基于负压波的原油管道泄漏监测系统的失效及预防

冉小俊，张建昌，赵生祥

（中国石油长庆油田分公司第三输油处，宁夏银川 750006）

基于负压波的原油管道泄漏监测系统的失效及预防

冉小俊，张建昌，赵生祥

（中国石油长庆油田分公司第三输油处，宁夏银川 750006）

基于负压波的管道泄漏监测系统在国内输油管道上得到了大量的应用，而很多因素会影响泄漏检测系统的有效性，这对于泄漏检测系统而言也是至关重要的。本文分析了管道泄漏监测系统失效的原因，并提出相应的预防和改进措施，帮助管理人员提高对管道泄漏监测系统的管理水平。

负压波；管道泄漏监测系统；失效及预防

油气管道安全涉及到国家的能源安全，原油输送管线是油田企业的生命线。随着管线的增多，管龄的增长，由于施工缺陷和腐蚀等问题和人为破坏的存在，管道事故频频发生，不仅造成了环境的污染，巨大的财产损失，甚至威胁到沿线居民的生命。

管道泄漏一般由下列原因造成：（1）管道材质缺陷，存在砂眼或腐蚀损坏，造成泄漏；（2）管道静密封不良造成泄漏或阀门泄漏；（3）外部工程施工时损坏管道导致泄漏；（4）重物重压使地基下沉，致使管道开裂；（5）由于地质构造原因使地基下沉，造成管道开裂(如地震，滑坡、地下水位下降等）；（6）人为盗油造成管道穿孔。

从以上原因可以看出，完全杜绝管道泄漏是不可能的，但在泄漏产生后如能及时发现，尽快采取处理预案对于控制事故造成的损失规模来说是非常关键的。

然而单靠人工巡线，或被发现而报告很难做到及时发现，因此目前绝大部分管线都采用了各式各样的管道泄漏监测系统来辅助做到泄漏早发现，快速定位以便快速处理，控制管道泄漏产生的各种各样的损失。

1 管道泄漏监测系统现状

目前，国内外管道监测方法较多，应用原理也不尽相同，市场上泄漏监测系统大致可分为以下几类。

1.1 预警类方法

顾名思义，该类系统通过感知管道可能在某处受到的威胁而提前采取措施，防止管道遭到破坏，或破坏后由于提前采取了措施从而减小损失。这听上去是一个非常具有诱惑力的系统，但由于系统建设费用的昂贵和实际应用效果的不理想而阻止了其推广应用，如光缆预警，地震检波器等，本文不做分析。

1.2 漏后进行定位报警

此类系统主要是利用管道的检测仪表进行泄漏后的定位和报警，由于方法简单，投资少，主要技术指标满足多数管道实际生产的需要而得到大量应用，目前普遍采用的有如下几种方法：

1.2.1 质量分析法 质量分析法是针对管线中的流体质量的变化进行动态监测一个质量平衡系统。质量分析法监测一段管线中全部的流进和流出的质量。当流入流出的质量发生变化后确认管道泄漏。

1.2.2 体积分析法 体积分析法是针对管线中流体的体积发生变化进行动态监测的体系。首末站两端安装体积式流量计计量流体体积并进行定时比对数据来确定管线泄漏。

1.2.3 电磁监测法 电磁监测法是将首站管道加载一个电信号，以巡线人员携带监测器进行电磁信号监测来确认管道保温层、防腐层破损或是管道出现渗漏来确认管道被载阀或泄漏。

1.2.4 负压波分析法 负压波分析法是实时监控管道中流体输送压力发生变化而确定管道泄漏的方法。

1.2.5 智能音波分析法 在管道两端安装音波传感器，实时接收并监控管道内压力音波信号，实时识别甄别和分析压力音波的变化而确定管道泄漏的方法。

1.2.6 综合分析法 是采用以上一种或几种方法对管道进行泄漏监测的方法。

2 负压波管道泄漏监测报警定位系统工作原理

负压波管道泄漏监测报警定位系统以负压波法为基本方法，并结合体积平衡对比等方法，建立管道瞬态模型，采用流量报警、压力定位，以及流量加压力综合分析报警、定位。

当管道发生泄漏时，由于管道内流体的压力远远大于大气压力，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，在管道内突然形成负压波动。此负压波从泄漏点向管道上、下端传播，并以指数率衰减，逐渐归于平静，这种负压波动具有较陡峭的前沿。与此同时管道首站的外输排量会增大，而末站接收量会减少。管道上下游的压力变送器和流量传感器接收到该波信号和流量信号并传输到泄漏监测报警定位系统进行采录。泄漏监测报警定位系统将结合压力和流量的变化特征，进行判断泄漏是否发生，通过测量泄漏时产生的瞬时压力波到达上、下端的时间差和管道内压力波的传播速度计算出泄漏点的位置。为了克服管道噪声等因素的干扰，采用小波变换和相关分析负压波的传播规律和管道内的噪声、水击波等变换特点，并结合管道管壁的弹性和液体的物理参数、物理特性进行分析、处理、计算。

3 管道泄漏监测系统失效原因分析

所有的技术都有其局限性，基于负压波的管道泄漏监测报警定位系统会由于以下原因导致系统失效，发生漏报和远超系统指标的定位误差。

3.1 负压波无法正常传递导致系统失效

对于一般输送原油的钢质管道而言，在管道内流体充满的状态下，负压波传播速度约在1.0 km/s左右。针对具体的管道，通过理论计算和实验可以确定管道内负压波传播的实际速度，然后利用首末端负压波的变化时间间隔，准确判断泄漏点。对于在平原地区敷设的管线，管线首末端基本不存在落差或者落差很小，管线处于满流状态运行，利用负压波进行定位是比较准确的。但是我国大部分地区地形变化比较大，长距离原油输送管道一般要经过高山、丘陵地带，造成管线存在很大的落差，一个密闭输送管段落差甚至可以达到数百米，一旦高落差管线存在不满流的运行状态，负压波将无法按照正常的传播速度传递，导致定位失效。

3.2 流量计测量不准确导致系统失效

体积平衡分析法是针对管道内流体的体积量来确定管道是否发生泄漏。以某段管线为例，当首站的出站排量F出与末站的进站流量F入相比较，当存在一定的流量差的时候，就能确定管线出现泄漏工况。目前，国内的输油管道的流量监测普遍使用腰轮等容积型流量计，对流体的清洁度要求较高，一旦流体含有较多的杂质，流量计卡堵，导致进出站排量不一致，管道泄漏监测系统就会失效。

另外，工业用的容积式流量计的精度等级一般为0.2级。当管线发生小的泄漏时，进出站流量差变化量很小，管道泄漏监测系统会认为这是仪表误差而不把这种小的泄漏当做泄漏工况报警，产生系统漏报。因此，可以说管道泄漏监测系统对于突发性泄漏比较敏感，适合监视大的泄漏，对于缓慢的腐蚀渗漏不十分敏感。

3.3 系统通信中断导致系统失效

系统通信状况的好坏决定着系统的可靠性，管道泄漏监测系统从输油站或者阀室的PLC或者RTU中获取带有时间标签的数据，用于系统分析计算。如果通信质量不好，系统得不到同一个时间标签下的数据，系统虽然会自动分析提取自认为可靠的数据，但会严重影响运算的精度。另外，不排除通信中断的时候，管道泄漏监测系统无法获取数据，而恰恰在这段时间内发生管线泄漏，则检漏系统无法实现报警和定位。

3.4 其他影响系统可靠运行的因素

原油的密度和含水率、温度和压力变送器的精度、GPS适中授时的准确性等均对系统可靠运行产生影响。

4 防止系统失效的预防措施

4.1 负压波传递失效的预防

为了确保负压波的正常传递，必须采取一定手段是管线的每一个密闭输送管段的处于满流状态。方法一是在管道末端安装调节阀，通过模拟运算管道水力坡降曲线，得出首站出站流量和调节阀阀前压力的关系表达式，只要保证在某一输量下，阀前压力满足关系方程的计算结果，管道就会一直处于满流状态。方法二是一直保持管线处于大排量输送状态。根据水力坡降计算，当管线的输送量超过一定值时，管线翻越点消失，会一直处于满流状态。当然这种方法受到工艺运行的限制，一般在管线运行后期才能保证。

另外，某些管道为了输送过程中节能降耗和平稳输送，首站一般会采用压力给定的PID变频输送方式。一旦管线发生泄漏，变频器会自动调节，弥补管线的压力变化，这就会影响泄漏监测系统负压波的下降沿和上升沿，在定位过程中，由于在曲线上选点不准，导致定位误差大，针对这种情况，建议当管线处于稳态输送时，将首站外输PID和末站进站PID回路均设置到手动状态，从而使泄漏监测系统得到更好的监测数据。

4.2 流量计失效预防

外输量和接收量是否平衡是判断是否泄漏的重要依据，所以必须保证流量计的正常运行，除了建设期在流量计前安装过滤器外，运行中要实时观察过滤器的前后压差是否低于150 kPa，一旦差压变大就要立即组织进行过滤器清洗，同时还应建立过滤器定期清洗机制，对过滤器进行定期清洗；另外为了保证流量计的计量精度，必须对流量计进行定期标定，一般为6个月，当误差超过允许值是，必须进行更换。

针对缓慢腐蚀等原因发生的小渗漏，在泄漏监测系统中设置专用分析计算模块，实时分析上下游流量累计差值，当差值超过给定值时，进行报警提示，通知人员人工查找管线可能存在的泄漏，从而减少误报。另外尽量保持管道的平稳运行，减小首末流量计的重复精度精度影响，根据输量来调整重复性不一致造成的误差，提高检测精度。

4.3 通信失效预防

不建议采用电台、微波、卫星或3G通信方式，因为这几种通信方式经常会受天气影响而不稳定。近年来，光缆通信发展迅速，且费用已经降低到投资可以接受的程度。对于新建管线建议沿管线敷设光缆，对于未敷设光缆的管线，建议就近租用通信公司的电路。由于管道泄漏监测系统和SCADA系统的数据传输量不大，每个站点租用一个2 M电路即可满足通信要求。同时，考虑到光缆可能被故意破坏的情况，建议在首站或者末站租用一个2 M电路，构成环网通信，并定期检查通信信道的延迟、误码，确保系统通信时刻畅通。

4.4 其他影响因素的预防

原油的密度和含水率会对负压波的波速产生影响，所以在原油输送过程中必须严格控制原油的含水率。当原油的品质和密度发生较大变化时，需要进行现场试验的，重新确定负压波的波速。

选用等级要高、重复性好的温度和压力变送器，定期进行校验标定。

定期对系统的GPS适中授时的准确性进行检查和更正，防止数据标签存在较大的偏差。

定期对整个泄漏检测系统进行调整并进行实际实验测试，确保泄漏检测系统的有效性。

5 结论

建立管道泄漏检测系统固然重要，而保证泄漏检测系统实时有效是关键。只有找出管道影响泄漏检测系统有效性的因素并采取相应的预防失效的措施，就可以最大化的发挥泄漏监测系统在减小管线泄漏损失，保卫管道安全中的作用，从而提高管线的管理水平，确保管道运行安全。

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[2] 靳世久，王立宁，李健，等.原油管道漏点定位技术[J] .石油学报，1998，19（3）：93-97.

[3] 周诗岽，吴志敏，吴明.输油管道泄漏检测技术综述[J] .石油工程建设，2003，29（3）：6-10.

TE973

A

1673-5285（2012）07-0099-03

2012－05-17

冉小俊，女（1976-），工程师，主要从事输油管道生产运行保障管理工作。