油气田地面管道中泄漏报警技术浅谈范文

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《化工自动化及仪表杂志》2016年第12期

摘要：

通过对5种常用的管道泄漏报警技术原理和优缺点的对比分析，选择较优的次声波法和分布式光纤法应用于西部某油田管道的泄漏检测报警中，现场测试结果表明:次声波法可检测到的最小泄漏孔径为3mm，响应时间不大于1min，定位精度小于50m;分布式光纤法的响应时间不大于10s，定位精度小于20m。

关键词：

泄漏报警技术；油气田地面管道；次声波法；分布式光纤法

油气集输管道是油田生产的生命线，其基本要求是安全、高效，一旦管道发生穿孔，不仅会造成巨大的经济损失和资源浪费，而且还会带来安全、环境污染等一系列问题。因此，及时快速地检测油气泄漏，并精确定位和报警，以便采取有效措施，将损失减小到最低，不仅是目前亟待解决的技术难题，也是管道安全环保生产运行的主要任务，更是提高油气田高效开发的技术保障。西部某油田腐蚀环境恶劣，管道穿孔事故多发于高含水/高含硫管线、污水/注水管线及老管线等，并跨越河流、村庄和民族聚居区，导致油气泄漏的潜在风险很高。因此，为提升管线隐患预测、风险管控及应急指挥等管理水平，笔者在充分调研目前的泄漏报警技术后，引进次声波法和分布式光纤法两种泄漏报警技术，并开展了现场应用测试，对系统的关键技术指标进行了评价，以期为油田进一步推进泄漏报警装置的应用进而降低油气泄漏环境安全风险提供技术支持。

1泄漏报警技术①

20世纪70年代，德国学者Rlsermann和SiebertH首次提出了一种通过流量和压力信号检测管道泄漏的方法，而直到80年代末才开始进入现场测试和商品化应用阶段［1］。早期的管道泄漏检测方法主要基于硬件方法(连续实时监测受限)，而随着现代控制理论和信息化技术的快速发展，软硬件相结合并以软件为主的管道泄漏检测方法逐渐成为研究热点［2］，即利用控制理论、信号处理及计算机技术等对压力、流量、密度、粘度及温度等管道和流体信息进行采集、处理和估计，通过建立数学模型，对信号降噪并提取故障特征，从而实现管道安全状态监测和泄漏点定位报警［3］。目前，油气田采用的管道泄漏报警方法主要有5种，分别是次声波泄漏检测方法、负压波泄漏检测方法、分布式光纤泄漏检测方法、红外成像泄漏检测方法和流量平衡检测方法。对比不同方法的原理和优缺点(表1)［4～6］可知，次声波法的灵敏度、定位能力及费用等各项技术指标相对较优，适合在油气田推广使用;分布式光纤法费用较高，但其灵敏度、定位能力和保护距离都有优势，也适合在油气田推广使用。

2次声波法的测试应用

2．1技术原理和系统组成

西部某油田根据实际生产需要，选择一条典型原油管道作为次声波法泄漏报警系统投运前的测试对象。该管道长约15km，规格323．9mm×7．1mm，管道首站有3个加压泵，首站压力1．3MPa，末站压力0．7MPa。管道介质为稠油，密度平均0．8713g/cm3;粘度在5．33～419．62mm2/s之间，属于常规原油，流动性较好;含水量20%～30%，含少量气体，起点输送温度70℃，输量50～70m3/h。次声波法泄漏报警系统(图1)包括基站(首站和末站)、中心站及通信网络等部分。其工作原理是:在油气泄漏的瞬间压力平衡打破，引起瞬时音波振荡，次声波通过流体沿着管壁向首、末站扩展［7］;声波传感器安装在管道两端，在线拾取次声波信号，通过数据采集器进行A/D转换滤波后传递给中心站的上位机软件;上位机软件通过对次声波信号进行特征量提取来判断泄漏发生的位置。泄漏点位置x的计算式为:x=L+vΔt2式中L———首、末站传感器的距离，m;v———次声波的传播速度，m/s;Δt———泄漏点次声波传播到A、B两点的时间差，s。系统共设置了两处监测点，即在A站出站管线和B站进站管线上分别安装了两台声波信号传感器，并在A站和B站非防爆区设置了两个基站RTU(远程终端数据采集和处理系统)。为实现系统时间同步，在首、末站各安装了一套GPS，固定在离采集终端较近的屋顶，并超出屋顶30cm，且四周没有遮挡物。系统通信方式选择局域网。

2．2系统测试结果分析

在距离A站10km的管道上开孔设置放油阀，在放油阀出口分别垫入孔径为3、5、7mm的垫片模拟泄漏孔径。测试过程中孔板由较小孔径逐渐更换至较大孔径，每一孔径下放油测试3次，每次放油时间5s，放油间隔不小于20min。测试人员分两组，分别在操作现场和控制室，分别对放油时刻、报警时刻、放油位置和报警位置进行记录，测试结果见表2。可以看出，该系统各项技术性能指标良好，具有较高的泄漏监测和定位能力，可实现对最小泄漏孔径3mm的可靠检测与定位，定位误差小于50m;管道发生泄漏时，系统能在1min内报警，而且泄漏孔径越大，响应时间越短。

3分布式光纤法的测试应用

3．1技术原理和系统组成

为了测试分布式光纤法的各项技术指标，对某天然气管道开展应用测试。该管道全长4．6km，规格为168．3mm×12．0mm，介质以气态为主(占90%以上)，伴生气(含C1、C2、C3)平均密度0．6g/cm3，C1平均含量92．80%，C2平均含量1．51%，C3平均含量0．47%，首站压力4．9MPa，末站压力2．1MPa，起点输送温度约40℃。分布式光纤法泄漏报警系统(图2)主要包括分布式光纤温度传感器、放大电路和数据采集模块，其中在C站到D站沿管道铺设一条感温传感光纤，在控制室安装软件运行平台(负责数据显示与存储、管道状态实时监控与管理)，在C站配制光电检测仪(负责光信号的收发与转换处理，并将处理后的信号返回到计算机信号处理系统进行分析)。系统的工作原理为:激光光源向光纤注入激光脉冲，然后利用后向散射光(拉曼散射光)进行实时信号分析处理，以获取整根光纤的温度应变曲线;当管道发生泄漏时，油气介质温度将会明显高于周围环境温度，当后向散射光返回至光纤入射端时，可测量到入射光和反射光之间的时间差t。则发生散射的位置(泄漏点)距入射端的距离x'可表示为［8，9］:x'=ct2n式中c———真空中的光速，c=3×108m/s;n———光纤的折射率。

3．2系统测试结果分析

选择距C站620m处和D站光缆末端作为测试点，每个测试点测量3次，每次间隔不少于30min。测试过程中用毛巾包裹光缆，并通过在毛巾上浇注热水(90～100℃)的方式对光缆进行加热，每次连续均匀浇注1min。同时，对测试过程中的加温位置、报警位置、加温时刻和报警时刻进行记录，结果见表3。可以看出，分布式光纤法泄漏报警系统具有较高的泄漏监测和定位能力，系统能在10s内发出警报，且定位精度小于20m。

4结束语

西部某油田选择较优的次声波法和分布式光纤法开展了现场管道泄漏测试，并对各项技术性能指标进行了评价。次声波法可监测到的最小泄漏孔径为3mm，响应时间不大于1min，定位精度小于50m;分布式光纤法的响应时间不大于10s，定位精度小于20m。两种方法均能实现对现场管道的泄漏检测和处理，尤其是分布式光纤法的各项技术指标都较优，但该方法需要沿线铺设光纤，费用相对较高。因此，建议对两种泄漏检测报警方法进一步优化，提高其定位精度并降低响应时间，显示泄漏点经纬度坐标，方便技术人员查找泄漏点，进一步提高应急快速反应能力。由此可见，两种方法各项系统技术性能指标良好，用于油田地面管道泄漏报警是可行的，为油田进一步推广管道泄漏报警技术提供了重要依据。

参考文献：

［1］王雪亮，苏欣，杨伟．油气管道泄漏检测技术综述［J］．天然气与石油，2007，25(3):19～23．

［2］王效东，黄坤，朱小华，等．油气管道泄漏检测技术发展现状［J］．管道技术与设备，2008，(1):24～26．

［3］李辉，冯建国，廉明明，等．油气管道泄漏监测与定位方法分析综述［J］．中国石油和化工标准与质量，2014，(4):117～118．

［4］陈朋超．长输管道安全预警系统若干关键技术研究［D］．天津:天津大学，2010．

［5］周琰，靳世久，曾周末，等．分布式光纤管道安全检测定位技术研究［J］．光电子•激光，2008，19(7):922～924．

［6］阚玲玲，梁洪卫，高丙坤，等．基于次声波的天然气管道泄漏检测系统设计［J］．化工自动化及仪表，2011，38(6):653～655．

［7］赵会军，武伟强，王克华，等．基于次声波法的油气管道泄漏检测与定位［J］．油气储运，2012，31(3):215～218．

［8］刘冰，王洁，吴健宏，等．分布式光纤测温系统在LNG储罐泄漏和冷却温度监测中的应用［J］．化工自动化及仪表，2014，41(12):1445～1447．

［9］陈志刚，张来斌，王朝晖，等．基于分布式光纤传感器的输气管道泄漏检测方法［J］．传感器与微系统，2007，26(7):108～110．

作者:宋成立 高秋英 付安庆 葛鹏莉 朱原原 单位:中国石油集团石油管工程技术研究院 中国石化西北油田分公司工程技术研究院