王艳

大庆油田设计院有限公司

管道运输是油田生产中液态原料和产品输送的最主要形式。油田部分管道穿越村屯或城镇等人口较密集的区域，易自然破损、遭受人为破坏及盗窃，如果造成油品泄漏，经济受损失的同时也会带来一系列不良社会影响。

采用技术手段对管道的运行状态进行实时在线有效的监测，及时准确地判断泄漏发生及泄漏点位置[1-4]，可为抓获盗油分子赢得时间，减少泄漏造成的经济损失及不良的社会影响。

1 管道泄漏报警系统

1.1 负压波-输量平衡法基本原理

管道穿孔或断裂时，泄漏点压力波动将产生负压波，沿管道向两端传播，通过记录负压波到达管道两端的时差，核算管道长度及波动传播速度，即可判断管道发生泄漏点的具体位置。负压波法基本原理如图1所示。根据此原理，建立数学模型如图2所示。

图1 负压波法基本原理Fig.1 Basic principle of negative pressure wave method

图2 负压波法数学模型Fig.2 Mathematical model of negative pressure wave method

管道流体流速远低于负压波速度，忽略流速化简后泄漏定位公式为

式中：X为泄漏点距管道一端距离，m；α为波速，m/s；L为管道长度，m；τ0为波时差，s。

在已知负压波传播速度的情况下，测得管道两端接收到负压波的时间差即可得到管道泄漏点的位置。采用输量平衡法实时比对管道两端流体流量，从而辅助负压波法判断管道是否发生泄漏，可提高泄漏监测准确程度。

根据负压波检测的基本原理，在管道两端点设置测控系统，利用计算机建立管道端点压力波动模型，即可获得负压波到达管道两端点的时间差。通过通信网络共享，保证两端设备时间统一。同时，端点设置温度传感器，采集温度的实时变化值，计算时对温度引起的速度波动及衰减值进行补偿修正。最后计算机系统综合运算工况参数，对各种因素引起的误差进行修正及补偿，即可确定泄漏点位置。设计过程中，还需将正常工艺操作造成的误报进行过滤，以降低系统的误报率。泄漏检测系统如图3所示。

图3 负压波-输量平衡法泄漏检测系统Fig.3 Leak detection system of negative pressure wavetransmission balance method

该系统主要由现场数据测控与数据处理单元、通信系统、计算机分析管理系统组成。管道两端安装温度采集仪表、压力采集仪表、流量计及现场控制器。先由控制器采集数据并进行初步处理，为泄漏报警系统提供基础数据；再通过通信系统进行各个主机之间的数据及时间的共享；最后由计算机系统收集存储数据并进行分析。

1.2 次声波法基本原理

该方法基于次声波成像监测原理，通过管线成像显示管道各处的噪声分布，利用管道多个节点处的监测传感器拾取的噪声信号，计算出管道内液体流动时产生的噪声图像，同时可显示管道上压力泵等其他机器的噪声。当出现泄漏时就会在泄漏处显示稳定的声像，其声像亮度与泄漏量成正比，以发现微小渗漏，提高监测能力。结合图像分析可以过滤敲击声、交通噪声等干扰。最后根据声波信号到达管道两端泄漏监测仪的时间差，计算出发生泄漏的具体位置[5-8]。

定位原理是通过接收安装在管道首末两端的次声波接收装置的信号，在管道中间有泄漏发生时，系统就能提取次声波到达两端接收装置的时间差，从而精确计算出泄漏点的位置（图4），计算公式为

图4 次声波法管道泄漏定位原理示意图Fig.4 Pipe leakage location principle diagram of infrasonic wave method

式中：x为泄漏点距管道一端距离，m；v为流体音速，m/s；L为管道长度，m；t0为声波时差，s。

系统由次声波传感器、数字化仪、计算机系统组成。在管道首末端各安装次声波传感器及数字化仪，在其中一个联合站安装次声波管道泄漏报警系统。次声波管道报警系统的原理及系统结构如图5所示。

图5 次声波法管道泄漏报警系统配置示意图Fig.5 Schematic diagram of pipeline leak alarm system configuration of infrasonic wave method

1.3 光纤干涉法基本原理

沿管道并排铺设光缆，利用Mach-Zehnder 光纤干涉原理，使用2 条光纤作为分布式光纤传感器，并传播相干光。通过前端信号采集电路对干涉数据进行采集、转换，在计算机中对数据进行处理和分析，即可确定泄漏点的位置。其传感器器、处理分析电路原理如图6所示。

图6 光纤干涉传感器、处理分析电路原理Fig.6 Principle of fiber optic interference sensor，processing and analysis circuit

分布式光纤传感器内2条光纤对向传播两组相干光，即传感器两端可产生干涉信号。当管道发生泄漏时，传感器两端将产生相位调制信号。通过检测调制信号发生的时差，即可计算出泄漏发生的位置。公式为

式中：X为泄漏点至首端的距离，m；L为检测的管道长度，m；t1为传感器首端检测到信号的时间，s；t2为传感器末端检测到信号的时间，s；v为光波在光纤中的传播速度，m/s。

根据以上原理，沿输油管道同沟铺设光纤干涉传感器，在管网系统的核心站厂建立干涉光纤测控系统，实现泄漏报警并显示泄漏点位置。各系统通过网络共享数据，并上传管网运行监控中心，实现管网运行状态的监测。建立测控系统如图7所示。

图7 光纤干涉法测控系统原理图Fig.7 Measurement and control system principle diagram of fiber optic interference method

该系统主要由信号采集转换单元、计算机系统及光缆传感器三大部分组成。干涉光缆信号由处理电路发射并采集，最后由计算机系统收集存储数据并进行分析。

2 应用分析

国内外应用过多种管道泄漏检测、定位方法。曾应用化学法、漏磁法、输量平衡法、负压波法、次声波法、质量平衡法建立管道运行应用模型，并建立了较完善的理论，但在实际应用中均存在不足。

2.1 负压波-输量平衡法

国内长距离管道泄漏定位技术主要使用负压波-输量平衡法。可检测管输流量8%以上的泄漏，实际定位误差约为管道长度×0.5%＋100 m。管道泄漏定位技术及设备随着油气生产数字化建设的推广，油田在逐步推进。但少数油田现场使用情况表明，单独使用负压波-输量平衡法进行检测，效果并不理想。

存在的主要问题：①误报频繁，正常使用时，在换切流程、启停泵等情况下，管道内瞬态流量发生变化，都会触发该系统报警；②管道两端操作无法及时通信，造成工作人员误判断；③漏报率高，一年内出现泄漏6次管道泄漏，仅一次报警，漏报率83.33%。

但该方式也具有一定的优势：该方法所有装置都安装于站内，避免了野外施工和人为破坏；基本不涉及对流程等改造，便于实施，设备少造价低，管理维护方便；因为国内长距离输油管道采用该方法较多，应用效果良好。

从该技术的使用情况看效果并不理想，存在风险。但通过对使用该方式并取得良好效果的案例分析，如采用高精度、高分辨率传感器提高采集精度及频率，再通过数字信号传输降低误差；同时使用优秀软件建立模型进行分析，可显著提高检测精确度，降低误报率。

2.2 次声波法

该方式实际使用的硬件集成度高、数量少，减少了日后的维护工作量，系统的整体结构简单，接入灵活。同时具有同负压波-输量平衡法类似的特点，如所有装置都安装于站内，避免了野外施工和人为破坏，且基本不涉及对流程等改造，便于实施，设备少造价低，管理维护方便。

该方式理论较为成熟，但其在油田的应用实际案例相对较少。该方法正常工况定位误差＜50 m。

2.3 光纤干涉法

监测系统所需建立的前段测控系统数量很少，可大幅提高系统的可靠性，主要技术特点：①该技术先进且理论较合理；②采用近似理论的类似技术的系统在其他领域应用较成功；③该方式在管道建设初期随管道建设施工较为合理。

单条、单流向管道结构相对比较简单，当管道有多个分支或双向输送流体时，宜在分支点设置干涉信号采集装置，系统分析软件将较为简单。根据原理也可在管道分支点设光纤分支汇接，但相干光发生、调整信号检测设备及分析软件将较为复杂，工程施工也较难。

该技术在油田缺少实践，未经过可靠的实验，缺少相关的技术数据，采用有较高的风险性。

3 结论

为实现对管道进行有效的在线实时监测，及时准确地判断泄漏发生并确定泄漏位置，单独使用一种技术方式难以实现。目前大庆油田管道泄漏检测建设基本将负压波-输量平衡法和次声波法相结合使用。光纤干涉法缺少行业实践，风险较高，还需进一步试验数据。

管道泄漏检测技术已经系统化，实现了管道运行数据的数字化。随着油田数字化建设的推进，需进一步完善数字化管理范围。该系统可嵌入输油管道运行管理系统，融合数字技术、通信技术，实现原油输送系统运行数据自动采集、处理与应用，提升科学决策和管理水平，降低生产运行成本，提高生产本质安全，从而逐步推进数字油田发展为智能油田，最终建成智慧油田。