原油长输管道泄漏定位关键技术研究

申成华

摘      要：针对原油长输管道的泄漏定位问题，结合目前常见的负压波泄漏检测技术，对该技术的原理及影响因素进行分析，对负压波泄漏定位技术应用过程中上下游压力信号的同步、信号去燥处理及时间差确定两项关键技术进行深入研究，最终通过误差对比的方式确定该技术的优越性。研究表明：在上下游压力信号同步方面可以采用固定延时补偿技术、在信号去燥处理及时间差确定方面可以采用小波消噪处理技术;当小波消噪的阶数为4时，泄漏定位误差最小，最小误差为0.08 m，最大误差为0.37 m，平均绝对误差为0.295 m，此时泄漏检测信号的最小信噪比为50.362 9，最大信噪比为80.430 8，信噪比得到了有效提高。

关  键  词：原油长输管道;泄漏定位;影响因素;压力信号;去燥处理

中图分类号：TE 832       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）10-2346-04

Abstract： Aiming at the problem of leak location in long distance crude oil pipeline， the principle and influencing factors of common negative pressure wave leak detection technology were analyzed， and two key  techniques including the synchronization of upstream and downstream pressure signals， signal denoising processing and time difference determination， were deeply studied in the application process of negative pressure wave leak location technology. Finally， the way of error comparison was adopted to determine the superiority of this technology. The results showed that the fixed delay compensation technology can be used in the synchronization of upstream and downstream pressure signals， and the wavelet de-noising technology can be used in signal de-noising and time difference determination. When the order of the wavelet de-noising was 4， the leakage location error was the smallest， the minimum error was 0.08 m， the maximum error was 0.37 m， and the average absolute error was 0.295 m. The minimum signal-to-noise ratio was 50.362 9， the maximum signal-to-noise ratio was 80.430 8， and the signal-to-noise ratio was effectively improved.

Key words： Long distance crude oil pipeline; Leakage location; Influencing factors; Pressure signal; De-noising treatment

對于我国的原油长输管道而言，由于长时间的运行，不可避免的会出现各种泄漏问题。当出现原油泄漏且无法及时发现，则会引发环境污染问题，当外界存在火源时，还可能引发火灾爆炸事故，从而给社会和人民带来极大的经济损失，因此，及时发现原油长输管道的泄漏点十分重要[1]。目前，经过多年的研究，我国已经成功运用多种泄漏检测技术，例如次声波泄漏检测、负压波泄漏检测、光纤泄漏检测等，在这些泄漏检测技术中，负压波泄漏检测应用最为成功，也最为广泛。但是，在负压波泄漏检测使用过程中，不可避免的会出现检测误差较大以及信噪比较小等问题。因此，十分有必要对负压波泄漏检测的关键技术进行研究，进而降低其检测误差和信噪比。

1  负压波法泄漏定位原理及影响因素

如果原油长输管道出现了泄漏问题，则泄漏位置处将会产生一定的物质损失，从而使泄漏位置处原油的密度降低，此处管道的压力也将下降。在另一方面，由于原油的流动具有连续性，原油流动过程中的速度也不会出现突变，在泄漏位置处，由于管道压差的存在，使得原油从高压位置流向泄漏点处的低压位置，使得泄漏位置两侧的原油密度和压力也随之降低，这种从泄漏点开始进行压力扩散传播的现象称之为负压波[2]。负压波在原油管道内的传播和声波在介质中的传播机理相同，其传播速度可以达到1 000～1 200 m/s，由于传播速度较快，所以进行泄漏检测的过程中，检测速度也相对较快，这正是负压波泄漏检测技术的优点所在。通过在管道上下游位置安装负压波检测传感器，并计算负压波到达上下游传感器位置处的时间，即可确定原油管道的泄漏位置。负压波泄漏检测技术原理如下图1所示。

根据图1即可得到该种泄漏检测技术的数学原理模型：

一般情况下，如果输油管道采用的常温输送模式，则负压波的速度 将是一个定值，同时，原油在管道中的输送速度对负压波速度的影响较小，可以忽略，假设管道上下游负压波传感器获取到负压波的时间差为 ，则公式（1）和公式（2）可以简化为：

该公式即为负压波泄漏检测的原理公式。通过对负压波泄漏检测技术进行分析后发现，主要有两项因素可以影响其定位误差，分别是和，由于不同管道采用的负压波传感器不同，所以将会产生一定的误差，一般情况下，如果传感器的采样频率为10 Hz，此时的误差为100 ms[3]。根据公式（3），此时将会产生50 m左右的泄漏定位误差，该误差与输油管道的长度无关。其次，受到客观因素的干扰，负压波信号的信噪比较小，此时也会使得产生一定的误差。在另一方面，负压波的速度将会随着原油输送温度的变化而产生变化，如果的数值不能准确确定，进行泄漏定位的过程中也会产生一定的误差，例如，如果管道上下游的温差为30 ℃，此时负压波在上下游的传播速度最大可以产生50 m/s的差距，此时将当作是定值并进行泄漏定位计算，则计算结果就会产生80 m左右的误差[4]。

2  上下游压力信号的同步

为了降低负压波泄漏检测过程中的误差问题，首先必须保证管道上下游采用的传感器相同，即达到上下游的信号可以同步的目的。其次，在提取信号特征的过程中，要准确获取信号的拐点信息，从而使得的误差进一步降低。一般情况下，由于原油管道的长度相对较长，上下游传感器具有较长的间距，所以负压波传播信号的采集会产生滞后问题，信号处理的难度随之增加[5]。目前，为了提高信号同步信号，大多数管道都采用了GPS定位来统一上下游传感器的时钟，这种方法虽然较为简单，但是十分有效，此时的误差可以降低到ms级别。

为了进一步降低的误差，建议使用主站控制子站的通讯模式，在采用该种模式的过程中，由于不同管道采用的通讯方式不同，所以推荐使用固定延时补偿的方法对 进行一定的补偿，从而进一步达到上下游信号同步的目的。采用该种技术以后，可以使得精度得到最大程度的保障，同时泄漏检测的成本没有太大的增加。该种数据通讯方式示意图如下图2所示。

3  信号去燥处理及时间差确定

一般情况下，原油管道的输送压力为5 MPa左右，如果管道上出现相对较大的孔洞，此时产生的负压波幅值仅为0.01 MPa，小泄漏问题的压力幅值更小，因此，在进行泄漏检测的过程中，信号非常容易被客观因素所干扰，如何降低噪声的干扰或者从噪声信号中提取有效的信息十分重要，这也是目前泄漏检测研究的重点。由于信号中含有大量的尖峰特征，因此，使用传统的信号处理方式将不会起到很好的效果，信号中的尖峰特征也将会对整条管道的信号产生影响[6，7]。但是，小波分析可以完美地解决信号尖峰的问题，从而将信号中的有效部分和噪声部分分离开来，因此，本次研究提出了小波分析信号去燥的方式进行信号处理。

在进行负压波泄漏检测的过程中，当上下游的传感器接收到信号的时候，整条管道的检测信号最容易出现尖峰问题，信号中尖峰出现的拐点位置与上下游传感器接受信号的时间是判断泄漏信号的关键所在。在使用小波分析的过程中，首先需要确定信号中的拐点位置，根据位置的信号得到准确的时间差。在对信号进行多尺度检测的过程中，需要使用平滑函数对信号进行前期处理，计算信号的多阶导数，从而确定信号尖峰的位置。其中，平滑函数可以使用高斯函数，该种平滑函数的使用效果相对较好，高斯函数的多阶导数也可以作为小波分析中的母小波使用，其表达式如下所示：

对于任意函数而言，可以使用如下公式表示：

如果高斯函数的一阶導数 作为小波分析的母小波，则在尺度、位移位置的小波分析可以用以下公式表示：

同理，如果高斯函数的二阶导数 作为小波分析的母小波，则在尺度、位移位置的小波分析可以用以下公式表示：

假设采用高斯函数的一阶导师作为进行小波分析时的母小波，则信号在小波分析过程中一阶导数极值位置处就是信号的尖峰位置。在另一方面，如果所使用的平滑函数的尺度相对较小，则信号处理后的平滑区间也就相对较小，信号尖峰位置的判断就越准确。但是，如果所使用的平滑函数的尺度相对较小，则信号就容易受到噪音的干扰，从而使得信号中出现较多的伪极值点，此时会使得泄漏检测的定位误差增加。因此，在使用小波分析方法对负压波泄漏检测信号进行处理的过程中，小波变化阶数的选择是一项关键问题，需要通过实验法进行选择。

4  测量误差分析

使用上文所阐述的负压波泄漏检测关键技术设计方法，对我国某原油长输管道进行了实验。此管道的总长度为72 km，管道的壁厚为7 mm，管道的外径为377 mm。该条管道内原油的密度为870 kg/m3，原油体积系数为0.998，管道钢管的弹性模量为2.069×1011 Pa，钢管的泊松系数为0.3。如下表1所示为不同小波分析阶数前提下的泄漏检测定位结果。

从表1中可以看出，相对而言，当小波分析的阶数相对较低时，泄漏检测的定位误差就相对较小，但是，如果小波分析的阶数过低，则会使得负压波信号受到严重干扰，从而造成定位误差增加。在使用负压波泄漏检测的过程中，一般需要将小波分析的阶数设置为定值，根据上表的检测结果可以看出，该定值最好设置为4。但是，设置为定值的方法也具有一定的缺陷，因为每段管道泄漏检测信号所受噪音的干扰不同，因此，如何确定小波分析的阶数需要根据每段管道的运行特点确定。如下表2所示为进行负压波泄漏检测过程中的信噪比信息。

由表2可以发现，采用本次研究所介绍的关键技术以后，信噪比相对较高，同时，通过将表1和表2中的数据进行对比可以发现，当信号的信噪比相对较高时，则进行小波分析时的阶数应选择低一点，这样可以降低噪音对负压波有效信号的干扰，在另一方面，也可以提高进行泄漏检测定位时的精度。当信号的信噪比相对较低时，则进行小波分析时的阶数应选择高一点，此时可以降低小波分析中伪极值点对泄漏检测定位的影响。

5  結 论

综上所述，在使用负压波泄漏检测定位的过程中，上下游压力信号的同步、信号去燥处理及时间差确定是两项较为重要的关键问题，如果这两项问题得不到有效的解决，将会使得泄漏检测定位的误差不断增加。在本次研究中，提出了固定延时补偿技术的信号同步方法以及小波分析的信号去燥处理及时间差确定方法，通过实验结果可以发现，这两项技术使用以后，如果将小波分析的阶数设置为4，则泄漏检测定位的误差相对较小，最大误差仅为0.37 m，同时，信噪比得到了有效的提高，最小的信噪比可以达到50.362 9。

参考文献：

[1] 王立宁，李健，靳世久.热输原油管道瞬态压力波法泄漏点定位研究[J].石油学报，2000， 21（4）：93-96.

[2] 张丽燕，林伟国，郑志受，等.基于阴极保护电位的原油长输管道安全预警技术研究[J].计量学报，2009， 30（3）：230-233..

[3]张东领，王树青，张敏.热输油管道泄漏定位技术研究[J].石油学报，2007，28（1）：131-133.

[4]肖燕群，程家铭，贾明坤.原油管道泄漏检测系统研究[J].油气储运，2004， 23（1）：58-60.

[5] 韩建，牟海维，王永涛，等.相关分析法在输油管道泄漏检测和定位中的应用研究[J].核电子学与探测技术， 2007， 27（1）：154-156.

[6]靳世久，唐秀家.原油管道泄漏检测与定位[J].仪器仪表学报，1997（4）：343-348.

[7] 宫克，冷俊，潘一，曹成龙，王彦博，康超男，段元蒙.输气管道泄露检测技术进展[J].当代化工，2014，43（12）：2663-2665.