长输石油管道泄漏检测与定位技术研究

摘要：作为当今最重要的能源，油气资源运输方式有铁路、公路、航空、水运和管道运输这五种方式，其中油气资源最主要的运输方式是管道运输。但管道本身材质的腐蚀、老化、遭遇自然灾害、凝管和误操作等原因，随着时间的推移，存在大量的管道运输事故隐患，呈上升趋势的断管、爆管、打孔盗油、泄漏等重大事故。本文通过对长输石油管道的泄露检测进行分析，着重研究其直接定位以及间接定位技术，以供参考。

关键词：石油；管道泄漏；检测定位方法

中图分类号：F407文献标识码： A

引言

相较于发达国家，我国油气管道事故率要高很多倍，近30年来，据统计，前苏联、欧洲、美国的输气管道事故率分别为0.46、0.42、0.60，总平均值大致为0.5。西欧17国输油管道泄漏事故率2000年为0.25，而12条输气管道在我国四川地区的事故率就高达4.3，输油管道在我国东北和华北地区自运行以来，事故率粗略统计都要超过2.0。采用管道定位方法和泄漏检测目前比较适应管道系统的各种不确定性，而且在线实时监测，便于成为不可缺少的一个功能在计算机SCADA系统中。目前常用的检漏方法有两种:一种是检测发生变化的间接检漏法因泄漏造成的压力、流量、声音等物理参数；另一种是检测气体泄漏和石油产品的直接检漏法。

一、直接检漏法

起初采用人工分段巡视的方法对石油长输管道的泄漏进行监视。该方法对石油泄漏不能及时发现，只有地表面出现油迹在管道漏油处，草枯树死，甚至气味散发时才能发现。在中必须添加添味剂，采用人工分段巡视法，当空气中以便达到最低爆炸极限1/5(约1%)的浓度时，靠嗅觉能及时察觉。本世纪初，添味以便检漏在中不是必需的，那时具有强烈的气味使用的。在20年代时开始需要掺入添味剂，随着不含硫的使用。

为了提高泄漏检测效果，又研制开发了用于石油管道泄漏检测的各种可携带的检测设备和仪器。文献[1]介绍了埋地输油管道地表打孔检测泄漏法，该方法是地表间断打孔沿埋地管道平面中线，检漏仪器选用两种以上性能各异的配合使用，管外探测检漏综合进行。人工检漏法和地表打孔埋地输油管道检漏法相比，单一仪器检漏的局限性被打破，泄漏准确性和检测能力提高。

此外，文献[2]还介绍了油检测元件法、油溶性压力管法以及检漏电缆法等方法，均属于直接检漏法的范畴关于这些方法。将特殊的检漏电缆沿管道设置是检漏电缆法，导致电缆劣化并被转变为光信号或电信号输出，当发生管道泄漏时，就能够知道泄漏发生；油溶性压力管法是缠于管道外将充有压缩空气的油溶性软管，油溶性管内压力下降，当有泄漏发生时，就可以知道泄漏发生。

主要用于微量泄漏的检测的直接检漏法，在运行中无论是管道或是在停运时的管道都可以进行检测。

二、间接检漏法

（一）、基于物质平衡的检漏方法

利用管道进、质量平衡原理以及出口流量差或动态体积来检漏是以物质平衡为基础的检漏方法。该方法的应用价值较高，既能检测出大的泄漏，也能检测出小的泄漏，但易受对管道油品流量计精度的影响和估计存余量误差。对于多个入口和出口的管道，根据动态质量平衡原理，考虑温度、多重粘性、压力参数变化的影响，以下动态质量平衡法可采用的计算公式:

式中Mi（t）-在管网人口的流量测定值，假定有M个人口；

τ（t）-在时间t时校正的质量不平衡项；

Mo（t）-假定有N个出口，在管网出口的流量测定值；

ΔMp（t）-整个管道油品存余量变化的校正值，在时间t到t+Δt时，ΔMp（t）是管道中温度和压力的函数。

由于无固定形式的不稳定流中各参量分布，因而是用实时模型计算出温度、压力的分布进行常规的泄漏检测方法，从而求出ΔMp（t）。对τ（t）通过监视，管道是否发生泄漏可以判断。

（二）、采用压力刚量信号进行检漏

1、压力梯度法

我国多数在中间泵站上长输管道不设置流量计，只采用压力信号来进行检漏在这种情况下。设置了4个压力测量点的管道（图2）。导致压力分布成折线状变化由于泄漏的原因(见图1) ，在稳定流动的条件下。因此，若用P3与P4测出下游管段的压力梯度，用P1与P2将上游管段的压力梯度测出，就可根据实际泄漏位置X#计算出。对定位结果仪表测量精度有很大影响，在这类方法中。此外，受测点P3与P4、 P1与P2之间的距离直接影响泄漏检测的灵敏度。

图1 泄漏对压力分布的影响

X#-管道泄漏点；X-管道长度；

H-管道沿线压力；Hn-管道下游压力；Ho-管道上游压力

2、波敏法(Wavealert)

在管内会产生一个负压力波如果突然发生泄漏，并同时沿两个方向向上、下游传播，进行泄漏监视根据这一现象的方法称为波敏法。在管道上按图2所示安装4个压力计，传到下游端和上游端泄漏所产生的负压力波因所需的时间不同，这个时间随着泄漏位置的变化而变化。因此可以计算出泄漏发生的位置根据上、下游检测到负压力波的时间差。世界上应用的精密检漏技术之一就是波敏法泄漏检测技术，在60S以内它可指示出泄漏的发生，并定位精度较高，有更好的灵敏度比一般的压力监视技术。此外允许使用较低的门限值即是这种方法的方向特性，假报警率不会增加。

图2 基于压力信号的检漏方法

X-管道长度；X#-管道泄汤点；P1、P2-管道上游端

两侧点压力；P3.P4-管道下游端两侧点压力

三、基于软件的自动检测与定位技术

在油气长输管道上由于计算机技术的迅速发展以及SCADA系统的普遍应用，一类在线实时检测技术出现了。这些方法首先管道的实时模型建立起来，采集到的数据利用SCADA系统作为边界条件，再进行泄漏检测依据一定的检测原理。其定位技术与泄漏检测基于两个原理：一是压力偏差法，二是动态质量平衡法。进行统计分析根据管道流速、压力的变化平均值是管道泄漏预测系统的特点，以此判定断管或泄漏的可能性。应用计算机仿真技术在国外一些管道研究机构及检测公司研发出管道仿真软件，为管道的确定运行方案、动态水力工况分析以及分析和检测管道泄漏等提供了强有力的工具。完全是由所在管道的SCADA系统提供实时数据驱动这些在线仿真软件的运行，并进行连续实时模拟对实际管道的运行。应说明的是，模型的准确度直接影响检漏的定位精度和灵敏度，在基于实时模型的检测方法中，而模型精度又受流动阻力系数变化、波速变化、测量噪声等因素的影响。

四、基于知识的方法

基于知识的方法就是基于模式识别和神经网络的方法，主要是具有学习和训练的功能，因而具有的自适应性非常强。管道泄漏时采用常规的数学模型，由于未知因素非常多而存在一定的差异，而人工神经网络具有从样本学习和逼近任意非线性函数的能力，故构造神经元网络的输入矩阵根据泄漏信号的特征指标，检测泄漏即是对管道运行状况建立进行分类的神经元网络模型。从实际泄漏中己经研究出的自适应神经网络算法能够在线学习故障，而不需要获取训练数据，取得了很好的效果在弥补简单神经网络算法的局限性方面。目前，在国外基于人工神经网络的管道检漏系统已成功获得应用，检测并定位出约等于管道内流体流量1%以内泄漏量的泄漏点在100S以内，低于50%的检测误报率。

另外采用序贯概率比检验的一种统计分析法，根据管道出入口的压力和流量，流量和压力之间关系的变化连续计算。流量和压力之间的关系当泄漏发生时，总会变化。它使用模式识别技术和SPRT方法进行分析实测的流量值、压力，发生泄漏的概率连续计算，并进行泄漏点定位利用最小二乘法。这种方法的主要优点是维护方便、原理简单，其使用统计决策论的观点对瞬变模型中误报警的问题能较好地解决，而且降低了计算上的复杂性，不需要计算复杂的管道模型。统计泄漏检测系统还可以适应管道参数的变化，具有在线学习能力。缺点在于定位精度较差，检漏精度受仪表精度影响比较大。

总之，作为石油、气体介质输送长距离的管道设施，其运行的最基本条件是安全性。运行检漏、管理和定位系统是不可缺少的在石油长输管道上。在现场实际运用中所以要考虑各种检漏方法的特点，采用几种检测方法组成经济性、可靠性都非常好的综合检漏系统。鉴于在中间泵站上我国多数长输管道不设置流量计，因而在实际应用中波敏法和压力梯度法具有更大的推广和研究价值。

参考文献

[1] 姜建国.埋地输油管线的地表打孔检漏法[J]，油气储运，1988,7(3)41-44.

[2] 梁周平.浅谈输油管道漏点的确定[J]，管道技术与设备，1997(5)23-25.

[3] 胡序胜等.用碘131示踪剂技术进行地下埋地油管检漏[J]，油气储运，1993，12(2)15~19。

[4] 李斌才.油气管道放射性检漏的可行性论证[J]，油气储运，1988，7(1)47-48.