【正文】 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 1 1 緒論 管道泄漏檢測的背景意義 在當(dāng)今能源缺失的大環(huán)境下，節(jié)約現(xiàn)有能源和開發(fā)科再生能源是國際各種能源組織的重大課題。近年來，已有很多西方大國為了能源而不惜大打出手，向很多擁有大能源的小國發(fā)起能源侵略戰(zhàn)爭，相反的有些東方大國卻是和和這些用于大量能源的小國建立能源合作關(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，使用管道運輸流體是一種經(jīng)濟、方便的運輸方式，和其他運輸方式相比，它具有高效、安全、經(jīng)濟、便于控制和管理等多項優(yōu)點，因此在石油、天然氣及其他流體運輸中占重要地位。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國目前已建成的各類輸送管線長度已達到 60000 余千米。但是由于管道設(shè)備老化，地理條件的變化 (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，不僅會帶來因流體流失而造成的直接經(jīng)濟損失和對環(huán)境的污染，嚴重情況下，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、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)施的安全運行和人民生命財產(chǎn)，進而造成更大的間接損失和惡性事故。所以，及時、準確地發(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。我國輸油管道自動化水平的提高為管道泄漏檢測技術(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)于一些簡單的應(yīng)用，未能充分發(fā)揮自動控制系統(tǒng)的作用，因此，發(fā)展管道泄漏檢測技術(shù)已成當(dāng)務(wù)之急，對石油產(chǎn)品管道的調(diào)度、管理和維護以及充分發(fā)揮自動控制系統(tǒng)的作用具有重大和深遠的影響。 管道 泄漏檢測和定位技術(shù)的研究現(xiàn)狀 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外輸油管道管理先進的國家，如美國、英國、法國等，自 20 世紀 70 年代以來，就在許多油氣管道中安裝了泄漏檢測系統(tǒng)，效果顯著。我國在 80 年代以來，數(shù)家單位相繼開展了流體管道泄漏檢測的研究工作，對流體的性質(zhì)、流體的流動、傳熱及過程控制系統(tǒng)進行了實驗和研究。雖然對管道泄漏檢測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的復(fù)雜性，使得目前沒有一種簡單可靠、通用的方法解決管道泄漏檢測和定位問題，特別 是小流量的泄漏檢測和泄漏點定位問題。所以，加強管道泄漏檢測和定位技術(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 （論文） 2 實意義。 泄漏檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢 國外在泄漏檢測方面起步較早，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中，而我國在這方面的起步較晚，所做的工作還非常有限。 20 世紀 80 年代，國內(nèi)的研究成果是在城市供水、煤氣管道或者在實驗室內(nèi)搭設(shè)的等溫、隨機干擾少、介質(zhì)狀態(tài) (水、煤氣等 )穩(wěn)定的小型管道上實驗基礎(chǔ)上得出的，沒有涉及實際的原 油、成品油或天然氣的集輸或長輸管道的情況。在實際工業(yè)管道的運行中存在大量復(fù)雜的問題，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)變化等都是實驗室中研究難以完全涵蓋的。雖然目前國際上已有多種檢測管道泄漏的方法，有多家公司提供管道泄漏檢測方面的軟件包，如 ATMOSPIPE、 ATS、 Logica等基于全線遠程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控 (SCADA)系統(tǒng)的管道檢測軟件包，但這些系統(tǒng)的價格一般在數(shù)百萬美元，由此可見其引進費用極其昂貴。進入 90 年代以來，我國的一些科研小組在工業(yè)管道上進行了一定的研究工作，尤其針對于穿越沙漠、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特性，它是運用現(xiàn)代分析方法和控制理論，對所采集的管道運行數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)合管道流體的流動規(guī)律，實現(xiàn)管道泄漏檢測和定位，人們稱這種方法為現(xiàn)代管道泄漏檢測和定位技術(shù)。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國必將成為一個世界管道大國，對管道泄漏檢測系統(tǒng)的要求也日益迫切，因而利用自動檢測技術(shù)，研制開發(fā)一種適合我國管道狀況的泄漏檢測與定位系統(tǒng)，對于我國經(jīng)濟發(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，以提高泄漏檢測的靈敏度和更加準確地判斷泄漏點位置 ，逐步建立起了現(xiàn)代管道泄漏檢測定位的理論體系，填補可這方面的空白。通過研制和開發(fā)新型高效的管道泄漏檢測系統(tǒng)來提高泄漏檢測與定位的靈敏度、精確度和可靠性，管道泄漏檢測技術(shù)有如下的發(fā)展趨勢： (1)泄漏檢測系統(tǒng)和 SCADA 系統(tǒng)的結(jié)合 。 SCADA 系統(tǒng)不僅能為泄漏檢測提供數(shù)據(jù)來源，而且能對管道的運行狀況進行監(jiān)控，是管道自動化的發(fā)展方向。由于單一的泄漏檢測系統(tǒng)并不經(jīng)濟，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、管網(wǎng)泄漏檢測與定位的研究。目前的管 道泄漏檢測和定位技術(shù)的研究多是事對單根官道上的單點泄漏進行的，而對于單點多泄漏、多管耦合的泄漏研究還少見。該方面的研究對解決管道實際運行狀況具有更直接的現(xiàn)實意義。 (3)基于負壓波的檢測適合我國管道的泄漏檢測。但是實際管道中的壓力信號中混雜大量的噪聲，主要來自于儀器儀表的測量噪音，輸送過程中的隨機噪聲和外界干擾。噪聲和干擾信號的幅度甚至可以講泄漏引發(fā)的有用信號淹沒。如果不能對原始壓力信號進行有效的過濾，該泄漏檢測方法將嚴重失效。因此，有效地濾波技術(shù)也是檢測系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容。 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 3 (4)分布式光纖傳感器應(yīng)用于管 道檢測。光纖傳感器是今年來發(fā)展的一個熱點，它在實際物理量測量的同時可以實現(xiàn)信號的傳輸，在解決信號衰減和抗干擾方面有著獨特的優(yōu)越性，它有著傳統(tǒng)傳感器所無法比擬的優(yōu)勢。此外，隨著各種分布式光纖傳感器的發(fā)展，未來可以實現(xiàn)利用一根或多根光纖對油氣管道內(nèi)介質(zhì)的溫度、壓力、流量、管壁應(yīng)力進行分布式在線測量，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)合的方法進行油氣管道泄漏檢測。近年來，由于計算機技術(shù)、控制理論、信號處理、模式 識別、人工智能等學(xué)科的發(fā)展促進了以軟件為主的油氣管道實時泄漏檢測技術(shù)的反戰(zhàn)，這種方法能實現(xiàn)實時在線檢測，及時給出報警信號，因此這方面的檢測技術(shù)仍將是研究的熱點和趨勢，而且作為非線性時變參數(shù)的管道系統(tǒng)，自適應(yīng)的思想在檢測和定位算法中也將發(fā)揮越來越重要的作用。但是基于硬件的而方法有很高的定位精度和較低的誤報警率，因此基于硬件的方法和基于軟件的方法實現(xiàn)互補可以滿足管道泄漏檢測系統(tǒng)的要求。 (6)提高泄漏檢測與定位系統(tǒng)的自適應(yīng)性、魯棒性，解決檢測靈敏度與誤報率之間的矛盾，并對檢測系統(tǒng)進行穩(wěn)定性、靈敏度、魯棒性等分析 ，是衡量一個檢測系統(tǒng)好壞的標準。 (7)音波管道泄漏檢測技術(shù)是近幾年新發(fā)展的管道泄漏檢測技術(shù)。它利用泄漏點產(chǎn)生的次聲波沿管道兩壁傳播的特點，開發(fā)出了配套的軟硬件，較好的解決了目前管道泄漏檢測領(lǐng)域存在的一些難點，具有反應(yīng)靈敏，定位精度高，可靠性強等特點 泄漏檢測技術(shù)的分類 [3] 流體輸送管道泄漏檢測的方法很多，分類也很多，到目前為止沒有一個統(tǒng)一的分類方法。根據(jù)近十幾年來國內(nèi)外相關(guān)資料，比較公認的分類方法大致有：基于硬件和軟件的方法、根據(jù)測量媒介分類、更具檢測裝置所處位置分類、根據(jù)檢測對象分類 、基于信號處理方式分類等等。 20 世紀 80 年代以來，隨著計算機、信號處理、模式識別等技術(shù)的迅速發(fā)展，基于 SCADA 系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集泄漏檢測技術(shù)受到了人們越來越多的關(guān)注，并逐漸發(fā)展為檢測技術(shù)的主流和趨勢。這類方法主要是對實時采集的溫度、流量、壓力信號進行實時分析和處理，以此來檢測泄漏并定位。 管道泄漏檢測研究研究內(nèi)容 本文介紹了基于管道泄漏檢測對象分類的的檢測方法分類及其主要內(nèi)容，并著重介紹了基于負壓波的管道泄漏檢測技術(shù)的原理和負壓波泄漏檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法。最后，以負壓波檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，闡 述了泄漏檢測技術(shù)的應(yīng)用，并重點講述了負壓波法在特定管道的泄漏檢測應(yīng)用。 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 4 2 流體輸送管道的泄漏與泄漏檢測 概述 管道運輸是繼鐵路、公路、航空、水運的第五大運輸手段。在石油、天然氣等流體運輸中有著獨特的優(yōu)勢。但是，隨著輸油、輸氣管線的增多，管齡的增長，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能及時發(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 管道運輸是五大 運輸方式之一 (鐵路、公路、水運、空運、管道 )，是石油和天然氣產(chǎn)品的主要運輸方式，是國家的能源動脈，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造成管道泄漏乃至破裂，威脅到長輸管道的安全運行。 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 (超過正常流量的 10％ )三種。 產(chǎn)生泄漏的原因可能千差萬別。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。埋地管線由于受土壤中電化學(xué)過程的作用，金屬逐漸受到破壞，導(dǎo)致管壁上出現(xiàn)銹點和蜂窩，逐漸擴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 6～ 7mm/年。發(fā)生泄漏的原因還可能是在管道施工過程中管道金屬受到損傷，而在試壓時又未能及時發(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 。 我國有大部分油氣管道的運行時間已超過二十年，管道強度和涂層完整性都已進入危險期，整個油田管網(wǎng)已進入事故高發(fā)期，據(jù)統(tǒng)計 ，我國油田管道穿孔率為 次 /(km?a)左右。近年來，由于原油價格上漲，國內(nèi)不法分子受利益驅(qū)動瘋狂地在輸油管道上打孔盜油，嚴重干擾了正常的輸油生產(chǎn)，給油田造成了巨大的經(jīng)濟損失。例如，勝利油田油氣集輸公司僅在 1999 年 10 月一個月內(nèi)就發(fā)生盜油破壞泄漏點 13 處，損失原油數(shù)千噸，直接經(jīng)濟損失 200 多萬元。雖然采取了加大巡查力度，重獎舉報考或發(fā)現(xiàn)泄漏及時封堵等措施，但收效甚微。長距離輸油管道盜油事件也時有發(fā)生，且呈蔓延之勢。例如中洛輸油管道嚴重時每年發(fā)生盜油泄漏事故達 300 余起之多，給管道造成了嚴重的經(jīng)濟損失 ，同時造成了嚴重的環(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 （論文） 5 (1)管道材質(zhì)不良，由于材質(zhì)開裂，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，致使管道開裂 ； (6)由于地質(zhì)構(gòu)造原因使地基下沉，造成管道開裂 (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裂； (8)人為盜油，造成管道穿孔。 長輸管道發(fā)生泄漏事故極其危險，因為除了損失 油氣產(chǎn)品之外，還會釀成爆炸或火災(zāi)事故，嚴重威脅管道沿線國家和人民的生命財產(chǎn)安全。另外，油氣產(chǎn)品泄漏還會造成嚴重的環(huán)境污染，尤其是油品流入土壤和河流的危害更大，會污染水土介質(zhì)，造成滅絕動植物。輸油管道泄漏的污染面積可按下列經(jīng)驗公式估算： KqS? 式中 K — 系數(shù)； S— 污染面積， m2； q—泄漏量， m3。 因此，在油氣管道的運行管理中，及時發(fā)現(xiàn)管道泄漏并確定漏點位置，對于保證管道的安全運行、減少因泄漏造成的經(jīng)濟損失和對環(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 隨著石油、天然氣等工業(yè)的發(fā)展，管道輸送在國民經(jīng)濟中的地位越來越重要。但由于管道泄漏不僅造成資源浪費，而且污染環(huán)境，所以管道輸送的在線實時泄漏檢測與定位技術(shù)已顯得異常重要。所以現(xiàn)在不管是國內(nèi)還是國外，都在積極進行泄漏檢測與定位方面的研究，以使得石油行業(yè)有更好的發(fā)展和更安全的運行環(huán)境。 輸送管道泄漏檢測方法 流體輸送管道泄漏檢測的方法很多，分類也很多，到目前為止沒有一個統(tǒng)一的分類方法。根據(jù)近十幾年來國內(nèi)外相關(guān)資料，比較公認的分類方法大 致有：基于硬件和軟件的方法、根據(jù)測量媒介分類、更具檢測裝置所處位置分類、根據(jù)檢測對象分類、基于信號處理方式分類等等。大致分類如下： 根據(jù)檢測對象分類 [1] 根據(jù)檢測對象的不同可分為管道外部環(huán)境檢測、檢測管壁狀況和檢測內(nèi)部流體狀態(tài)的方法。管道外部環(huán)境檢測法是指采用一些設(shè)備或者應(yīng)用檢測設(shè)備對感到外部的環(huán)境進行的的檢測；管壁狀況檢測法是指直接用各種裝置檢測管壁是否有破損，以此進行泄漏檢測與定位；內(nèi)部流體狀況檢測法是指將實時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 （論文） 6 等信號進行分析處理，從而確定是否有泄漏發(fā)生并定位。 外部環(huán)境檢測法 (1)外部巡視法：早期的管道大多采用人工分段巡視的昂發(fā)