气田管道智能管控技术研究应用

张 昀，张向京，姬伟华，李娟娟

（中国石油长庆油田分公司第二采气厂，陕西西安 710021）

1 技术应用背景

近年来，随着我国对清洁能源需求的与日俱增，天然气在各领域得到了广泛应用，而管道是天然气最高效、安全、环保、经济的运输方式。第二采气厂目前生产区域涵盖榆林5个市/县/区及山西省部分区域，管网覆盖面大，长输管道及支干线交错复杂。管道沿线地质地貌沟壑纵横，自然条件恶劣，经常遭受山体滑坡、水灾、穿越、占压等因素影响，极易产生较大的位移应力、屈曲或蠕变，严重时甚至导致管道断裂破坏，同时，管道在内部流体或外部载荷的作用下，会发生不同程度的振动。为保障管道安全运行，需要加强对整体管网及重点长输管道运行情况的监控，确保管网安全可靠运行[1，2]。

2 管网管控现状

该采气厂目前在用管道45条，总计870余千米，分布在沙漠、山地等地形复杂区域，主要采取管网运行参数监控、分析、告警及紧急情况下的联动关断技术，加强了智能化运行管理技术应用，保障了管网安全运行。

2.1 管网运行状况监控

2.1.1 压力流量在线监控 在天然气输送过程中，井站管道内为湿气，经处理厂进行脱油脱水后达到国家二类气质标准进行外输。湿气在输送过程中，因压力温度变化在管道内产生积液，随管阻增大前后压力差呈上升趋势，导致管网整体输气效率下降。为此，对45条支干线上下游压差、44座集配气站及5座处理厂（站）外输流量设定预警值。在差压预警后，则提示清管作业，或流量发出预警时，通过综合分析管网压力，了解管网运行状态，提高了输气管控能力。

2.1.2 管道中间阀门联锁控制 在4条大型输气管道上安装了7台气液联动阀以及气体泄漏、火焰探测器等设施，在管沿途阀门前后管段压降速率过快（＞0.5 MPa/10s）或发生泄漏或火灾时，阀门自动紧急关闭。为防止阀门内漏，将该管道的其他阀门与之进行联锁控制，即发生险情时该管道沿途所有控制阀均联动关闭，确保该管道得到有效截断。同时，为了防止上游管道、站点发生超压，将与之相连的集气站、处理厂的进出站阀门也与管道阀门状态进行联锁控制，实现对有关联的管网、站点一键式停车管控，提升了气田管网整体安全控制能力，保障生产运行安全。

2.1.3 无人机巡航管理 定期采用无人机进行管道巡护，采集管道沿途巡航图像。结合管道坐标在巡航图上进行导航式扫描，对与周边环境有差异的地方告警、人工判断。每帧图像可覆盖300 m×300 m的区域，相对人工巡线，能有效发现周边环境变化情况，管道巡护效果得到提高。红色矩形即为系统分析的异常点（见图1），便于及时掌握情况，采取有效措施防止事件扩大。

2.1.4 监控阴极保护运况 对管道在用阴极保护设备的运行数据进行集中采集、监控，实现对运行电流、电压信息的有效管理，并通过监控不断优化保护电流，加强了管道电化腐蚀保护能力。

2.2 高危高后果区信息化管理

结合信息化技术和管道地理信息GIS系统，对高危高后果区信息以及管道维护作业、日常巡护信息进行记录，实现了管道周边环境信息、管道巡护、作业的有效管理，提高了管道信息化管理水平。

3 管道安全隐患监测技术研究

管道虽然实现了运行监控、监督检查，但潜在的风险难以进行有效管理。尤其是处于复杂地形、河流穿越等环境下，管道的应力变化、微振动等信息不能及时掌握，难以在合理范围管控运行风险，预防安全事故事件发生。通过对管道应力监测开展研究，进一步完善管道管理能力。

3.1 管道应力与振动监测技术

3.1.1 管道应力监测 应力应变监测及其分析评价技术是一种非常科学和有效的手段，通过在管道外壁安装应力应变传感器，获取管道应力渐变过程数据，对管道的安全状态进行定量评价。

3.1.1.1 技术原理 管道在外力作用下，当应力或应变达到某一临界值时，即发生失效。通过监测数据能够掌握管道在外力作用下的力学行为。管道在工况下的荷载（内压、温差）与弹性敷设产生的弯曲应力或应变进行组合，在外力影响下，管道纵向或横向发生应力变化，就可以利用材料的应力应变关系判别管道的力学状态，对管道的力学状态进行评价。

应力值通过管道微应变来分析、计算，采用的是美国基康点焊式VK-4100型传感器进行管道应力应变监测（见图2）。

3.1.1.2 工作原理 应变测量是在胡克定律（Hooke's law）的理论基础上采用振弦原理：把一根钢弦安装在固定块之间，安装块焊接在待测钢件表面。表面的变形导致两个安装块相对运动，从而引起钢弦张力改变。随着作用力不同，钢弦的谐振频率也会发生相应的变化。通过不同频率脉冲来激励钢弦振动，引起钢弦共振，检测其共振频率，计算出传感器的受力情况。其测量应变采用以下经验公式进行计算：

式中：T-振动周期；f-共振频率。

3.1.2 管道振动监测技术 天然气管道振动对安全生产带来较大的威胁，强烈的管道振动将会使管路附件，尤其是管道的连接部位、管道与附件的连接部位和管道支架的连接部位等处，发生松动甚至破裂，轻则使管道内的气体泄漏，严重时由管道的破裂处引起爆炸，造成重大事故。

图1 无人机巡航图像与分析监控

图2 VK-4100振弦式应变计

管道的振动状态监测，是针对振源多或机械振动物理特征不明确的高危高后果区进行监测。通过在管道本体上安装加速度传感器，获取管道振动数据，根据加速度、振动幅度、频率、位移等信号利用参数矩阵进行计算，结合管道固有频率和机械振动响应进行分析，判断管系的安全可靠程度。

3.1.2.1 技术原理 由于每一条管道在结构、介质、工况等诸多方面都不尽相同，所以管道振动评价数值因管道而异。《GB/T 5047-2017油气输送管道线路工程抗震技术规范》采用IEPE电压输出型压电加速度传感器对管道振动进行测量与评价。

3.1.2.2 工作原理 IEPE电压输出型压电加速度传感器是内置了电荷放大器的压电加速度传感器，信号经由前置放大器转换成低阻抗的电压进行输出。

获取到管道加速度信号后，经过A/D转换为数值，利用傅立叶反变换得到加速度在时域的积分结果，从而判断振动是否影响到管道安全。

其加速度振动影响通过下面经验公式进行计算：

设加速度信号为 X（t）＝X＇（t）＋C，其中 X（t）为测试所得信号，X＇（t）为零均值交流信号，C为未知大小的直流分量。

3.2 系统结构及功能

3.2.1 系统结构 鉴于监测点分布较散，整个系统采取分布式采集方式，即将数据采集器和传感器一起布置在监测点位置，在管道每个监测点安装三支振弦式传感器、一支振动传感器，采用管道无损冷焊方式进行安装。

数据采集器采用内置4G模块的RTU对所有传感器进行数据采集、信号处理，并通过4GAPN专网接入数据处理服务器，利用DRESS21C分析软件计算，实现管道状态的实时监测及预警。系统结构示意图（见图3）。

图3 系统结构

3.2.2 系统功能

（1）管道应变信号采集：各个振弦式传感器的信号通过信号处理模块，将采集到的电压模拟信号转化为微处理器可直接处理的频率数字信号；

（2）管道振动信号采集：各个加速度传感器信号通过信号处理模块，将采集到的电压信号转化为微处理器可直接处理的加速度数字信号；

（3）管道应变和应力值计算：由测量出的频率值通过管道力学关系，实时计算出当前管道所受应力值；

（4）管道振动状态分析：实时计算管道振动的加速度、速度、振幅、频率等；

（5）管道环境温度测量：对传感器信号进行温度补偿，提高数据准确性；

（6）数据无线传输：将现场管道数据通过4G/APN无线链路上传至监控中心服务器；

（7）监控软件：在监控计算机上展示现场管道各监测点上的状态数据、趋势曲线，存储发布分析、预警信息。

3.3 现场设备

结合现场勘察情况，重点选择在长输管道高危及高后果区进行管道应力及振动监测：

（1）大型输气管道监测点：该管道管径为φ610×6.3，日均输气量500×104m3。管道横穿河流后沿着河堤掩埋1 km，再次横穿河流，呈“U”字型，总穿越河流长度达73 m。由于管道长年受河流冲刷，位置已经发生偏移，属于高危区。

因管道两处穿越点的地理环境高度相似，因此只在一处安装了两个应力监测点（见图4）。考虑到管道穿越河流后，又穿越公路，在此安装了一个管道振动监测点。

图4 管道监测点位置

（2）穿越公路干线：该处管道管径为φ219×6，位于国道边。该处管先后穿越国道、高架铁轨，长度30 m，道埋深不到2 m。附近地面因受货车长期、持续载荷影响，发生沉降，属于高后果区。高架铁轨上的火车经过时导致地面载荷发生变化，振感明显，因此在横穿公路的管道两侧各安装了一个应力监测点（见图5），加装了一个振动监测点。

图5 国道段管道监测点

（3）人口密集区干线：该处管道管径为φ323×6，穿越乡村水泥道路，沿道路铺设约1 km，埋深不足1 m。该段道路过往的车辆、人员较多。因管道沿山峰、山谷沿平敷设，易受风雨侵蚀，现场踏勘时发现部分管道下面已经悬空、失去支撑，管道距离地下最低处达3 m深。在此处安装了4个应力监测点，加上有大型货车出入又增设了2个振动监测点。

4 应用效果

利用APN企业无线网建立现场RTU与数据采集服务的通讯通道，实现了数据信息实时采集与发布。通过监控终端对管道应力、振动数据进行实时监控，采取自动生产运行报表进行日常管理、分析，加强了管道的全方位管控能力。

5 结论与建议

通过管道应力、振动在线感知系统，实时分析运行数据，对管道的安全状态实现了定量评价，提升了运行期管道风险识别、评价和控制水平，实现了对地质不稳定区域管道的安全预报预警，可以超前开展针对性维修维护和风险预控。结合管道联动连锁控制，整体增强了管道应急处置能力，有效提高了管道安全运行管理水平，保障了管道安全管控能力，为油田输油管道提前感知危险、预防环境污染事件发生，提供了解决方案。