泄漏点的位置。

1.2 特点和优势

通过泄漏点对上下站的压力造成的影响以及压力变化到达上下站的时间进行确认位置。利用泄漏产成压力变化检测泄漏, 简单易于实施。如果和流量检测结合实施, 那么检漏和定位漏点的功能将十分准确。非常适合于原油成品油管线泄漏检测。

1.3 发展和应用

采用负压波法对管道进行泄漏检测是最早采用的检漏方法, 现在也普遍应用到了很多油田和炼化公司, 2004年天津大学又在负压波的基础上考虑进了温度因素并且首次提出“长杆法”, 这是一个很大的创新。它同时考虑的水力模型和热力模型, 改进了压力梯度定位方法时加入了温度梯度定位方法, 从而提高了定位的精度, 并且解决了停输时不能检测泄漏的难题, 很值得推广。

2 声波检漏法

2.1 工作原理

利用管道泄漏时产生的20-40 k Hz范围内的特有声音, 通过带适宜频率选择的电子装置对其进行采集, 再通过里程轮和标记系统检测并确定泄漏处的位置。具体来说, 管道运行过程中由于泄漏引起介质的物理扰动而产生的次声波, 其振幅和波长是由其在自然状态下的传送和大小决定的, 可以通过测定声波的传播时间很容易识别和定位这一短暂现象。次声波传感器接收次声波信号, 并将其转换成电信号, 然后将其放大调理成合适A/D转换的信号, 再通过模拟数字转换模块将信号转换为数字信号从而通过电脑软件进行识别确认, 发生泄漏位置的最终确定是根据传感器接收到泄漏次声波的时间差 (GPS定时) , 计算出来的。声波管道是一种先进的管道泄漏检测系统, 能在非常短的时间里发现泄漏点并报警, 误差最少只有50米。

2.2 特点和优势

利用低频声波来检测管道泄漏, 是先进的管道泄漏检测系统。不但适用液体 (原油、成品油和其他石油制品) , 还可以用于气体 (天然气、煤气及其它有毒有害气体) 。由于其具有响应频率快, 提高定位精度, 泄漏率1%、泄漏点定位重复性误差50米, 并且GPS辅助定位系统 (可选) 可提供电子地图实地制作功能, 可以帮助用户自己制作属于自己的高精度电子地图。

2.3 发展和应用

传统的声波检测是利用离散型传感器, 即沿管线按照一定间隔布置大量传感器, 这种方法成本很高。近年来随着光纤传感技术的进步, 以开发出连续性光纤传感器进行泄漏噪声检测。据有关报道, 单根光纤的检测距离可以达到60km, 这样一根光纤传感器可以代替大量的传统的传感器, 降低了成本;而且连续型传感器与过去的传统传感器相比大大提高了检测能力。

两种方法的漏点定位是使用同样的计算, 泄漏点定位公式为:

式中:

X——泄漏点距首端测压点的距离, m;

L——管道全线长, m;

a——管输介质中压力 (声) 波的传播速度, m/a;

Δt——上下游传感器接收压力波的时间差。

从中我们可以看出两种方法在确定漏点位置上来说都是比较简单的, 测漏的关键问题就在于技术上对泄漏时间的确定上, 所以对检漏装置的反应时间提出了更高的要求!

我们公司采用的中国计量科学研究院开发的Nim3管道泄漏检测系统, 原理就是第二种方法声波检漏法, 通过在克乌线、克独线、三化线、王化线四条长距离输油管线上选定一些点安装一些灵敏的次声波传感器, 而在每个起始站点和中间泵站安装接受装置, 把接收到的信号实时传道中控室, 中控室电脑通过计算测量对象的相对变化量确定泄漏点。具体分以下几步:

(1) 管道运行过程中由于泄漏引起介质的物理扰动而产生的次声波

(2) 次声波传感器接收次声波信号, 并将其转换成电信号

(3) 信号调理模块将信号放大、调理成适合A/D转换的信号

(4) 模数转换模块将信号转换成485信号

(5) 测量对象是一个相对变化量, 测量分辨率高

(6) 响应频率快, 可以提高△t的精度, 从而提高定位精度

通过提高提高响应频率, 可以提高△t的精度, 从而提高定位精度, 系统完成之后在各条管线上进行了放油实验, 从实验结果可以看出这套管线泄漏检测系统的响应速度和定位泄漏点的精度上都有很好的效果, 它必将在今后监控管线安全运行中起到重要作用。

3 展望

现代科学技术的飞速发展进步, 使管道泄漏检测技术的新方法新成果层出不穷, 特别是传感技术、计算机技术、探测技术、仪表自动化技术的融合, 使检漏技术向智能化、多样化的发展提供了广阔空间。近期业界最新的科技成果显示当今最先进的泄漏检测技术是基于模糊神经网络的人工智能型管道泄漏监测系统:HKH系统。它采用了基于模糊神经网络的人工智能系统, 从而使管道泄漏监测系统的整体性能发生了根本的转变, 使管道泄漏监测系统在小信号时也能准确识别和定位。系统对漏点的定位综合考虑了各种情况, 从根本原理上讲, 和负压力波法相似, 也是一个已知时间和速度求路程的问题, 只不过这种速度往往因各种环境和流体状况而变, 所以速度既不是平均速度也不是匀加速度运动, 而是根据具体管道特性确定的数字模型。对于事件发生时刻的认识与以往的任何一种方法都不同, 它是模糊神经网络处理后的输出结果, 其特点是比人的速度快, 比人工观察选点更精确、更及时, 它不是简单的几种模式识别能做到的, 这就是人工智能的特点, 所以, 它的定位效果是最好的。