次声波管道泄漏检测系统在榆济线上的应用.doc

一 项目来源
2011年11月28日，为了保障榆济管道的安全运行，中国石油化工股份有限公司天然气榆济管道分公司与北京科创三思科技发展有限公司签订技术开发合同，安装一套天然气管道的次声波管道泄漏检测系统。系统部署于榆济管线宋耿落到郭庄段，管道全长83.9km，管道设计压力为8.0Mpa，现阶段管道实际运行压力为5.0～7.0MPa，钢管管径为Φ610×12.5mm。
二 技术原理
当管道破裂而产生泄漏时，管道内介质在管道压力的作用下，都迅速涌向泄漏处，从泄漏点喷射而出，喷射出的介质与破损的管壁高速摩擦，在泄漏处形成振动。该振动产生的声波从泄漏处向管道两端传播。频率较低的次声波信号能够随着管道和流体传播到很远的距离。安装在管线首尾两端的高灵敏度声波传感器能够有效的获取该信号，通过对获取的信号进行分析处理，可以判别管道是否发生泄漏并能对泄漏位置进行准确定位。
三 技术指标
（1）定位误差：≤50米；
（2）报警准确率：≥90%；
（3）可检测泄漏孔：≥10mm/1Mpa

四 系统安装、测试与应用
4.1 系统部署方案
系统部署的管线为榆济管线宋耿落至郭庄段，管径610mm，工作压力5.90Mpa，两端有宋耿落阀室和郭庄阀室，中间分布有韩楼、后刘家2个阀室和聊城输气站，总长83.9公里。
如图4.1.1所示

图 4.1.1 宋耿落至郭庄段管线图
4.1.2设计依据
（1）按照次声管道检测技术要求和榆济管线的实际情况进行设计，要求榆济管线的宋耿落阀室和郭庄阀室段进行设备的安装，安装时需要在1个输气站和4个阀室共5处各安装一套分站检测设备。
（2）设备采用太阳能电池板加蓄电池的供电方式（在有条件的站内可以采用220V电源加蓄电池的供电方式），通讯采用3G的冗余通讯方式。以保证系统能够实现实时在线并且不会受其他外界因素影响。
（3）通过勘察，4个阀室和聊城站内都预留有注氮孔，次声传感器可安装在注氮孔的阀门后面，以不影响管道的正常输送和维护为准。
（4）现场分站的布控计划如下：在4个阀室内各安装一套分站，在每个阀室内都预留有注氮孔，可利用此位置安装传感器，因此不用开孔。安装时将注氮孔阀门后面的盲板替换为可安装传感器的法兰即可。设备箱可安装在阀室外墙上。阀室内没有220V电源，采用太阳能电池板为设备充电，自备蓄电池组。采用3G的通讯方式。
4.1.3 系统部署计划
表4.1.1 系统部署计划表
序号
目 标
进 度
工 作 内 容
1
研究大口径长输天然气管道检测技术
2011.3—2011.7
完成天然气管道次声波泄漏系统的硬件和软件
2
调研、现场勘查
2011.7—2011.8
了解现场情况和系统安装位置
3
检测设备的设计、制作
2011.8—2012.10
完成现场所需要设备的制作生产
4
检测设备安装
2011.10—2012.3
设备的现场安装
5
检测系统调试
2012.3—2012.6
系统的现场调试
6
培训
2012.6—2012.7
工作人员培训
7
运行
2012.6—2012.12
系统正式运行
4.2 设备安装
在宋耿落、韩楼、后刘家、郭庄阀室各安装一套传感器设备，设备箱位于阀室室内，数据采集设备放置在设备箱内，采用太阳能板为设备供电，采用3G无线通讯方式。

4.3 系统测试
系统的分站和主站安装完毕后，对硬件及软件进行了系统测试。
2012年6月14日依次对宋耿落、韩楼、后刘家、聊城站、郭庄进行了放气泄漏试验，检测到了次声波泄漏信号。通过实验，可以确定在管道发生泄漏时，目前安装的次声波检测系统可以及时准确地检测到次声波泄漏信号，为系统的正常运行打下了坚实的基础。下面是宋耿落和聊城站的测试记录。
宋耿落放气2次，时间分别是：9:33、9:41，如图4.3.2所示，其中红色方框表示是同一次放气各个分站收到的信号情况。

图4.3.1宋耿落放气2次信号图
从上述波形可以看出在宋耿落阀室放气，相邻的韩楼阀室可以收到明显的信号，更远处的后刘家阀室也可以看到对应的信号。
聊城放气4次，时间分别是：19：04，19：10，19：15，19：30。
图4.3.4中红色方框表示是同一次放气各个分站收到的信号情况，黑色框中的信号是宋耿落上游方向来的工况信号：

图4.3.2聊城放气信号图
从波形可以看出，在聊城站放气，相邻的阀室可以收到明显的信号，而且远处的韩楼阀室甚至宋耿落阀室也可以收到信号。
4.4 运行期间的例行测试
从2012年7月开始，陆续对榆济天然气管线的次声波泄漏检测系统进行不定期的测试。截止到2012年10月17日放气试验的误差统计：共放气24次，平均误差为19.7米，最大误差为44米
4.5 系统应用情况
【案例一】2012年7月2日聊城站与郭庄阀室之间，距聊城站12km处，此处一段主管线由直线型整改为U型线，通过河流底部。整改的管线两端分别安装阀门，在上游阀门开孔操作时，次声波泄漏检测系统检测到了明显的信号，如右图所示有3次信号过程。时间分别是13:15、13:44、13:53。
系统对此做了及时准确的定位报警。波形界面如图4.5.1所示

图4.5.1 报警界面图
聊城站与郭庄阀室之间操作信号的手动辅助定位的结果如图4.5.2所示。

图4.5.2 定位结果图
【案例二】2012年6月10号，宋耿落分站系统，韩楼分站系统，后刘家阀室先后收到信号，从图形上看信号来自宋耿落阀室上游，不在分站检测的范围内，不能定位，只能定性的分析在宋耿落方向。经过分析得知宋耿落上游某个阀室因故障阀门突然关闭，之后阀门又打开工作，分站系统均收到波形信号如下图4.5.4，图4.5.5。

图4.5.4分站原始次声波形图
从图中可以看出：宋耿落、韩楼、后刘家三处均有明显信号；聊城的8阶小波也能看到信号，信噪比不是很好，郭庄看不到信号。

图4.5.5 分站8阶小波分解波形
12：58左右，旁通打开；13:22左右，阀门打开，宋耿落、韩楼、后刘家三处均有明显信号；聊城因噪声较大，信号不明显；郭庄看不到信号。阀门打开一段时间后，能看到一段较明显的波动，疑似关闭旁通，图4.5.6和图4.5.7分别是五个分站的原始图形和8截小波分解图，图形中能明显的观察到次声波变化的信号。

图4.6.5个分站原始次声

图4.7. 5个分站8阶小波分解波形

阀室关闭和打开，本系统都能收到信号，虽然阀室动作发生不在检测系统的检测范围之内，本系统仍然能定性的给出发生的方位，如果阀室关闭的地点在系统检测范围内，将会精确判断故障阀室位置，为阀室管理提供依据。
五 研究结论
榆济天然气管道次声波管道泄漏检测系统，经过2年研发及实践，于2011年12月在榆济天然气管道宋耿落阀室至郭庄阀室段成功安装。经过多次放气试验、数月的现场工况数据采集和分析管理软件的不断完善，目前系统已稳定运行。期间，使用单位多次进行放气测试试验，次声波泄漏检测系统均能成功检测并且定位。
7月下旬开始，陆续对榆济天然气管线的次声波泄漏检测系统进行不定期的测试。通过每次阶段性的试验，我们多次改进数据算法、提高了泄漏定位的可靠性和和准确性。从系统的安装和运行的情况来看，系统已达到预定的各项指标要求。该次声波泄漏检测系统具有以下特点：
1、系统采用次声波检测的技术手段，检测灵敏度与管道发生泄漏时的泄漏量无直接关系，与泄漏孔径和泄漏前的压力有关系，即与管道发生泄漏时产生的声波声强有关系，因此系统反应灵敏。
2、次声波系统通过泄漏信号到达上下游传感器的时间实现定位，信号时间通过GPS精确校时，因此泄漏定位更准确。对发生管道盗气、泄漏事故的抢维修工作可提供准确的依据。
4、榆济管道上的次声波管道泄漏检测系统，安装了五个分站系统，依次是宋耿落、韩楼、后刘家、聊城和郭庄，分站数量的增加，为提高报警定位精度提供了数据基础，我们根据阀室的实际情况，设计了新的仿真测试软件，用于数据处理和定位报警逻辑模块的测试和调试。
5、两次意外事故均能准确报警，U型管改造和阀室关闭。
6、针对榆济天然气管道线路较长，分站多，待处理数据量大的特点，优化了报警逻辑处理模块，提高了对多个分站收到信号的处理的速度和处理大量数据的能力。
7、测试结果表明，系统报警的平均误差为21.6米，最大误差为45米，均在50米范围以内，从系统的安装和运行的情况来看，系统已达到合同的各项指标要求。
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