董鹏望

西部管道兰州输气分公司涩北压气首站

摘要：为有效管控输气管道安全风险，需要采用先进科技手段提升管道泄漏监测水平。分析了次声波泄漏监测技术的优势，介绍了次声波泄漏监测系统及其在涩宁兰管道的应用测试。实际测试表明，系统能够实时监测管道泄漏并精确定位泄漏点，对推广使用该技术有积极意义。

关键词：次声波泄漏监测；泄漏报警；泄漏点定位；涩宁兰管道

涩宁兰输气管道包括涩宁兰一线和涩宁兰复线，两条管道并行敷设，途经青藏高原和黄土高原，沿线地貌类型复杂多样，气候复杂多变， 管道运行风险因素较多，一旦发生泄漏事故，不但造成生命财产损失，还将影响下游天然气供应。为此，在一线、复线湖东站至西宁站管段首次应用次声波泄漏监测系统开展泄漏监测，探讨该技术的应用效果。

1  泄漏监测方法优选

1.1  常用泄漏监测方法

（1）光纤测温法。目前应用于局部泄漏监测，且光纤容易受外界干扰，对环境温度要求很高。

（2）实时瞬态模型法。通过测量管道运行数据与预期模型条件进行比对，系统软件可以判断泄漏量和泄漏位置。该方法存在模型复杂，响应时间长，对泄漏不敏感的问题，后期维护难度大。

（3）统计分析方法。根据管道工艺系统的流体流量和压力参数，连续计算泄漏的统计概率。通过测量流量和压力及统计平均值估算泄漏量，用最小二乘法进行泄漏定位。该方法存在响应时间长，受限于仪表精度影响等问题。

（4）负压波法。对小泄漏所产生的微小压力变化不敏感，且其主要用于测量稳态和缓慢变化的压力，不具有满意的动态响应特性，不适用于气体管道泄漏监测。

（5）次声波法。管道内流体发生泄漏后，引起瞬时低音波震荡和传输，采用次声波传感器以捕捉管道内因泄漏产生的声波信号，进行泄漏检测和定位。

1.2  次声波法优点

次声波为频率小于20 Hz（赫兹）的声波，不容易衰减，不易被水和空气吸收，波长往往很长，因此能绕开某些大型障碍物发生衍射。次声波法用于输气管道泄漏监测的优势表现为，次声波传感器能承受管内稳态压力的作用，在稳态压力不变的时候输出为零；输出只与声压有关且对声压变化敏感，可以根据需要确定量程，其灵敏度远高于压力传感器。同时具有较好的动态响应特性，泄漏发生后冲击波声源产生的声压信号在低频部分功率谱密度比较大，宜于采集，具有灵敏度高、探测距离远、定位精度高、可靠性好和易于维护等显著优势。

2  次声波法原理及监测系统组成

次声波泄漏监测通过计算泄漏信号传输到安装在管段两端传感器的时间差，结合信号在流体中的传输速度，计算泄漏点位置，如图 1 所示。

图 1 次声波监测方法定位示意图

定位计算参考公式（1）：

X=（L+aΔt）/2  （1）

其中：X为泄漏点距首端测量点的距离，m；L为管道全长，m；a为管输介质中次声波的传播速度，m/s；t为接收上、下游传感器信号的时间差，s。

泄漏监测系统由现场仪表、子站、中心站、通信系统四部分组成，详见图 2。现场仪表主要指次声波传感器。子站由多个次声波数据采集器组成，一般设置在站场机柜间或露天阀室设置在防爆接线箱内。中心站服务器部署次声波泄漏监测系统，以及远程监视终端。通信系统可采用光缆通信、卫星通信、微波通信及GPRS 网络通信等各种通信手段。

图 2 泄漏监测系统结构示意图

子站次声波数据采集器不间断采集管道次声波信号，并由通信设备传输到中心站服务器进行处理和分析，判断管道是否发生泄漏。当监测系统判定发生泄漏时发出声光报警信号，定位泄漏点并给出定位信息。

3  具体应用

3.1  次声波采集点设置原则

（1）为了排除站场内阀门、压缩机动作等噪声对泄漏监测系统的干扰，通常在进、出站设置两个次声波采集点；通过次声波经过这两个传感器的时差判断次声波方向及来源，提高系统的判断能力。

（2）为准确采集次声波信号，避免其波长的影响，进站（出站）两个次声波采集点间距宜大于10 m，之间不能有过滤器、调压设备等产生或抑制次声波的设备干扰。

（3）充分利用已有压力表或压力变送器取压处及管件阀门，在原有仪表上加装新增次声波传感器，新增仪表采用支架安装，增加三通与原有仪表共用一个取样孔。原压力表取压处安装次声波传感器，如图 3所示。

图 3 次声波传感器安装示意图

3.2  泄漏监测效果测试

（1）报警测试。选择管道运行状态中具有代表性的测试变量和测试方法，可用实际测试或模拟测试。

（2）放空测试。选择输气管段内的一个阀室，利用连接放空管的旋塞阀进行短时放空作业，共放空4～5 次，每次放空时间为10 s，然后关闭放空旋塞阀，恢复原工艺状态。记录此输气管段实际长度L、次声波传播速度V，分别调试系统次声波捡拾灵敏度、输气管道段各站场和各阀室的管道信噪比Q、定位偏差等，以及放空模拟泄漏时的信号衰减距离和监测性能。

（3）预告和非预告测试。预告测试事先告知管道调度员，并且只限于管道泄漏监测系统性能测试。非预告测试事先不告知管道调度员，同时测试管道泄漏监测系统性能和管道调度员的响应能力。一般来说，预告测试成功确认之后才能适用非预告测试方法。

（4）现场测试。在涩宁兰复线湖东压气站至西宁分输站管段，现场采用从大到小多种规格限流孔板、差压流量计、球阀和放空管等，模拟输气管道发生泄漏状况，检验次声波泄漏监测系统的自动报警和定位能力。结果表明，监测系统报警达到的最小泄漏率（灵敏度）、定位误差、反应时间等满足监测系统指标要求，误报率明显优于指标要求。

4  结论

次声波泄漏监测系统不改变原有设备基础，适用于埋地管道和水下管道等泄漏监测。该系统可在管道泄漏早期发现泄漏隐患，及时采取措施处置，避免造成更大损失。根据在涩宁兰管道的应用测试，下一步应对传感器安装方式及安装位置进行优化设计，使其具有普适性，便于快捷安装和检验，不影响管道正常工艺流程。同时，优化设计时还应考虑克服现场管道介质噪声较大及改变传感器安装方式对监测性能的影响，满足次声波泄漏监测要求。  

作者简介：董鹏望，1983年生，本科，毕业于中国石油大学（华东），工程师，主要从事管道管理工作。联系方式：15117009526，dongpw@pipechina.com.cn。