董鵬望

西部管道蘭州輸氣分公司澀北壓氣首站

摘要：為有效管控輸氣管道安全風險，需要采用先進科技手段提升管道泄漏監測水平。分析了次聲波泄漏監測技術的優勢，介紹了次聲波泄漏監測系統及其在澀寧蘭管道的應用測試。實際測試表明，系統能夠實時監測管道泄漏并精確定位泄漏點，對推廣使用該技術有積極意義。

關鍵詞：次聲波泄漏監測；泄漏報警；泄漏點定位；澀寧蘭管道

澀寧蘭輸氣管道包括澀寧蘭一線和澀寧蘭復線，兩條管道并行敷設，途經青藏高原和黃土高原，沿線地貌類型復雜多樣，氣候復雜多變， 管道運行風險因素較多，一旦發生泄漏事故，不但造成生命財產損失，還將影響下游天然氣供應。為此，在一線、復線湖東站至西寧站管段首次應用次聲波泄漏監測系統開展泄漏監測，探討該技術的應用效果。

1  泄漏監測方法優選

1.1  常用泄漏監測方法

（1）光纖測溫法。目前應用于局部泄漏監測，且光纖容易受外界干擾，對環境溫度要求很高。

（2）實時瞬態模型法。通過測量管道運行數據與預期模型條件進行比對，系統軟件可以判斷泄漏量和泄漏位置。該方法存在模型復雜，響應時間長，對泄漏不敏感的問題，后期維護難度大。

（3）統計分析方法。根據管道工藝系統的流體流量和壓力參數，連續計算泄漏的統計概率。通過測量流量和壓力及統計平均值估算泄漏量，用最小二乘法進行泄漏定位。該方法存在響應時間長，受限于儀表精度影響等問題。

（4）負壓波法。對小泄漏所產生的微小壓力變化不敏感，且其主要用于測量穩態和緩慢變化的壓力，不具有滿意的動態響應特性，不適用于氣體管道泄漏監測。

（5）次聲波法。管道內流體發生泄漏后，引起瞬時低音波震蕩和傳輸，采用次聲波傳感器以捕捉管道內因泄漏產生的聲波信號，進行泄漏檢測和定位。

1.2  次聲波法優點

次聲波為頻率小于20 Hz（赫茲）的聲波，不容易衰減，不易被水和空氣吸收，波長往往很長，因此能繞開某些大型障礙物發生衍射。次聲波法用于輸氣管道泄漏監測的優勢表現為，次聲波傳感器能承受管內穩態壓力的作用，在穩態壓力不變的時候輸出為零；輸出只與聲壓有關且對聲壓變化敏感，可以根據需要確定量程，其靈敏度遠高于壓力傳感器。同時具有較好的動態響應特性，泄漏發生后沖擊波聲源產生的聲壓信號在低頻部分功率譜密度比較大，宜于采集，具有靈敏度高、探測距離遠、定位精度高、可靠性好和易于維護等顯著優勢。

2  次聲波法原理及監測系統組成

次聲波泄漏監測通過計算泄漏信號傳輸到安裝在管段兩端傳感器的時間差，結合信號在流體中的傳輸速度，計算泄漏點位置，如圖 1 所示。

圖 1 次聲波監測方法定位示意圖

定位計算參考公式（1）：

X=（L+aΔt）/2  （1）

其中：X為泄漏點距首端測量點的距離，m；L為管道全長，m；a為管輸介質中次聲波的傳播速度，m/s；t為接收上、下游傳感器信號的時間差，s。

泄漏監測系統由現場儀表、子站、中心站、通信系統四部分組成，詳見圖 2。現場儀表主要指次聲波傳感器。子站由多個次聲波數據采集器組成，一般設置在站場機柜間或露天閥室設置在防爆接線箱內。中心站服務器部署次聲波泄漏監測系統，以及遠程監視終端。通信系統可采用光纜通信、衛星通信、微波通信及GPRS 網絡通信等各種通信手段。

圖 2 泄漏監測系統結構示意圖

子站次聲波數據采集器不間斷采集管道次聲波信號，并由通信設備傳輸到中心站服務器進行處理和分析，判斷管道是否發生泄漏。當監測系統判定發生泄漏時發出聲光報警信號，定位泄漏點并給出定位信息。

3  具體應用

3.1  次聲波采集點設置原則

（1）為了排除站場內閥門、壓縮機動作等噪聲對泄漏監測系統的干擾，通常在進、出站設置兩個次聲波采集點；通過次聲波經過這兩個傳感器的時差判斷次聲波方向及來源，提高系統的判斷能力。

（2）為準確采集次聲波信號，避免其波長的影響，進站（出站）兩個次聲波采集點間距宜大于10 m，之間不能有過濾器、調壓設備等產生或抑制次聲波的設備干擾。

（3）充分利用已有壓力表或壓力變送器取壓處及管件閥門，在原有儀表上加裝新增次聲波傳感器，新增儀表采用支架安裝，增加三通與原有儀表共用一個取樣孔。原壓力表取壓處安裝次聲波傳感器，如圖 3所示。

圖 3 次聲波傳感器安裝示意圖

3.2  泄漏監測效果測試

（1）報警測試。選擇管道運行狀態中具有代表性的測試變量和測試方法，可用實際測試或模擬測試。

（2）放空測試。選擇輸氣管段內的一個閥室，利用連接放空管的旋塞閥進行短時放空作業，共放空4～5 次，每次放空時間為10 s，然后關閉放空旋塞閥，恢復原工藝狀態。記錄此輸氣管段實際長度L、次聲波傳播速度V，分別調試系統次聲波撿拾靈敏度、輸氣管道段各站場和各閥室的管道信噪比Q、定位偏差等，以及放空模擬泄漏時的信號衰減距離和監測性能。

（3）預告和非預告測試。預告測試事先告知管道調度員，并且只限于管道泄漏監測系統性能測試。非預告測試事先不告知管道調度員，同時測試管道泄漏監測系統性能和管道調度員的響應能力。一般來說，預告測試成功確認之后才能適用非預告測試方法。

（4）現場測試。在澀寧蘭復線湖東壓氣站至西寧分輸站管段，現場采用從大到小多種規格限流孔板、差壓流量計、球閥和放空管等，模擬輸氣管道發生泄漏狀況，檢驗次聲波泄漏監測系統的自動報警和定位能力。結果表明，監測系統報警達到的最小泄漏率（靈敏度）、定位誤差、反應時間等滿足監測系統指標要求，誤報率明顯優于指標要求。

4  結論

次聲波泄漏監測系統不改變原有設備基礎，適用于埋地管道和水下管道等泄漏監測。該系統可在管道泄漏早期發現泄漏隱患，及時采取措施處置，避免造成更大損失。根據在澀寧蘭管道的應用測試，下一步應對傳感器安裝方式及安裝位置進行優化設計，使其具有普適性，便于快捷安裝和檢驗，不影響管道正常工藝流程。同時，優化設計時還應考慮克服現場管道介質噪聲較大及改變傳感器安裝方式對監測性能的影響，滿足次聲波泄漏監測要求。  

作者簡介：董鵬望，1983年生，本科，畢業于中國石油大學（華東），工程師，主要從事管道管理工作。聯系方式：15117009526，dongpw@pipechina.com.cn。