智能泄漏检测系统在汽油长输管道上的应用

曾金令

自2013年“11·22东黄输油管道原油泄漏爆炸特别重大事故”发生以来，国家及相关炼化企业持续加大对油气输送管道的安全管理力度，为油气输送管道搭建一套对泄漏进行实时检测和定位的系统是加强油气输送管道安全管理的有效措施。

2005年，严正国团队［1］提出基于水击波原理的输油管线漏失动态监测系统，系统在大庆油田得到测试和应用。2005年，王强团队［2］基于声发射信号的传播和改进小波包分解算法，提出了一种钻孔破坏点精确定位的方法。2011年，贾宗贤团队［3］通过实验方法验证了小波变换理论在天然气管道泄漏预报中的应用。2015年，阚玲玲团队［4］基于声学和流体学等相关理论给出了一种天然气管道次声波泄漏检测系统的软、硬件设计方案。2016年，Morteza Zadkarami团队［5］集成OLGA软件和多层感知器神经网络（MLPNN）分类技术，对伊朗一条20 km的“Goldkari－Binak”管道的泄漏故障进行了有效分类和定位应用。

在此介绍一种基于次声波的智能泄漏检测系统（Intelligent Leakage Detection System，ILDS）在中国石化上海石油化工股份有限公司（以下简称上海石化）汽油长输管道上的应用情况。

1 汽油长输管道的概况

截止到2017年，服役19年之久的汽油长输管道由上海石化以年5 Mt／a的能力向陈山油库输送汽油。管道里程为26.229 km，途经区域的地表地物主要包括：农耕地、沼泽地、住房和河流等，埋设地为4级地区。管道等级为GA2，其管体与运行参数如表1和表2所示。

表1 汽油长输管道的管体参数

表2 汽油长输管道的运行参数

在沿程含水量、含盐量、pH、电阻率和孔隙率等理化性质差异较大的气、液、固多相体系土中，汽油长输管道易受到氧浓差电池、硫酸盐还原菌等腐蚀威胁；同时，地表占压、杂散电流、道路、河流等外部动态环境亦对汽油长输管道的安全构成挑战。

鉴于“11·22东黄输油管道原油泄漏爆炸特别重大事故”的教训，2015年上海石化在中国石化提出的设备完整性和风险预防式管理理念［6］的指导下，在此汽油长输管道上搭建了一套对泄漏具有实时检测和定位功能的ILDS，以提高长输管道的安全运行等级。

2 泄漏检测系统

油气输送管道泄漏时产生的信号叠加了具有奇异性的次声波信号［4］，这种次声波信号是由泄漏处的介质与管壁高速摩擦形成的低频能量波产生的，这些信息能为管道的泄漏检测和准确定位提供分析依据。

2.1 系统构成

ILDS与定位原理如图1所示，汽油长输管道上搭建的ILDS主要由石化1站与油库1站声波传感器、声波采集与发射模块、监控主机、数据服务器和全球定位系统（GPS）／北斗卫星等5部分组成。另外，石化2站与油库2站声波传感器作为补充配置，分别安装在距离石化1站和油库1站150 m与200 m处。

图1 ILDS与定位原理

在ILDS工作时，声波传感器检测并放大声波信号，声波采集与处理模块采集并预处理声波信号，GPS／北斗卫星保证系统接收到的声波信号具有同步性。如果在声波信号预处理过程中发现疑似泄漏次声波信号，数据服务器将会对声波信号做进一步的处理。如果汽油长输管道确实发生泄漏，监控主机将实时发出警报，并预报泄漏点位置x。

2.2 泄漏定位原理

如图1所示，汽油长输管道的泄漏点位于石化1站和油库1站声波传感器之间。ILDS信号分析软件将石化1站与油库1站接收到的次声波信号同步并作互相关后，利用小波变换的时间－尺度特性［3］可有效地获取到变化信号中次声波信号传到两端声波传感器的绝对时间T1与T2，从而得到如下的定位公式：

式中，C为次声波在介质中传播的速度，m／s。

3 系统测试方法

为了不破坏汽油长输管道的完整性，采用阀门开闭泄放的方式模拟泄漏场景，以测试ILDS的泄漏检测功能。ILDS测试方法如图2所示，泄放组件通过短节安装在声波传感器组件的测试孔上。测试过程中，快速全开泄放球阀，并保证5 s的泄放时间，然后迅速关闭。泄放头孔径有7 mm和5 mm两种规格，以模拟不同大小的泄漏点，并各进行3次泄放测试，期间相邻再次泄放操作的时间间隔不低于5 mm。

图2 ILDS测试方法

4 结果与讨论

4.1 次声波信号分析

图3是石化1站处模拟泄漏时ILDS检测到的声波信号，此时模拟泄漏点（石化1站）在布控范围内。由图3可见：声波信号中能够观察到明显的奇异性的次声波信号。由于泄漏点在石化1站处，石化1站处检测到的泄漏信号较油库1站处检测到的泄漏信号背景干扰噪音较少，且信噪比最大。同时，由图3可知：次声波信号在由石化1站向油库1站传播过程中产生了近2／3幅度的衰减，其中正向波幅由495 mV急减至163 mV，而负向波幅由－580 mV急减至－288 mV。

由图3还可知：与石化1站相比，油库1站在接收次声波信号时发生了延迟滞后现象。泄放头孔径为7 mm时，3次泄放中ILDS的响应时间分别为40，37，37 s；泄放头孔径为 5 mm时，3次泄放中ILDS的响应时间分别为41，36，39 s。响应时间小于50 s，ILDS能迅速检测到长输管道泄漏的发生。

图3 石化1站处模拟泄漏时系统检测到的声波信号

图4 是油库2站处泄漏时ILDS检测到的声波信号，此时模拟泄漏点（油库2站）在布控范围外200 m处。由图4可知，ILDS的响应时间仍然小于50 s。

图4 油库2站处模拟泄漏时系统检测到的声波信号

4.2 泄漏定位误差

限于ILDS的技术条件，布控范围内报警泄漏点与实际泄漏点之间的定位误差小于50 m时，泄漏定位x为准确定位。

表3列出了石化1站与油库2站处模拟泄漏时ILDS的泄漏定位误差。石化1站处模拟泄漏时，实际泄漏点位于布控范围的一端，报警定位点位于声波传感器布控范围内。由表3可知，6次测试中泄漏定位误差最大为14 m，满足ILDS的定位精度要求（小于50 m）。

油库2站处模拟泄漏时，实际泄漏点（油库2站）位于声波传感器布控范围外，报警定位点仍位于声波传感器布控范围内。由表3可知：6次测试中泄漏定位误差最大为224 m，此时，泄漏定位误差包括系统误差：油库1站和油库2站之间的里程200 m。

表3 测试过程中的泄漏定位误差

5 结论

（1）ILDS能够有效地对泄漏次声波信号进行检测和降噪处理。

（2）ILDS对泄漏的响应时间小于50 s，能迅速检测到泄漏的发生。

（3）声波传感器布控范围内，ILDS的泄漏定位误差小于50 m。该ILDS对汽油长输管道泄漏满足实时检测和准确定位的要求。

［1］ 严正国，张家田，胡长岭，等.输油管线漏失动态监测系统设计及实现［J］.西安石油大学学报（自然科学版），2005，20（1）：66－68.

［2］ 王强，张光新，周泽魁，等.基于声发射的输油管线破坏点定位方法研究［J］.浙江大学学报（工学版），2005，39（3）：321－325.

［3］ 贾宗贤.基于小波变换的天然气管道次声波信号分析［J］.油气田地表工程，2011，30（11）：13－14.

［4］ 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，2015，38（6）：653－655.

［5］ Mor teza Zadkarami，Mehdi Shahbazian，Karim Salahshoor.Pipeline leakage detection and isolation：An integrated approach of statistical and wavelet feature extraction with multi－layer perceptron neural network（MLPNN）［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2016，43（9）：479－487.