基于负压波和音波的成品油管道泄漏定位综合分析

任 娇，李 季，王 东，刘 刚，纪国文



基于负压波和音波的成品油管道泄漏定位综合分析

任 娇1，李 季2，王 东3，刘 刚3，纪国文3

（1. 中石油西南管道公司兰成渝输油分公司， 四川 成都 610036； 2. 中石化西南石油工程有限公司油田工程服务分公司， 四川 绵阳 621000； 3. 西南石油大学， 四川 成都 610500）

油气输送管道关乎国家能源安全，近年来随着石油工业的发展，敷设管线大幅增多。由于腐蚀和人为破坏等问题，管道泄漏事故时有发生，不仅对环境污染严重，而且也威胁沿线群众的生命财产安全。基于负压波、音波、质量或体积等单因素的管道泄漏监测系统在国内得到了广泛应用，但是影响管道泄漏监测系统有效性的因素有很多，这时候用单因素进行管道泄漏定位会出现较大的偏差。本文提出的基于负压波和音波的成品油管道泄漏综合定位方法，可以有效地降低有害因素对监测系统的影响，对管道泄漏点进行准确的定位，为管道运行和维护人员提供科学依据。

负压波；音波；定位；综合分析；成品油管道

石油和天然气管道输送可以降低管道运营的成本，便于对整个系统进行自动化控制。但是输油管道一旦发生泄漏，后果是十分严重的。造成管道泄漏的原因一般有以下几种：管道材质存在缺陷；管道密封不良或者阀门处泄漏；重物重压或地质构造导致地基下沉，使管道开裂；人为盗油使管道穿孔泄漏。

完全杜绝管道泄漏是不可能的，越早发现管道泄漏并准确定位，就越能减小损失并节省人力物力。本文介绍的基于负压波和音波的成品油管道泄漏综合定位方法可以尽量较小不利因素影响，提高管道泄漏定位准确度。

1 负压波和音波泄漏定位方法原理

1.1 负压波法原理[1]

当管道发生泄漏的时候，由于管道内部和外部存在压力差，泄漏点的流体迅速流失导致该点压力下降，泄漏点两边的流体因为存在压差而向泄漏点流动补充。这个过程向上下游传递，相当于在泄漏点形成了一个向远处传递的具有一定速度的负压力波。其传播规律与管道的声音和水击波相同，速度取决于液体的压缩性和管壁的弹性。根据负压波向上游和下游传递的速度和到达两端压力变送器的时间差，可以精确计算出泄漏点的位置。

管道泄漏定位原理如图1，设管道起点为点、泄漏点为点、终点为点，为整个管道的长度，X为管道上游到泄漏点的长度，1和2是负压波从泄漏点传播到管道两端的时间，t为全程负压波传播时间[2]。

图1 管道泄漏定位示意图

经过以上分析，可以得出

其中

设t为t1和t2的时间差，则有

由式（1）和式（3）可得

则泄漏点距离管道起点的距离为

负压波监测定位技术具有很高的定位精度和很快的响应速度，能够迅速检测出突发性的泄漏，其自动化程度较高，但是对于泄漏量较小的情况效果不明显。我国的成品油管道泄漏主要是认为原因造成的，特点是持续时间短且泄漏量较大，符合负压波传送的特点。

1.2 音波法原理

音波监测管道泄漏的原理是利用音波传感器监测沿着管线传播的音波信号，然后通过一定的计算对泄漏点进行定位[3]。当管道发生泄漏时，管道内的输送介质与管壁摩擦产生震荡，发出音波。音波沿着管道向上下游进行高速传播，在管道两端安装有音波接收器捕捉音波图形，并且通过与计算机数据库中的数据进行对比确定是否发生泄漏和泄漏量的大小，同时在管道两端捕捉到的泄漏信号的时间差和音波运行速度计算得到泄漏点的位置[4]。当管道正常运行情况下，音波传感器接收到的音波被定义为背景噪音，管道一旦发生泄漏，泄漏音波信号同正常运行时的音波噪音一同传给音波传感器，经过音波监测系统的鉴别，系统会迅速捕捉到微小的震动信号判断出具体的泄漏位置。

管道泄漏定位原理如图1所示，1和2是负压波从泄漏点传播到管道两端的时间，泄漏点的计算公式为

式中：—泄漏点距离上游音波传感器距离;

—上游和下游音波传感器之间的距离;

—音波的传播速度;

△—上下游音波传感器接收到音波的时间差。

由上式可以看出，音波法计算泄漏点位置的公式是很简单的，精确确定音波在管道中传播的速度和上下游传感器接受音波的时间差是两项非常关键的技术。

负压波法具有很强的定位精度和响应速度，但是其容易受到管线运行工况的影响，有时管道泄漏量很小，所以产生的微弱负压波传递到探测器时候能量已经很低，经常分辨不清，而高凌密度的音波传感器能够检测到很微弱的声音信号，鉴于此，我们采用音波法来弥补负压波法对管道泄漏的监测定位。

2 负压波法和音波法检测系统

2.1 系统组成

根据系统的组成特点，成品油管线泄漏监测系统分为子站和中心站软件两个部分。

（1）子站实时采集本站进、出站压力及音波数据，并通过网络向中心站传送。

（2）中心站实时接收子站数据，并进行综合分析判断。若发生泄漏，系统将报警，并自动定位泄漏点。管理人员可通过“手动定位”分析，以及结合SCADA系统流量数据变化，来确认此次压力异常是否为泄漏。

（3）中心站软件上实时显示的信号波形（压力、音波）。

系统的总体结构框图如图2所示。

当管道发生泄漏时，泄漏点处由于管道内外的压差，流体迅速流失，在泄漏点处的压力迅速下降形成负压波，同时流体外泄产生音波。负压波和音波在管内介质中以声波速度向上下游传播。

本系统采用泄漏产生的负压波和音波，并进行综合分析，判断管道是否发生泄漏并进行定位计算。

图2 泄漏监测系统组成

2.2 软件设计

基于负压波和音波的管道泄漏监测系统是一个复杂的实时多任务系统，它包含以下几个模块[5]：

（1）数据采集模块

管道内的负压波信号、音波信号、压力信号、流量信号和温度信号都是有加装在管道首端和末端的各种传感器获取，并通过数据采集卡将模拟信号转换为二进制信号，以二进制格式保存。

（2）GPS时钟校对模块

判断信号是正常生产还是意外泄漏和计算泄漏信号传播到管道首末两端时间差，首端和末端的数据波形起始时间对齐是非常重要的。因为计算机本地时钟的稳定性较差，所以利用美国GPS导航卫星的授时功能实现了对两端时钟的校对。

（3）数据传输模块

通过远程数据采集，将分布在网络上的参数信息输送汇总到中心站。可以对管道进行远程泄漏诊断，还可以将实时数据传给相关监控站，及时排除管道故障。

（4）数据处理及诊断模块

中心站采集到的负压波和音波数据首先要进行降噪和滤波等处理，这样才能保证计算的准确性。用负压波法和音波法综合对管道进行泄漏点定位是本系统的优势。

（5）实时曲线显示模块

中心站接收到的压力、音波、流量等数据都可以通过实时曲线进行显示，站点工作人员可以直观的查看指定时间内的参数信息，凭借经验察觉出管道的故障。

3 系统应用实例

管道泄漏监测系统以负压波、音波为基础，能够实时监测管道发生的突发性泄漏，并给出泄漏点位置。该系统检测灵敏度高、定位误差小、反应时间快，能够及时发现因打孔盗油等造成的管道泄漏。该系统在停输情况下，只要管道内保持一定的压力，并保持管段畅通，也能够监测泄漏。

负压波和音波实时监测曲线如图3所示，其中白色曲线为负压波监测曲线，左侧坐标轴表示其压力大小；白色曲线为音波监测曲线，右侧坐标轴表示音波强弱。

图3 实时监测曲线

本系统在某条成品油管道进行了现场测试，总管长为46 000 m，成品油管道泄漏监测系统测试结果如表1所示，定位相对误差在4.5%以内，说明基于负压波和音波的成品油管道监测系统是准确有效的。

表1 成品油管道泄漏监测系统测试结果

4 结论

成品油管道有很多是长距离输油管线，地形环境和运行工况比较复杂。一旦发生泄漏却不能尽快准确定位，其后果不堪设想。基于负压波和音波的成品油管道泄漏综合定位分析系统能够有效地对泄漏点进行定位，具有灵敏度高、告警快速、定位准确等优点，可以大范围的使用，还能推广到原油和天然气管道泄漏的监测上。

［1］ 沈功田，李光海，景为科，等. 埋地管道泄漏监测检测技术[J]. 无损检测，2006，28（5）：261-265．

［2］ 廉小亲，苏维均，田黎明. 基于负压波法的输油管道泄漏检测定位系统[J]. 计算机工程与设计，2007，28（9）：2199-2202．

［3］ 熊庆生，刘奕伽. 音波管道泄漏检测系统[J]. 油气田地面工程，2010，29（8）：59．

［4］ 郑碗郁. 音波检测技术在油气管道泄漏检测中的应用研究[J]. 广州化工，2013，41（6）：43-45．

［5］ 李利锋，白泽生. 基于负压波和流量平衡的原油管道检漏定位系统[J]. 现代电子技术，2008（21）：120-122．

Comprehensive Analysis on Product Oil Pipeline Leakage Localization Based on Negative Pressure Wave and Sound Wave

1，2，3，3，3

（1. CNPC Southwest Pipeline Company Lanzhou-Chengdu-Chongqing Products Transportation Branch, Sichuan Chengdu 610036，China；2. Sinopec Southwest Petroleum Engineering Co.Ltd. Oil&Gas Engineering Service Branch, Sichuan Mianyang 621000,China；3. Southwest Petroleum University, Sichuan Chengdu 610500, China）

Oil and gas pipelines are important to national energy security. In recent years, with the development of petroleum industry, more and more pipelines have appeared. Due to erosion and man-made destruction, pipeline leakage accidents occur from time to time, which not only can cause serious environmental pollution, but also can threaten people's life and property safety. The monitoring system based on pipeline single factor of negative pressure wave, sound wave, mass or volume has been widely applied in the domestic leakage monitoring, but there are many factors affecting pipeline leakage monitoring system, then pipeline leak location based on a single factor will have a large deviation. In this paper, an oil pipeline Leakage locating monitor method based on pressure wave and sonic was put forward, it can effectively reduce the harmful influence on the monitoring system, pipeline leakage point can be located accurately, which will provide a scientific basis for pipeline operation and maintenance personnel.

Negative pressure wave; Sound wave; Positioning; Comprehensive analysis; Product oil pipeline

U178

A

1671-0460（2014）06-1064-03

2013-11-05

任娇（1985-），女，四川成都人，现在中石油西南管道公司兰成渝输油分公司，主要从事成品油管线的运行管理等工作。E-mail：380337493@qq.com。