输油管线腐蚀泄漏在线监测系统研发及应用

2019-06-05高宝元高诗惠郭靖

石油化工自动化 2019年2期

高宝元，高诗惠，郭靖

（1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司工程技术研究院，西安710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018；3.长庆油田分公司油气工艺研究院，西安710018）

输油管线是油田生产的生命线，长庆油田输油管线翻越多、落差大，随着管龄的增长，管线由于腐蚀穿孔造成的泄漏事故时有发生，将会导致原油泄漏、环境污染等一系列不良后果，巡线、停产、抢险、补漏，需动用大量人力物力，花费大量时间，其经济损失非常大。输油管线腐蚀泄漏在线监测系统采用次声波法检漏技术能实时监测输油管线［1］，迅速准确地判断出泄漏位置，能使突发事件得到及时处理，将损失降到最低限度，从而确保了国家财产和环境免受损失及油田生产的正常运行。

1 输油管线泄漏检测技术

目前，国内外常见的输油管线腐蚀在线检漏方法主要有直接检漏法和间接检漏法两类［2-4］。直接检漏法有检漏电缆法，光纤检漏法等，该方法可以检测到微小的渗漏，并能定位，但要求在管道建设时与管线同时安装［5］。间接检漏法通过检测输油管线运行参数的变化推断出泄漏的发生，如次声波法、负压波法、应力波法、压力梯度法、实时模型法、统计检漏法、质量体积法等。间接检漏法的灵敏度没有直接检漏法高，适合检测泄漏较大的场合，一般1%左右，优点是可在输油管线建设后不影响生产的情况下安装，并可不断升级［6］。由于次声波法传感器要求简单，安装工作量小，价格便宜，而且检测速度快，定位精度高，灵敏度也高，因此次声波传播至极远处而能量衰减很小。除此之外，由于该方法的方向性可以允许使用压力较小的阀门，可大幅减少误报警率，该方法在输油管线腐蚀泄漏检测中应用较多［7］。

2 腐蚀泄漏在线检测系统工作原理

次声波法检漏技术是基于声学原理，在管线两端安装音波传感器，利用管线瞬态模型，实时接收并监测管线内产生的动态音波信号。管线完整且没有破损时，管线内也存在泵等引起的音波信号，该信号有其自身的时差、频率音纹特征。当管线破裂而产生泄漏时，管线内介质在管道压力的作用下，迅速涌向泄漏处，从泄漏点喷射而出，喷射出的原油与破损的管壁高速摩擦，在泄漏处产生振动。在管线中，次声波从破裂的泄漏点沿着管线流体以次声波向两侧扩张，安装在管线两端的音波传感器接收到次声波后，通过音波信号处理，消除管线的背景噪声和已知干扰信号，然后利用人工智能技术和相关算法，分析两端音波传感器接收的有效信号，根据次声波信号到达管线两端的时间差，确定发生泄漏的位置。该系统还具备收集管线压力、流量、温度等值的功能，作为泄漏监测的辅助评估参数，采取该方式对于腐蚀穿孔等缓慢泄漏和突发性泄漏的发现和判断，具有很好的效果，可防止管线上的偶然低频音源造成的误报，适合监视因人为引起的泄漏［8］。

泄漏位置S的确定如式（1）所示：

式中：L——音波传感器P1到音波传感器P2的距离；t1——表示泄漏点到音波传感器P1的次声波传播时间；t2——泄漏点到音波传感器P2的次声波传播时间；v——次声波传播速度。

在获得次声波传播速度v和泄漏次声波传播到上下游音波传感器的精确时间Δt的前提下，如果进一步获得流体的流速u，则可进一步提高定位精度，定位公式如式（2）所示［9］：

式中：K——液体的体积弹性系数；ρ——液体的密度，kg/m3；E——管材的弹性系数；D——管道直径，m；d——管壁厚度，m。

次声波腐蚀泄漏定位原理如图1所示，图中L1表示泄漏点到P1的距离。

图1 次声波腐蚀泄漏定位原理示意

3 系统构成

输油管线腐蚀泄漏在线监测系统是将管理中心平台、次声波管线腐蚀泄漏监测定位技术和SCADA监控技术结合在一起的高精度控制系统，主要由站控计算机、数据通信系统、终端主控计算机三部分组成［10］。输油管线腐蚀泄漏在线监测系统结构如图2所示。

图2 输油管线腐蚀泄漏在线监测系统结构示意

3.1 站控计算机

在首（输出）、末（接收）站安装有站控计算机，分别对首站出口、末站进口的次声波、压力、流量、温度的信号进行高速采集、预处理和分析，信号经过处理后压缩、打包，再由通信系统发送给终端主控计算机进行分析、处理。腐蚀泄漏会引起工艺参数的变化，管线的运行参数主要有次声波、压力、瞬时流量、温度等。当泄漏发生后，管线的工作特性会发生变化，次声波从破裂的泄漏点，沿着管线流体以次声波向两侧扩张，被安装在管线两端音波传感器接收，确定是否发生泄漏，最后根据次声波信号到达管道两端的时间差，计算出发生泄漏的位置。管线压力、流量、温度值作为泄漏监测的辅助评估参数，两端的进出站压力都会下降；而对于流量来说，上游出站流量增大，而下游收油流量减少，从而形成输油输差现象。流量压力变化与泄漏点位置的关系是：泄漏点靠近哪一端，参数变化就越大，这些参数变化都被站控计算机接收、处理，如果上游输油泵的工作参数（如转速、电流）没有发生变化，而出站压力下降，则说明发生了泄漏，采用该方法对于腐蚀穿孔等缓慢泄漏的发现和判断，具有很好的效果。站控计算机要求处理能力强、稳定性好、实时性强、漂移小、可高速不间断运行，必要时可将多组数据打包处理，但要保证首、末站数据的同步性［11］。

3.2 数据通信系统

数据通信系统采用油田专用光纤通信方式，在首、末站安装通信设备，使两站可以交换数据。单条管线可采取末站将数据采集系统预处理后的数据通过通信设备传送到首站终端进行分析、处理系统，通信系统应保证较小延时，通常应小于10 ms。

3.3 终端主控计算机

终端SCADA控制系统主要包括数据采集、监视控制、信息显示、信息存储及报告、数据计算、事故追忆、事件顺序记录和报警处理等功能。主控计算机对接收到的首、末站数据信息进行分析、计算、处理，确定泄漏时间、位置和泄漏量，并在10 s内发出声、光报警提示。SCADA控制系统应界面友好、实时显示所监测管段的次声波、压力、流量、温度的曲线和数据［12］。

4 主要技术指标

输油管线腐蚀泄漏在线监测系统在有效距离内的漏报率不大于1%，灵敏度为0.2%，误报率不大于1%。自动定位时误差不大于50 m，报警响应时间在0～1 min，报警准确率不小于90%，可检测腐蚀泄漏孔不小于10 mm。

5 现场效果

2017年10月，该系统在长庆油田第三采油厂进行了现场应用，并将该系统部署于桐寨作业区至盘古梁靖三联输送原油段，管线全长66 km，管线设计压力为10.0 MPa，实际运行压力为4.0～6.0 MPa，管线管径为φ610 mm×12.5 mm，采用直缝焊钢管，钢管材质L415，管道输送介质为原油，两端音频传感器之间的距离约为60 km。站控计算机安装在桐寨作业区首站和靖三联值班室，终端主控计算机安装在桐寨作业区调度室。自投入试运行以来，发现腐蚀穿孔等缓慢泄漏2次，系统报警的平均定位误差为21.6 m，最大误差为45 m，均在50 m范围以内。从系统的安装和运行的情况来看，系统各项指标均达到要求，从而可有效防范控制安全事故的发生，最大限度地减少了经济损失，保障了输油管线安全平稳运行［13］。