成品油管道泄漏监测技术应用现状与发展趋势.pdf

2023 年 25 期技术 窑 应用科技创新与应用Technology Innovation and Application成品油管道泄漏监测技术应用现状与发展趋势陈萌（广州民航职业技术学院，广州 510403）管道运输是石油天然气最主要的运输方式，是能源供给的大动脉，我国经过几十年的发展，已逐步建成了以管道输送为主的成品油运输方式。2020 年，国家管网集团完成资产划转并正式运营，全面接管原属于“三桶油”的管道基础设施资产、管输业务及人员，其中2.66 万 km 的成品油管道转变为整体独立开放运营，管道运行模式也由企业内部计划管理为主，逐渐转化为市场多元竞合1。截至 2021 年底，我国成品油管道总里程约 3.2 万 km2，根据国家发改委、国家能源局在2017 年印发的中长期油气管网规划，预计到 2025年，全国成品油管网规模达到 4 万 km，覆盖面进一步扩大，结构更加优化，储运能力显著提升。由于成品油管道具有点多线长、管输压力大、输送介质易燃易爆、途径地域复杂等特点，一旦发生泄漏，将不可避免地造成环境污染或财产损失，甚至引发人员伤亡事故。导致管道泄漏的原因主要有腐蚀、管体或焊缝材料失效、第三方破坏、自然灾害等，随着新建成品油管道里程的不断增加和在役管道的逐渐老化，管道发生泄漏的可能性越来越高，风险点也越来越多。因此，采用高效可靠的泄漏监测技术对管道本体进行实时防护，能及时发现并预警威胁管道的不安全事件，第一时间反馈泄漏点位置及泄漏程度，最大限度地减少因泄漏事故导致的危害和损失，持续保障管道的安全运行。本文通过分析总结现阶段广泛使用的和部分具有广阔发展前景的技术手段，为成品油管道泄漏监测技术的进一步发展提供一些个人建议。1泄漏监测技术现状成品油管道泄漏监测的实质是对因泄漏引发的各类信号进行探测，通过判断信号的波动趋势及发生位置来推断管道的泄漏情况，这些信号主要有负压波、音波、泄漏噪声、流量、压力、温度和振动等，根据监测对象及信号处理方法的不同，现阶段衍生出的方法主要有负压波法、音波法、分布式光纤传感检漏法、流量/质量平衡法、瞬态模型法、内检测法、压力梯度法和示踪剂检测法等。1.1负压波法当管道发生泄漏时，泄漏点处会由于介质的损耗导致压力突然下降，该压力变化将由泄漏处以特定的作者简介：陈萌（1991-），男，硕士，中级注册安全工程师，助教。研究方向为安全技术与管理、航空油料储运等。摘要：泄漏监测是成品油管道运行管理中的重要环节，对于保障管道安全运行和人民群众的生命财产安全意义重大。通过对目前常用的几种泄漏监测技术原理的概述和分析，总结不同方法的优缺点，展望未来成品油管道泄漏监测技术沿软硬件深度结合、数字化转型、异常工况识别能力提升和信息系统集成化的发展趋势。关键词：成品油管道；泄漏监测；监测技术；数字化转型；发展趋势中图分类号院TE973文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤25-0182-04Abstract:Leakage monitoring is an important link in the operation and management of refined oil pipeline,which is of greatsignificance to ensure the safe operation of pipelines and the safety of peoples lives and property.By summarizing and analyzingthe principles of several commonlyused leakage monitoring techniques,the advantages and disadvantages of different methods aresummarized,and the future development trend of refinedoil pipeline leak monitoring technology along the depth combination ofsoftware and hardware,digital transformation,improvement of abnormal condition identification ability and information systemintegration is forecasted.Keywords:refined oil pipeline;leakage monitoring;monitoring technology;digital transformation;development trendDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.25.045182-技术 窑 应用科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期速度（约 1 000 m/s）向管道上、下游传播，形成负压波。借助管道两端的压力传感器采集该负压波，根据负压波的传播速度和到达压力传感器的时间差，进而计算出泄漏点位置。该方法目前在我国长输管道上应用最广3，其优点是在液体介质中传播距离较远，能够实现在线监测，可靠性和灵敏性均较好，工程造价低，适合监测管道运行过程中突发的大量泄漏及打孔盗油事件。缺点是对于因管道本体裂纹、腐蚀等产生的微小泄漏不敏感，也容易受到因工况的变化（如启停泵操作、压力调节、流量调节等）产生误报警。负压波法在得到广泛应用的同时也在不断被改进。例如，秦程等4提出利用 FBG 管径夹传感器阵列及 L_MAG 电磁流量计采集管道内信号，通过监测管道径向应变来识别负压波，经滤波处理、线性拟合计算后，对泄漏点进行定位，并采用 Matlab 和 LabVIEW 联合编程的方式，开发了实时的管道泄漏监测与定位系统；曹杰锋等5采用局部均值分解法和长短时窗比法对压力信号进行分解、降噪重构后，确定了接受到的负压波信号时差，有效识别出1%2%泄漏量的快速泄漏和缓慢泄漏，缩小了泄漏点的查找范围。1.2音波法管道发生破裂时，管内介质向外喷出，与泄漏处的管壁发生摩擦，连续产生特定频率的振荡音波信号向管道上、下游传播，利用安装在管道两端的传感器检测信号接收的时间差，计算出泄漏位置。音波信号的频率分布范围很宽，既有低频信号（次声波），也有高频信号（超声波）。低频部分波长长，在介质表面不容易衰减，传播距离较远；高频部分在纵向面上衰减很快，信号提取困难。因此在实际运用中，主要采取次声波监测的方法，当前的研究重点集中在噪声去除和时间差计算方面，例如，刘小多6提出利用小波消噪方法对次声波信号进行处理，通过改进后的互相关分析法对信号时间差进行计算，提高了时延估计精度和计算效率。音波法对信号采集设备要求苛刻，常受安装位置、检测精度、采样频率等影响，其对缓慢、微小泄漏的检测能力优于负压波法，且不受管道输送介质种类的影响7。1.3分布式光纤传感检漏法利用与管道同沟敷设的通信光纤作为传感器，持续向光纤中发射具有一定功率的光脉冲信号，当管道发生泄漏时，产生的振动、应力、温度或压力变化，将使得光纤发生弯曲或抖动，进而改变光纤内信号的传播特性，通过对光纤上各点的变化特征、障碍点位置进行分析，即可确定泄漏的位置。根据技术原理的不同，分布式光纤传感检漏又可分为散射式、干涉式 2 种。散射式主要利用光在传输时产生的背向散射光的波长和分布信息实现实时监测，包括瑞利散射、布里渊散射及拉曼散射；干涉式是利用泄漏产生的振动、压力、温度及声音的变化导致光干涉发生变化，通过对干涉信号的处理进行泄漏的判断和定位，常用的有 Sagnac 光纤干涉法、Michelson 光纤干涉法、Mach-Zehnder 光纤干涉法8。分布式光纤传感检漏法具有抗电磁干扰能力强、灵敏度和精确度高、能够在管道被外力破坏前发出预警等优点，具有突出的大规模应用前景，但其需要在管道主体工程施工建设时与之并行敷设，因此目前主要在已有同沟光纤的管道上使用。1.4流量/质量平衡法管道正常运行时，上、下游输油站的流量差保持在某一固定范围，一旦发生泄漏，上游流量增大，下游流量减少，当流量差值超过预先设定的阈值时，即判断管道发生了泄漏。在生产实际中，常采用在输油站安装高精度的质量流量计进行辅助判别。流量/质量平衡法对小泄漏的识别灵敏度差，也容易受到管道流体状态变化、介质密度、支线数量的影响，造成误检或漏检。目前主要采用计算模型更加复杂的动态流量/质量平衡法和补偿体积平衡泄漏监测等，实现更加准确、及时的判断。1.5瞬态模型法以流体的动量平衡方程、能量平衡方程为基础，建立管输介质的流体力学和水力学模型，模拟管道的工作状态，模型中通常包括流体参数（流量、温度、压力）、管道参数（长度、公称直径、壁厚）、介质参数（密度、黏度），当管道的相关参数实测数值和模型中的计算值相差超过设定值时，即判定管道发生了泄漏。瞬态模型法应用的关键在于建立精准的管道模型和采集大量的实测数值，对数据的计算和处理要求很高，运算量偏大。实际应用时，由于管道内介质运行工况动态变化且易受多因素综合影响，使用该方法对管道泄漏进行监测和定位难度较大，误差较高。目前使用较多的瞬态模型法主要是瞬变流泄漏检测，例如，XU 等9在 ANDREW对该方法综述的基础上，引入一维非稳态摩擦模型进183-2023 年 25 期技术 窑 应用科技创新与应用Technology Innovation and Application行管道泄漏识别。1.6内检测法基于超声波、磁通、涡流和影像等技术开发的能在管道内运动的检测设备，一般包括动力节、测量节、计算机节和电池节 4 部分，具备信息采集、数据处理、存储和定位的功能，从而实现对管道缺陷识别、定位和量化的目的。内检测器目前广泛应用于各输油气管道，经过数代技术改造，目前主要形成了 4 类特定功能的管道内检测装置：金属损失检测、裂纹检测、几何缺陷检测和测绘检测。例如，超声波液体耦合检测器、三维高清晰度漏磁检测器等。该方法检测准确，精度较高，但不适宜于在线监测，且需要评价管道系统本身对检测作用的适用性，如管道的结构特征（内径变化、弯头、三通等）、介质类型、流量和流速等因素，以避免出现卡堵、检测结果偏差或设备损坏等问题。1.7压力梯度法管道正常输油时，沿程压力分布是一条倾斜的直线。当发生泄漏时，泄漏点前流量增大，压降变大，压力坡降线变陡；泄漏点后流量减少，压降变小，压力坡降线变缓，通过判断压力梯度发生转折的点即可确定泄漏位置。该方法原理简单，但是监测的准确度依赖于管道沿线压力传感器的精度和数量，且由于管道内压力易受工况、介质特性、设备操作等多因素影响，需对监测方法做进一步的改进。1.8示踪剂检测法在管输介质中加入示踪剂，当管道发生泄漏时，示踪剂随介质一并流出并与外界环境相接触，利用示踪剂检测设备对管道周围环境进行检测分析就能确定泄漏点的具体位置。该方法由于无法实现在线监测，且检测过程耗时较长，在成品油管道上已较少使用。2总结成品油管道泄漏监测技术发展至今已形成了一系列成熟的理论及应用方法。根据技术原理、监测方法及装置所处位置的不同，上述监测技术大体可按以下 3种形式分类：直接/间接监测法、硬件/软件监测法、内部/外部监测法，其中较为常用的是基于硬件或软件的监测方法，如图 1 所示。图 1成品油管道泄漏监测方法分类基于硬件的监测方法多为利用传感器或接收器采集泄漏特征量来判断泄漏点位置信息，该方法一般成本较高，较难同时满足高精度、高灵敏度、低误报率和实时监测等多项指标要求。基于信号处理的方法目前应用最为广泛，借助傅里叶变换、小波变换、经验模态分解等数学分析处理方法，为管道泄漏监测的判断创造了多种解决途径。影响该方法准确度的关键在于对泄漏信号中噪声的处理和传感器的检测精度，管道在不同工况下的泄漏信号、噪声信号具有不同的特征，因此融合多学科（如材料学、流体力学、声学等）深入开展对泄