浅谈石油管线的泄漏检测技术

摘要:随着管线的增多、管龄的增长、以及不可避免的腐蚀、磨损等自然和人为损坏等原因,使管道事故频频发生,给人们的生命财产和生存环境造成巨大的威胁。因此,加强管道泄漏检测与定位技术的研究具有非常重要的现实意义。

关键词:输油管道;泄漏检测;性能评价

中图分类号:F416.22 文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2010) 01-0000-02

一、引言

管道运输是利用管道输送气体、液体和粉状固体的一种运输方式。其运输形式是靠物体在管道内顺着压力方向循序移动实现的,和其它运输方式重要区别在于,管道设备是静止不动的。但是为确保管线的安全运行,传统的就地泄漏检测方法显然无法实施,这就要求发展基于现代分析和控制方法的管道泄漏检测技术。

二、原油输送管道泄漏过程分析

原油输送管道内液体的流动状态可分为稳定和不稳定两大类,稳定流动是管道流一动的基本状态,不稳定流动是由于稳定流动受到破坏而引起的,例如开阀和关阀、起泵和停泵、调节阀和安全阀动作、动力故障等各种原因引起管内压力波动,同时这种压力波动会沿管向上下游传播,引起整个管道内流体的瞬变流动。工程上的不稳定流可能引起的管道超压、噪声、抽空和振动,比起由稳定流分析所得的结果要严重的多。水流的不稳定现象称为水击。

突发性的泄漏也是一种管道的流动瞬变现象。泄漏发生时,也会产生沿管道向上、下游传播的水击波,并且能在管道系统的边界点处如泵出口、阀门、下游储罐以及泄漏孔处等发生反射,得以继续传播。由于沿程摩阻和管线充装作用,水击波在传播过程中会不断衰减。管道从发生瞬变过渡到新稳态的过程就是水击波传播、反射、叠加、衰减的过程,所以从理论上深入研究不同情况下水击波的传播过程及给管线压力、流量所带来的变化,有助于理解负压波的规律,对于泄漏的判别和识别也有指导意义。

三、输油管线泄漏检测和定位技术

目前,基于软件的长输管道泄漏检测与定位方法主要有基于模型的方法、基于信号处理的方法和基于知识的方法三种。

1.基于模型的检测方法。为了提高泄露检测和定位的准确性,建立管道的实时模型。用模型在线估计管线的压力和流量,并与压力或流量的实测值相比较来进行泄露故障诊断,这就是模型法的基本思想。主要方法有:状态估计和Kalman滤波器等。

2.基于知识的检测方法。基于知识的泄漏检测主要有人工神经元网络、统计学和模式识别的方法。人工神经元网络由于可以具有模拟任何连续非线性函数的能力和从样本学习的能力,在故障诊断中受到广泛的重视。它也被用于输油管线泄漏的检测。

3.基于信号处理的泄漏检测。由于流量计造价高且不易维护,我国输油管线中间站上大多没有安装,实时模型法无法应用。基于信号处理的方法无需建立管线数学模型,而且大多只用压力信号,所以特别适合我国管线应用。信号处理的方法主要有负压波法和压力梯度法。

(1)基于压力梯度法的泄漏检测。压力梯度法是基于管道压力沿管道是线性变化的前提下来进行泄漏检测和定位的。当发生泄漏时,泄漏点前的流量变大,坡降变陡;泄漏点后流量变小,坡降变平,这样,沿线的压力梯度成折线型,交点即为泄漏点,管道上下端的压力梯度在泄漏点处有相同的边界条件,由此不难计算出实际泄漏位置。因此使用P1和P2(上游端两个压力测点)计算上游段的压力梯度,用P3和P4(下游端两个压力测点)计算下游段的压力梯度。

图1定位原理示意图

压力梯度法只需要在管道两端安装压力测点,简单、直观:不仅可以检测泄漏,而且可确定泄漏点的位置。但因为实际中沿管线压力梯度呈非线性分布,压力梯度法的定位精度较差;而且仪表测量对定位结果有很大影响。此外,测点Pl和P2,P3和P4之间的距离之间影响检测的灵敏度。所以,压力梯度法定位可以作为一个辅助手段和其他方法一起使用。

(2)基于负压波法的泄漏检测。负压波法是目前国际上应用较多的管线泄漏检测和漏点定位方法。当管道上某处突然发生泄漏时,泄漏处立即产生因流体物质损失而引起的局部液体密度减小,出现瞬时压力降低和速度差,这个瞬时的压力下降作用在流体介质上,就作为减压波源通过管线和流体介质向泄漏点的上下游以声速传播。当以泄漏前的压力作为参考标准时,泄漏时产生的减压波就称为负压波,其传播的速度在不同规格的管线中并不相同。设置在泄露点两端或泵站两端的传感器拾取压力波信号,根据两端拾取压力波的梯度特征和压力变化率的时间差,利用信号相关处理方法就可以确定泄露程度和泄露点位置。

四、基于双压力传感器的泄漏检测系统

长输管道泄露检测一般要经过诊断、测距、定位三个步骤。首先要能够迅速发现管道出现泄露,然后是能够粗略指出泄漏点的方位,最后在现场精确地确定泄漏点。在传统的负压波泄漏检测系统中,管道的首末两端装有两个压力传感器,接收系统中传过来的压力值。当管道上某处突然发生泄漏时,由于管道内外的压差,泄漏点的流体迅速流失,在泄漏处产生瞬态压力突降。由于管道的波导作用,经过若干时间后,包含有泄漏信息的负压波分别传播到数公里以外的上下游,设置在管道两端的传感器拾取压力波信号。

图2、传统压力传感器的安装示意图

图2是一般情况下压力传感器的安装示意图。在管线两端分别安装高灵敏度压力传感器Pl,P2,通过计算机数据采集系统采集两端的压力,并进行数据处理分析,如压力波形的时间对齐,干扰噪声的排出,泄漏点的判断等。当两压力点间某一点发生泄露时,必然会引起两端压力的降低,降幅与泄漏量相关,泄露量越大压力降越大。无论在调泵和调阀等正常操作时,还是在管道发生泄漏时,波形都会经历从稳定态到不稳定态,再到稳定态这样一个过程,其间会经历一个较大的振幅。由泄漏引起的负压波有个反射过程,泄漏引发的水击波的余波会产生反弹;而调泵引起的负压波,从图中看出调泵引发的负压波在L1段和L3段都很平,在L2段数据序列也发生了大“幅度”、大“陡度”、大“面积”的下降,但它下降的较泄漏引发的负压波要平缓,而且下降之后没有出现波形反弹。传统的识别系统就是根据这种负压波信息的不同,采用模式识别等方法进行判别,但这些方法要求对波形的定义非常的准确,所以虚警率高。在此基础上,本文设计了一种泄漏检测的安装系统。

在传统的泄漏检测安装系统上采用双压力传感器,分别安装在加压器端和管道入口处。如图3所示,是某油库A到油库B的压力传感器安装示意图:

图3双压力传感器的安装示意图

在油库A的加压器端和距离管口一定位置各安装一个压力传感器A1(近端)、A2(远端),传感器将采集到的数据一并传给PC机。其中,加压器主要是用来调阀等操作的

传统的泄漏检测系统是根据传感器采集到的流量值的变化、管道压力值的变化来进行泄漏判断。本文采用的双压力传感器主要是用来计算时差的,其理论依据是:由于A1和A2拾取的压力波信号来自同一条波形,仅存在时间差,所以波形特征是基本相同的,在界面上显示时仅存在坐标轴的平移现象。如果A2端到B2端之间发生了泄漏,那么传感器A2将比A1先采集到特征波形;如果波形突变是由于调阀引起的,A1将先于A2采集到特征波形。

这里采用双压力传感器对油库A进行了调泵等操作情况下的数据采集。从图3可以看出,采用双压力传感器采集到的双压力曲线波形的变化趋势是基本一致的,验证了采用双压力传感器进行泄漏判断的可行性。

在管线泄漏检测技术中,采用双压力传感器是克服工艺条件干扰最有效的办法之一,如何能够通过双压力传感器排除干扰,两个压力传感器间的距离选择很关键,距离过短无法获得足够的时间差,距离过长将失去试验的意义。通过在油库A作现场试验,当2个压力传感器的距离为200米时,数据分析效果不够理想。因此此次试验将扩大2个压力传感器的距离。可近似确定为600米,经现场勘察油库A、油库B出库附近有足够长的直管段可安装压力传感器。采用双压力传感器可以根据两端数据压力波的拐点出现的先后次序进行泄漏判断,Al端和A2端的压力曲线时间间隔很小,由于两拐点之间间距极小和实际运行过程中压力数据的复杂性,可以采用相关分析法来实现。

参考文献:

[1]蔡正敏.管道泄漏监测系统中新技术的研究,西安西安交通大学,2001

[2]茹慧灵.国内外油气管道技术现状与发展趋势,河北石油职业技术学院,2006

[3]常贵宁.油气集输工艺技术,北京中国石化出版社,2001