【正文】 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 1 1 緒論 管道泄漏檢測(cè)的背景意義 在當(dāng)今能源缺失的大環(huán)境下，節(jié)約現(xiàn)有能源和開(kāi)發(fā)科再生能源是國(guó)際各種能源組織的重大課題。近年來(lái)，已有很多西方大國(guó)為了能源而不惜大打出手，向很多擁有大能源的小國(guó)發(fā)起能源侵略戰(zhàn)爭(zhēng)，相反的有些東方大國(guó)卻是和和這些用于大量能源的小國(guó)建立能源合作關(guān)系，從而滿足自身的能源需求。在這樣的大環(huán)境下，最節(jié)約能源的方式就是減少能源流失和泄漏。 石油行業(yè)中，使用管道運(yùn)輸流體是一種經(jīng)濟(jì)、方便的運(yùn)輸方式，和其他運(yùn)輸方式相比，它具有高效、安全、經(jīng)濟(jì)、便于控制和管理等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，因此在石油、天然氣及其他流體運(yùn)輸中占重要地位。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前已建成的各類輸送管線長(zhǎng)度已達(dá)到 60000 余千米。但是由于管道設(shè)備老化，地理?xiàng)l件的變化 (如滑坡、地震等 )以及人為原因，管道泄漏事故經(jīng)常發(fā)生 [1]。 管道一旦泄漏，不僅會(huì)帶來(lái)因流體流失而造成的直接經(jīng)濟(jì)損失和對(duì)環(huán)境的污染，嚴(yán)重情況下，還可能發(fā)生爆炸和引起火災(zāi)，甚至造成人員傷亡。例如 1993 年委內(nèi)瑞拉的一條天然氣管道發(fā)生泄漏引起火災(zāi)，燒死 51 人 [2]。管道輸送石油產(chǎn)品的泄漏不僅造成寶貴自然資源的浪費(fèi)、環(huán)境污染和影響油田的正常生產(chǎn)，危害工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活，更重要的是 ，由于石油產(chǎn)品是易燃、易爆物品，甚至可能具有較強(qiáng)的腐蝕性，泄漏的石油產(chǎn)品還將直接威脅輸油管道、設(shè)施的安全運(yùn)行和人民生命財(cái)產(chǎn)，進(jìn)而造成更大的間接損失和惡性事故。所以，及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)管道輸送石油產(chǎn)品的泄漏、泄漏位置和泄漏量具有重大意義。我國(guó)輸油管道自動(dòng)化水平的提高為管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了條件，但目前所采集的數(shù)據(jù)僅服務(wù)于一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用，未能充分發(fā)揮自動(dòng)控制系統(tǒng)的作用，因此，發(fā)展管道泄漏檢測(cè)技術(shù)已成當(dāng)務(wù)之急，對(duì)石油產(chǎn)品管道的調(diào)度、管理和維護(hù)以及充分發(fā)揮自動(dòng)控制系統(tǒng)的作用具有重大和深遠(yuǎn)的影響。 管道 泄漏檢測(cè)和定位技術(shù)的研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外輸油管道管理先進(jìn)的國(guó)家，如美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等，自 20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)，就在許多油氣管道中安裝了泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，效果顯著。我國(guó)在 80 年代以來(lái)，數(shù)家單位相繼開(kāi)展了流體管道泄漏檢測(cè)的研究工作，對(duì)流體的性質(zhì)、流體的流動(dòng)、傳熱及過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和研究。雖然對(duì)管道泄漏檢測(cè)和定位方法的研究已有幾十年的歷史，但由于管道輸送介質(zhì)的多樣性、管道所處環(huán)境的多樣性、泄漏形式的多樣性及檢測(cè)的復(fù)雜性，使得目前沒(méi)有一種簡(jiǎn)單可靠、通用的方法解決管道泄漏檢測(cè)和定位問(wèn)題，特別 是小流量的泄漏檢測(cè)和泄漏點(diǎn)定位問(wèn)題。所以，加強(qiáng)管道泄漏檢測(cè)和定位技術(shù)的研究和應(yīng)用，提高管道輸送管理水平，減少經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，具有重要的現(xiàn)西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 2 實(shí)意義。 泄漏檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 國(guó)外在泄漏檢測(cè)方面起步較早，已經(jīng)形成了較為成熟的理論體系和專用技術(shù)，廣泛使用在石油產(chǎn)品輸送管道的泄漏檢測(cè)中，而我國(guó)在這方面的起步較晚，所做的工作還非常有限。 20 世紀(jì) 80 年代，國(guó)內(nèi)的研究成果是在城市供水、煤氣管道或者在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭設(shè)的等溫、隨機(jī)干擾少、介質(zhì)狀態(tài) (水、煤氣等 )穩(wěn)定的小型管道上實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上得出的，沒(méi)有涉及實(shí)際的原 油、成品油或天然氣的集輸或長(zhǎng)輸管道的情況。在實(shí)際工業(yè)管道的運(yùn)行中存在大量復(fù)雜的問(wèn)題，如工況的正常調(diào)節(jié)、輸送介質(zhì)形態(tài)隨溫降的連續(xù)變化等都是實(shí)驗(yàn)室中研究難以完全涵蓋的。雖然目前國(guó)際上已有多種檢測(cè)管道泄漏的方法，有多家公司提供管道泄漏檢測(cè)方面的軟件包，如 ATMOSPIPE、 ATS、 Logica等基于全線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控 (SCADA)系統(tǒng)的管道檢測(cè)軟件包，但這些系統(tǒng)的價(jià)格一般在數(shù)百萬(wàn)美元，由此可見(jiàn)其引進(jìn)費(fèi)用極其昂貴。進(jìn)入 90 年代以來(lái)，我國(guó)的一些科研小組在工業(yè)管道上進(jìn)行了一定的研究工作，尤其針對(duì)于穿越沙漠、海底、沼 澤等特殊環(huán)境下的輸送管道，需要充分利用管道油品輸送的流動(dòng)特性，它是運(yùn)用現(xiàn)代分析方法和控制理論，對(duì)所采集的管道運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合管道流體的流動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)管道泄漏檢測(cè)和定位，人們稱這種方法為現(xiàn)代管道泄漏檢測(cè)和定位技術(shù)。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)必將成為一個(gè)世界管道大國(guó)，對(duì)管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的要求也日益迫切，因而利用自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，研制開(kāi)發(fā)一種適合我國(guó)管道狀況的泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng)，對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高安全生產(chǎn)效率將有重要意義。 此后，人們還嘗試了各種新的方法和手段，以提高泄漏檢測(cè)的靈敏度和更加準(zhǔn)確地判斷泄漏點(diǎn)位置 ，逐步建立起了現(xiàn)代管道泄漏檢測(cè)定位的理論體系，填補(bǔ)可這方面的空白。通過(guò)研制和開(kāi)發(fā)新型高效的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)提高泄漏檢測(cè)與定位的靈敏度、精確度和可靠性，管道泄漏檢測(cè)技術(shù)有如下的發(fā)展趨勢(shì)： (1)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)和 SCADA 系統(tǒng)的結(jié)合 。 SCADA 系統(tǒng)不僅能為泄漏檢測(cè)提供數(shù)據(jù)來(lái)源，而且能對(duì)管道的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，是管道自動(dòng)化的發(fā)展方向。由于單一的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)并不經(jīng)濟(jì)，因此將它集成到 SCADA 系統(tǒng)中，充分利用 SCADA 系統(tǒng)的功能，成為 SCADA 系統(tǒng)不可或缺的一部分。 (2)多泄漏點(diǎn)、管網(wǎng)泄漏檢測(cè)與定位的研究。目前的管 道泄漏檢測(cè)和定位技術(shù)的研究多是事對(duì)單根官道上的單點(diǎn)泄漏進(jìn)行的，而對(duì)于單點(diǎn)多泄漏、多管耦合的泄漏研究還少見(jiàn)。該方面的研究對(duì)解決管道實(shí)際運(yùn)行狀況具有更直接的現(xiàn)實(shí)意義。 (3)基于負(fù)壓波的檢測(cè)適合我國(guó)管道的泄漏檢測(cè)。但是實(shí)際管道中的壓力信號(hào)中混雜大量的噪聲，主要來(lái)自于儀器儀表的測(cè)量噪音，輸送過(guò)程中的隨機(jī)噪聲和外界干擾。噪聲和干擾信號(hào)的幅度甚至可以講泄漏引發(fā)的有用信號(hào)淹沒(méi)。如果不能對(duì)原始?jí)毫π盘?hào)進(jìn)行有效的過(guò)濾，該泄漏檢測(cè)方法將嚴(yán)重失效。因此，有效地濾波技術(shù)也是檢測(cè)系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容。 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 3 (4)分布式光纖傳感器應(yīng)用于管 道檢測(cè)。光纖傳感器是今年來(lái)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，它在實(shí)際物理量測(cè)量的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，在解決信號(hào)衰減和抗干擾方面有著獨(dú)特的優(yōu)越性，它有著傳統(tǒng)傳感器所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。此外，隨著各種分布式光纖傳感器的發(fā)展，未來(lái)可以實(shí)現(xiàn)利用一根或多根光纖對(duì)油氣管道內(nèi)介質(zhì)的溫度、壓力、流量、管壁應(yīng)力進(jìn)行分布式在線測(cè)量，這在管道監(jiān)控系統(tǒng)中將極具應(yīng)用潛力。因此，江分布式的光纖傳感器應(yīng)用于管道檢測(cè)有著良好的前景。 (5)應(yīng)用以軟件方法為主、硬件方法為輔的軟硬結(jié)合的方法進(jìn)行油氣管道泄漏檢測(cè)。近年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論、信號(hào)處理、模式 識(shí)別、人工智能等學(xué)科的發(fā)展促進(jìn)了以軟件為主的油氣管道實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)技術(shù)的反戰(zhàn)，這種方法能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，及時(shí)給出報(bào)警信號(hào)，因此這方面的檢測(cè)技術(shù)仍將是研究的熱點(diǎn)和趨勢(shì)，而且作為非線性時(shí)變參數(shù)的管道系統(tǒng)，自適應(yīng)的思想在檢測(cè)和定位算法中也將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。但是基于硬件的而方法有很高的定位精度和較低的誤報(bào)警率，因此基于硬件的方法和基于軟件的方法實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)可以滿足管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的要求。 (6)提高泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng)的自適應(yīng)性、魯棒性，解決檢測(cè)靈敏度與誤報(bào)率之間的矛盾，并對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性、靈敏度、魯棒性等分析 ，是衡量一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)好壞的標(biāo)準(zhǔn)。 (7)音波管道泄漏檢測(cè)技術(shù)是近幾年新發(fā)展的管道泄漏檢測(cè)技術(shù)。它利用泄漏點(diǎn)產(chǎn)生的次聲波沿管道兩壁傳播的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出了配套的軟硬件，較好的解決了目前管道泄漏檢測(cè)領(lǐng)域存在的一些難點(diǎn)，具有反應(yīng)靈敏，定位精度高，可靠性強(qiáng)等特點(diǎn) 泄漏檢測(cè)技術(shù)的分類 [3] 流體輸送管道泄漏檢測(cè)的方法很多，分類也很多，到目前為止沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的分類方法。根據(jù)近十幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，比較公認(rèn)的分類方法大致有：基于硬件和軟件的方法、根據(jù)測(cè)量媒介分類、更具檢測(cè)裝置所處位置分類、根據(jù)檢測(cè)對(duì)象分類 、基于信號(hào)處理方式分類等等。 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理、模式識(shí)別等技術(shù)的迅速發(fā)展，基于 SCADA 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集泄漏檢測(cè)技術(shù)受到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，并逐漸發(fā)展為檢測(cè)技術(shù)的主流和趨勢(shì)。這類方法主要是對(duì)實(shí)時(shí)采集的溫度、流量、壓力信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，以此來(lái)檢測(cè)泄漏并定位。 管道泄漏檢測(cè)研究研究?jī)?nèi)容 本文介紹了基于管道泄漏檢測(cè)對(duì)象分類的的檢測(cè)方法分類及其主要內(nèi)容，并著重介紹了基于負(fù)壓波的管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的原理和負(fù)壓波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法。最后，以負(fù)壓波檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，闡 述了泄漏檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，并重點(diǎn)講述了負(fù)壓波法在特定管道的泄漏檢測(cè)應(yīng)用。 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 4 2 流體輸送管道的泄漏與泄漏檢測(cè) 概述 管道運(yùn)輸是繼鐵路、公路、航空、水運(yùn)的第五大運(yùn)輸手段。在石油、天然氣等流體運(yùn)輸中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但是，隨著輸油、輸氣管線的增多，管齡的增長(zhǎng)，由于施工缺陷、腐蝕和人為破壞的存在，管道事故頻頻發(fā)生，給人們的生命財(cái)產(chǎn)和生存環(huán)境造成了巨大的威脅。所以在當(dāng)前的關(guān)鍵就是要我們了解泄漏、預(yù)防泄漏和在面臨管道泄漏時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取適當(dāng)?shù)拇胧? 泄漏 泄漏產(chǎn)生的原因及危害 管道運(yùn)輸是五大 運(yùn)輸方式之一 (鐵路、公路、水運(yùn)、空運(yùn)、管道 )，是石油和天然氣產(chǎn)品的主要運(yùn)輸方式，是國(guó)家的能源動(dòng)脈，因此，安全是油氣管道的生命。 泄漏是影響油氣管道安全的主要因素。管道的腐蝕穿孔、突發(fā)性的自然災(zāi)害 (如地震、滑坡、河流沖刷 )以及人為破壞等都會(huì)造成管道泄漏乃至破裂，威脅到長(zhǎng)輸管道的安全運(yùn)行。 按損失程度的不同，泄漏可分為小漏 (低于正常流量的 3％ )、中漏 (在正常流量的3％～ 10％以內(nèi) )、和大漏 (超過(guò)正常流量的 10％ )三種。 產(chǎn)生泄漏的原因可能千差萬(wàn)別。例如，小漏 (或稱為 “砂眼 ”)通常發(fā)生于管道金屬被周圍介質(zhì)腐蝕破壞 時(shí)。埋地管線由于受土壤中電化學(xué)過(guò)程的作用，金屬逐漸受到破壞，導(dǎo)致管壁上出現(xiàn)銹點(diǎn)和蜂窩，逐漸擴(kuò)展到管道的全部壁厚。在土壤腐蝕的情況下，管壁穿孔速度可達(dá) 6～ 7mm/年。發(fā)生泄漏的原因還可能是在管道施工過(guò)程中管道金屬受到損傷，而在試壓時(shí)又未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，這些呈小裂紋狀的損傷在管線內(nèi)外壓力的作用下逐漸發(fā)展，從而導(dǎo)致出現(xiàn)砂眼或破裂。管線的工作壓力過(guò)高，產(chǎn)生水擊壓力波，也可能使管線超壓造成金屬損傷和破裂 。 我國(guó)有大部分油氣管道的運(yùn)行時(shí)間已超過(guò)二十年，管道強(qiáng)度和涂層完整性都已進(jìn)入危險(xiǎn)期，整個(gè)油田管網(wǎng)已進(jìn)入事故高發(fā)期，據(jù)統(tǒng)計(jì) ，我國(guó)油田管道穿孔率為 次 /(km?a)左右。近年來(lái)，由于原油價(jià)格上漲，國(guó)內(nèi)不法分子受利益驅(qū)動(dòng)瘋狂地在輸油管道上打孔盜油，嚴(yán)重干擾了正常的輸油生產(chǎn)，給油田造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。例如，勝利油田油氣集輸公司僅在 1999 年 10 月一個(gè)月內(nèi)就發(fā)生盜油破壞泄漏點(diǎn) 13 處，損失原油數(shù)千噸，直接經(jīng)濟(jì)損失 200 多萬(wàn)元。雖然采取了加大巡查力度，重獎(jiǎng)舉報(bào)考或發(fā)現(xiàn)泄漏及時(shí)封堵等措施，但收效甚微。長(zhǎng)距離輸油管道盜油事件也時(shí)有發(fā)生，且呈蔓延之勢(shì)。例如中洛輸油管道嚴(yán)重時(shí)每年發(fā)生盜油泄漏事故達(dá) 300 余起之多，給管道造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失 ，同時(shí)造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。 泄漏產(chǎn)生的原因可歸納如下： 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 5 (1)管道材質(zhì)不良，由于材質(zhì)開(kāi)裂，存在砂眼； (2)管道涂層損壞、脫落，造成管道腐蝕穿孔 ； (3)管道接頭、閥門安裝不良造成泄漏； (4)由于地下管道擁擠，在施工其他地下工程時(shí)而影響所致 ； (5)由于高層建筑工程的重壓，使地基下沉，致使管道開(kāi)裂 ； (6)由于地質(zhì)構(gòu)造原因使地基下沉，造成管道開(kāi)裂 (如地震、地下水位下降等 )； (7)穿越公路的管道由于重載車輛的通行而造成管道開(kāi)裂； (8)人為盜油，造成管道穿孔。 長(zhǎng)輸管道發(fā)生泄漏事故極其危險(xiǎn)，因?yàn)槌藫p失 油氣產(chǎn)品之外，還會(huì)釀成爆炸或火災(zāi)事故，嚴(yán)重威脅管道沿線國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。另外，油氣產(chǎn)品泄漏還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，尤其是油品流入土壤和河流的危害更大，會(huì)污染水土介質(zhì)，造成滅絕動(dòng)植物。輸油管道泄漏的污染面積可按下列經(jīng)驗(yàn)公式估算： KqS? 式中 K — 系數(shù)； S— 污染面積， m2； q—泄漏量， m3。 因此，在油氣管道的運(yùn)行管理中，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道泄漏并確定漏點(diǎn)位置，對(duì)于保證管道的安全運(yùn)行、減少因泄漏造成的經(jīng)濟(jì)損失和對(duì)環(huán)境的污染、 防止爆炸和火災(zāi)事故的發(fā)生具有十分重要的意義。 泄漏檢測(cè) 隨著石油、天然氣等工業(yè)的發(fā)展，管道輸送在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位越來(lái)越重要。但由于管道泄漏不僅造成資源浪費(fèi)，而且污染環(huán)境，所以管道輸送的在線實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)與定位技術(shù)已顯得異常重要。所以現(xiàn)在不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，都在積極進(jìn)行泄漏檢測(cè)與定位方面的研究，以使得石油行業(yè)有更好的發(fā)展和更安全的運(yùn)行環(huán)境。 輸送管道泄漏檢測(cè)方法 流體輸送管道泄漏檢測(cè)的方法很多，分類也很多，到目前為止沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的分類方法。根據(jù)近十幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，比較公認(rèn)的分類方 法大致有：基于硬件和軟件的方法、根據(jù)測(cè)量媒介分類、更具檢測(cè)裝置所處位置分類、根據(jù)檢測(cè)對(duì)象分類、基于信號(hào)處理方式分類等等。大致分類如下： 根據(jù)檢測(cè)對(duì)象分類 [1] 根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同可分為管道外部環(huán)境檢測(cè)、檢測(cè)管壁狀況和檢測(cè)內(nèi)部流體狀態(tài)的方法。管道外部環(huán)境檢測(cè)法是指采用一些設(shè)備或者應(yīng)用檢測(cè)設(shè)備對(duì)感到外部的環(huán)境進(jìn)行的的檢測(cè)；管壁狀況檢測(cè)法是指直接用各種裝置檢測(cè)管壁是否有破損，以此進(jìn)行泄漏檢測(cè)與定位；內(nèi)部流體狀況檢測(cè)法是指將實(shí)時(shí)采集到的管線流體的壓力、流量西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 6 等信號(hào)進(jìn)行分析處理，從而確定是否有泄漏發(fā)生并定 位。 外部環(huán)境檢測(cè)法 (1)外部巡視法：早期的管道大多采用人工分段巡視的昂