董鵬望

西部管道蘭州輸氣分公司澀北壓氣首站

摘要：為有效管控輸氣管道安全風(fēng)險(xiǎn)，需要采用先進(jìn)科技手段提升管道泄漏監(jiān)測水平。分析了次聲波泄漏監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢，介紹了次聲波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)及其在澀寧蘭管道的應(yīng)用測試。實(shí)際測試表明，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測管道泄漏并精確定位泄漏點(diǎn)，對推廣使用該技術(shù)有積極意義。

關(guān)鍵詞：次聲波泄漏監(jiān)測；泄漏報(bào)警；泄漏點(diǎn)定位；澀寧蘭管道

澀寧蘭輸氣管道包括澀寧蘭一線和澀寧蘭復(fù)線，兩條管道并行敷設(shè)，途經(jīng)青藏高原和黃土高原，沿線地貌類型復(fù)雜多樣，氣候復(fù)雜多變， 管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素較多，一旦發(fā)生泄漏事故，不但造成生命財(cái)產(chǎn)損失，還將影響下游天然氣供應(yīng)。為此，在一線、復(fù)線湖東站至西寧站管段首次應(yīng)用次聲波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)開展泄漏監(jiān)測，探討該技術(shù)的應(yīng)用效果。

1  泄漏監(jiān)測方法優(yōu)選

1.1  常用泄漏監(jiān)測方法

（1）光纖測溫法。目前應(yīng)用于局部泄漏監(jiān)測，且光纖容易受外界干擾，對環(huán)境溫度要求很高。

（2）實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型法。通過測量管道運(yùn)行數(shù)據(jù)與預(yù)期模型條件進(jìn)行比對，系統(tǒng)軟件可以判斷泄漏量和泄漏位置。該方法存在模型復(fù)雜，響應(yīng)時(shí)間長，對泄漏不敏感的問題，后期維護(hù)難度大。

（3）統(tǒng)計(jì)分析方法。根據(jù)管道工藝系統(tǒng)的流體流量和壓力參數(shù)，連續(xù)計(jì)算泄漏的統(tǒng)計(jì)概率。通過測量流量和壓力及統(tǒng)計(jì)平均值估算泄漏量，用最小二乘法進(jìn)行泄漏定位。該方法存在響應(yīng)時(shí)間長，受限于儀表精度影響等問題。

（4）負(fù)壓波法。對小泄漏所產(chǎn)生的微小壓力變化不敏感，且其主要用于測量穩(wěn)態(tài)和緩慢變化的壓力，不具有滿意的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，不適用于氣體管道泄漏監(jiān)測。

（5）次聲波法。管道內(nèi)流體發(fā)生泄漏后，引起瞬時(shí)低音波震蕩和傳輸，采用次聲波傳感器以捕捉管道內(nèi)因泄漏產(chǎn)生的聲波信號，進(jìn)行泄漏檢測和定位。

1.2  次聲波法優(yōu)點(diǎn)

次聲波為頻率小于20 Hz（赫茲）的聲波，不容易衰減，不易被水和空氣吸收，波長往往很長，因此能繞開某些大型障礙物發(fā)生衍射。次聲波法用于輸氣管道泄漏監(jiān)測的優(yōu)勢表現(xiàn)為，次聲波傳感器能承受管內(nèi)穩(wěn)態(tài)壓力的作用，在穩(wěn)態(tài)壓力不變的時(shí)候輸出為零；輸出只與聲壓有關(guān)且對聲壓變化敏感，可以根據(jù)需要確定量程，其靈敏度遠(yuǎn)高于壓力傳感器。同時(shí)具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，泄漏發(fā)生后沖擊波聲源產(chǎn)生的聲壓信號在低頻部分功率譜密度比較大，宜于采集，具有靈敏度高、探測距離遠(yuǎn)、定位精度高、可靠性好和易于維護(hù)等顯著優(yōu)勢。

2  次聲波法原理及監(jiān)測系統(tǒng)組成

次聲波泄漏監(jiān)測通過計(jì)算泄漏信號傳輸?shù)桨惭b在管段兩端傳感器的時(shí)間差，結(jié)合信號在流體中的傳輸速度，計(jì)算泄漏點(diǎn)位置，如圖 1 所示。

圖 1 次聲波監(jiān)測方法定位示意圖

定位計(jì)算參考公式（1）：

X=（L+aΔt）/2  （1）

其中：X為泄漏點(diǎn)距首端測量點(diǎn)的距離，m；L為管道全長，m；a為管輸介質(zhì)中次聲波的傳播速度，m/s；t為接收上、下游傳感器信號的時(shí)間差，s。

泄漏監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場儀表、子站、中心站、通信系統(tǒng)四部分組成，詳見圖 2。現(xiàn)場儀表主要指次聲波傳感器。子站由多個(gè)次聲波數(shù)據(jù)采集器組成，一般設(shè)置在站場機(jī)柜間或露天閥室設(shè)置在防爆接線箱內(nèi)。中心站服務(wù)器部署次聲波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，以及遠(yuǎn)程監(jiān)視終端。通信系統(tǒng)可采用光纜通信、衛(wèi)星通信、微波通信及GPRS 網(wǎng)絡(luò)通信等各種通信手段。

圖 2 泄漏監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

子站次聲波數(shù)據(jù)采集器不間斷采集管道次聲波信號，并由通信設(shè)備傳輸?shù)街行恼痉��?wù)器進(jìn)行處理和分析，判斷管道是否發(fā)生泄漏。當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)判定發(fā)生泄漏時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號，定位泄漏點(diǎn)并給出定位信息。

3  具體應(yīng)用

3.1  次聲波采集點(diǎn)設(shè)置原則

（1）為了排除站場內(nèi)閥門、壓縮機(jī)動(dòng)作等噪聲對泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的干擾，通常在進(jìn)、出站設(shè)置兩個(gè)次聲波采集點(diǎn)；通過次聲波經(jīng)過這兩個(gè)傳感器的時(shí)差判斷次聲波方向及來源，提高系統(tǒng)的判斷能力。

（2）為準(zhǔn)確采集次聲波信號，避免其波長的影響，進(jìn)站（出站）兩個(gè)次聲波采集點(diǎn)間距宜大于10 m，之間不能有過濾器、調(diào)壓設(shè)備等產(chǎn)生或抑制次聲波的設(shè)備干擾。

（3）充分利用已有壓力表或壓力變送器取壓處及管件閥門，在原有儀表上加裝新增次聲波傳感器，新增儀表采用支架安裝，增加三通與原有儀表共用一個(gè)取樣孔。原壓力表取壓處安裝次聲波傳感器，如圖 3所示。

圖 3 次聲波傳感器安裝示意圖

3.2  泄漏監(jiān)測效果測試

（1）報(bào)警測試。選擇管道運(yùn)行狀態(tài)中具有代表性的測試變量和測試方法，可用實(shí)際測試或模擬測試。

（2）放空測試。選擇輸氣管段內(nèi)的一個(gè)閥室，利用連接放空管的旋塞閥進(jìn)行短時(shí)放空作業(yè)，共放空4～5 次，每次放空時(shí)間為10 s，然后關(guān)閉放空旋塞閥，恢復(fù)原工藝狀態(tài)。記錄此輸氣管段實(shí)際長度L、次聲波傳播速度V，分別調(diào)試系統(tǒng)次聲波撿拾靈敏度、輸氣管道段各站場和各閥室的管道信噪比Q、定位偏差等，以及放空模擬泄漏時(shí)的信號衰減距離和監(jiān)測性能。

（3）預(yù)告和非預(yù)告測試。預(yù)告測試事先告知管道調(diào)度員，并且只限于管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)性能測試。非預(yù)告測試事先不告知管道調(diào)度員，同時(shí)測試管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)性能和管道調(diào)度員的響應(yīng)能力。一般來說，預(yù)告測試成功確認(rèn)之后才能適用非預(yù)告測試方法。

（4）現(xiàn)場測試。在澀寧蘭復(fù)線湖東壓氣站至西寧分輸站管段，現(xiàn)場采用從大到小多種規(guī)格限流孔板、差壓流量計(jì)、球閥和放空管等，模擬輸氣管道發(fā)生泄漏狀況，檢驗(yàn)次聲波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的自動(dòng)報(bào)警和定位能力。結(jié)果表明，監(jiān)測系統(tǒng)報(bào)警達(dá)到的最小泄漏率（靈敏度）、定位誤差、反應(yīng)時(shí)間等滿足監(jiān)測系統(tǒng)指標(biāo)要求，誤報(bào)率明顯優(yōu)于指標(biāo)要求。

4  結(jié)論

次聲波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)不改變原有設(shè)備基礎(chǔ)，適用于埋地管道和水下管道等泄漏監(jiān)測。該系統(tǒng)可在管道泄漏早期發(fā)現(xiàn)泄漏隱患，及時(shí)采取措施處置，避免造成更大損失。根據(jù)在澀寧蘭管道的應(yīng)用測試，下一步應(yīng)對傳感器安裝方式及安裝位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其具有普適性，便于快捷安裝和檢驗(yàn)，不影響管道正常工藝流程。同時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮克服現(xiàn)場管道介質(zhì)噪聲較大及改變傳感器安裝方式對監(jiān)測性能的影響，滿足次聲波泄漏監(jiān)測要求。  

作者簡介：董鵬望，1983年生，本科，畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東），工程師，主要從事管道管理工作。聯(lián)系方式：15117009526，dongpw@pipechina.com.cn。