（油气储运工程专业论文）长输管道智能防腐防盗监控系统的开发.pdf

第1 章绪论 d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n ta n t i s e p t i ca n d a n t i - t h e f t m o n i t o r i n gs y s t e mf o rl o n g d i s t a n c ep i p e l i n e y a n gz h a n p i n ( s t o r a g e & t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h el i m i n a b s t r a c t t h ep a p e rp r e s e n t san e wi n v e n t i o nu s e df o ra n t it h e f to fo i lt r a n s p o r t a t i o np i p e l i n eb ya l li n t e l l i g e n t m o n i t o r i n gs y s t e m a c c u r a t ep o s i t i o nc a nb ed e t e r m i n e db y 吣i i l gap a r a l l e lr e s i s t a n tc i r c u l a t et h a ti s s a n d w i c h e db e t w e e np l a s t i cb a n d s ，a n dt h e s eb a n d sa r eu s e dt ow r a pt h ep i p eo ra l l o c a t e da r o u n dt h ep i p e t h i st e c h n i q u ei sd i f f e r e n tf r o mw h i c hi so f t e nu s e dn o w a d a y s i tc a ns e n s et h eu l e g a lo i lt h e f ta c t i v i t i e s ， b u tn o ts e n s i t i v et ou s u a la c t i v i t i e s t h e r e f o r e ，n e a r l yn om i s i n f o r m a t i o no rm i s s e da l a r m i n gt a k e sp l a c ei n i t sa p p l i c a t i o n am a t h e m a t i cm o d e lf o rp o s i t i o n i n gw a sc r e a t e df o rt h ei n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do nt h e e x t e n s i v ea n a l y s i so nv a r i o u sd i s t u r b a n c ef a c t o r s , a ne f f e c t i v es o l u t i o nw a sp r o m o t e da n dt h ek e yp r o d u c t s _ r e v o l v i n gw i r es a n d w i c h e dp l a s t i cb a n d ( r w s p b ) a n dd a t at e r m i n a l sa n di t ss o f t w a r ef o rn e t w o r k m o n i t o r i n gs y s t e mw e r ed e s i g n e d t w op o s s i b l ep r o g r a m sf o rp r a c t i c ea r ep r e s e n t e db a s e do i lt h e 呻o n t h em a n u f 帆i ns i t ei n s t a l l a t i o n , p r o d u c t i o na n dm a i n t e n a n c e t h et e c h n i q u eh a sb e e nw i d e l yu s e da tp r e s e n ti ti sp r o v e dt h a tt h er w s p bh a sah i g h e r a n t i c o r r o s i o na n da n t i - t h e f tp e r f o r m a n c et h a nt h en s l | a l l yu s e dp l a s t i cb a n d t h ep r o d u c th a st h ef o l l o w i n g f e a t u r e ss u c ha sp r o m p ta t a r m i n g , a c c u r a t ep o s i t i o n i n g , a d v a n c e dp r e v e n t i o n , n om i s s e da l a r m i n g e a s y i n s t a l l a t i o n , h i 曲r e l i a b i l i t ya n ds oo i lp o s i t i o n i n gp r e c i s i o ni sl e s st h a n1 0 0m e t e r s , a n dm a yl e s st h a n3 0 m e t e r si nt h ef u t u r e i th a sb e e np r o v e dt h a tt h i st e c h n i q u ei st h eb e s to n ei nt h ed o m a i na tp r e s e n t t h i sp r o d u c ti n t e g r a t e sm a n ya d v a n c e dt e c h n i q u e si n c l u d i n gc o m p o s i t em a t e r i a l s , a n t i c o r r o s i o no f p i p e l i n e , n e t w o r k , i n f o r m a t i o n , g p s ，e t c ，f e a t u r e dw i t ha d v a n c e dp r e v e n t i o n , v i s i b l eg i sg e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o n , p r e c i s i o ns a t e l l i t ep o s i t i o n i n g , a n dn e t w o r km o n i t o r i n g t h ea c h i e v e m e n tf i l l sm a n yb l a n k si n p i p e l i n ea n t i t h e f ta r e a , a n di so fg r e a t s i g n i f i c a n c 蟹i np i p e l i n ep r o t e c t i o n i t sa n t i - t h e f tm e c h a n i s m , c o n s t r u c t i o na n da p p l i c a t i o nd e s i g na r eb r a n dn e wi nc h i n a , a n dt h ea n t i - t h e f tm o n i t o r i n gt e c h n i q u ei st h e m o s ta d v a n c e d ei nt h ew o r l d k e yw o r d s ：p i p e l i n e ，a n t i = t h e f tm o n i t o r i n g ，a n t i c o r r o s i o n , a u t o m a t i o n n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：疡仑易 日期： 年月 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 日期： 日期： 年月日 年月日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题开发背景 第1 章绪论 管道运输以其安全、经济、快捷的运输特点，近年来在我国得到重视并不断发展。 发展管道运输业对于石油石化企业进一步优化内部原油资源配置、加快国外原油资源的 利用、降低经营成本、参与国际竞争、改善国民经济运行质量都具有极为重要的意义。 中石化管道储运分公司按照“利用两种资源，三种接转原油 ( 即利用国内、国外两种 资源，从海上、陆上接转进口原油，接转陆上国内原油) 的方针，确立以石油输送管网 为管道运输发展目标，不断优化和完善石化管道运输管网。 目前，影响管输生产安全最大的问题就是打孔盗油，打孔盗油造成的破坏作用缩减 了管道使用寿命。表1 1 【l j 列出了中石化管道储运分公司2 0 0 6 年被打孔盗油导致的各种 经济损失。 表1 - 1 打孔盗油导致的经济损失 t a b l e1 - 1e c o n o m yl o s i n go ft h ei l l e g a lo nt h e f ta c t i v i t i e s 管道打孔盗油及损失情况 时间 泄漏原油造成管道 直接经济间接经济 打孔盗油 ( 月份)( 估算)停输损失 损失 数( 次) ( 吨)( 小时)( 万元) ( 万元) 11 5 21 2 7 4 52 9 9 2 93 5 6 6 26 1 2 29 59 6 51 9 1 - 3 72 2 7 4 53 5 3 5 39 09 9 31 6 9 1 32 2 5 6 43 2 5 41 0 28 8 0 l2 0 8 22 3 7 8 74 0 0 5 5 1 1 21 7 42 1 0 7 2 8 7 2 74 0 5 5 68 45 01 9 01 9 3 7 22 9 7 7l l l1 2 4 51 9 0 7 9 2 6 7 63 7 5 89 83 8 43 3 1 2 32 9 3 1 93 8 3 5 99 51 31 7 7 7 92 1 0 7 63 1 2 5 1 01 0 21 2 91 7 9 3 l2 5 7 5 4 3 1 7 l l8 72 71 7 9 0 7 2 1 5 5 23 4 8 1 26 82 51 5 0 9 21 5 2 2 22 8 3 5 合计1 1 9 61 3 3 7 7 62 4 7 7 82 9 2 5 44 4 1 3 第1 章绪论 打孔盗油不仅仅给国民经济带来损失，而且还会大大地降低管线的运行寿命、造成 大面积的环境污染。各研究机构投入了大量的人力物力研究开发反打技防措施。 1 2 国内外技术发展现状 目前管道防盗技术可分为两大类型。一种是泄露后报警，即针对管道发生破坏后产 生泄漏的检测，它只有在破坏发生后才能检测到，不能提早报警，只能最大限度地降低 损失；另一种就是开孔前预警，即针对正在进行的破坏活动进行行为检测，它可以在未 产生破坏和造成事故之前进行预警，可以更好地抑制事件的发展。当前所用到的方法有 以下几种： 1 2 1 泄漏后检测报警技术 泄漏后检测是目前该领域的主流技术，它以泄漏时产生的信号为研究对象，只能在 破坏发生后才能检测到，无法及早发现事故，因此即使发现打孔盗油活动也会造成一定 损失。 ( 1 ) 放射物监测法【2 1 该方法是在管道物流中加入放射性物质，检测泄油后放射性物质在土壤中的存量的 一种“示踪检测法 。该方法操作周期长，有环境污染，现基本不用。 ( 2 ) 电缆检测法【3 】 该方法是利用油溶性电缆、渗透性电缆、分布式传感器电缆与管道平行铺设，当泄 漏的物质渗入电缆后，引起电缆特性的变化，触发串联式定位监测电路启动进行定位监 测。该方法检测精度较高，但易出现漏报和系统失灵问题。若盗油分子盗油时不产生泄 漏，系统就不报警；若监控电缆前段出现断路，系统就会失灵。 ( 3 ) 光纤检漏法【4 】 该方法是一种利用光纤代替电缆，用光电回路进行泄漏后检测的方法。该方法与电 缆检测法原理相同，灵敏度较高，除具有电缆检漏法固有的缺点外，还具有连续使用性 较低，损坏后难以修复的缺点。 ( 4 ) 质量平衡法嘲 该方法是一种用流量差进行分析的泄漏后检测方法。该方法检测时间长，智能报警 不能定位，一般与负压力波法配合使用。 ( 5 ) 流量或负压力波法网 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 当泄漏发生时，泄漏处立即产生因流体物质损失而引起的局部液体密度减小并出现 瞬时压力降低和速度差，这个瞬时的压力下降，作用在流体介质上，就会作为减压波源， 通过管线和流体介质向泄漏点的上下游以声速传播。当以泄漏前的压力作为参考标准 时，泄漏时产生的减压波就称为负压波，其传播的速度在不同规格管线中并不相同，在 原油中约为1 2 0 0 m s 。设置在泄漏点两端或泵站两端的传感器拾取压力波信号，根据两 端拾取压力波的梯度特征和压力变化率的时间差，利用信号相关处理方法就可以确定泄 漏程度和泄漏位置。负压波法是目前国际上应用较多的管线泄漏检测和漏点定位方法。 如何识别泄漏引发的负压波是提高负压波法检测准确性和灵敏度的关键技术之一。 针对泄漏时压力传播现象的某些特征，可以采取适当的处理方法。对于既定的输油管线， 原油的物理性质( 密度、容积弹性系数) 已知，则可确定压力波的传播速度，测出压力 波即可推算出泄漏位置。泄漏所引起的压力波与人为的开关阀或启停泵时所产生的压力 变化截然不同，根据压力波动的情况能比较容易判断出是否泄漏。 在管线两端分别安装高灵敏度压力传感器p 1 和p 2 ，通过计算机数据采集系统采集 两端的压力，并进行数据处理与分析，如压力波形的时间对齐、干扰噪声的排除、泄漏 点的判断等。当两压力点间某一点发生泄漏时，必然会引起两端压力的降低，压力降幅 与泄漏量相关，泄漏量越大，压力降越大。 旦 一 图1 - 1 负压波法管线泄露探测示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mm i n u sp r e s sw a v ep i p e l i n el e a ke x p l o r e 根据图1 1 所示，有下式成立： 3 第1 章绪论 式中， j l 一生二苎：& c v oc + v o x = l l ( c 一1 ，o ) + 。2 一诟) 址】 ( 1 - 2 ) 由于液体压力波传播速度接近1 2 0 0 m s ，而液体正常流速在1 5 m s 一- 3 m s 间，因此 公式中的1 i d 可以忽略不计，则式( 1 - 2 ) 可以简化为： x = 丢( 三协m ( 1 3 ) 式中，x 泄漏点距出站点距离；l 管线总长度；c 掖体声速：1 o 液体流速； r = f l 一乞， ，乞为两端压力变化初波到达时刻。 所以，压力波法的硬件技术关键是高灵敏度压力传感器的选型与研制，常规压力传 感器不能完成对于泄漏产生的微小( 分辨率o 0 0 0 1 m p a ) 负压波动。同时由于所输送的 油气和管线吸收能量，使得负压波振荡的物理参量特征减弱。泵机组的运行交变压力噪 声、调节阀门时压力的瞬间变化和管线沿线输送油气进出管线时产生压力变化等因素给 采集泄漏信号造成很多困难。另外，负压波传播到两端点的时间差决定泄漏定位的精度， 因此要求数据的采样速率高，数据量大。 目前，研究的主要方向是：( 1 ) 将负压力波和流量差法结合使用，以提高报警的精 度；( 2 ) 利用模糊数学建立监控模型忉，使系统学习和掌握管线的特性，并根据管线特 性自建报警及定位参数，使系统具有自适应功能。 从使用效果上来看，该技术仍然未能解决其固有的缺陷。比如，报警不及时、定位 精度受输送介质物性、仪表系统误差、时间误差的影响过大，并易于被盗油分子掌握规 律，常常发生漏报或定位偏差较大的情况。 1 2 2 泄漏前检测预警技术 ( 1 ) 主动红外探测嘲 该方法是靠入侵者在红外发射机及接收机之间所产生的红外光束能量损耗启动报 警。该技术不适合于长输管线，在环境多变的野外，易被欺骗，有较高的可偷盗性。 ( 2 ) 泄漏电缆技术嗍 由两根埋藏的泄漏电缆组成，一根用于发射能量，另一根用于接收能量，形成耦合 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 磁场。当有人进入时，干扰了耦合磁场，使电磁波能量发生变化，再经过信号处理及远 程信号输送，启动报警。该技术由于最长监控段为1 0 0 m ，电能消耗较高，不可能用于 无法取电的长输管道。 ( 3 ) 磁场感应传感器电缆探测( 传感网探测技术) 0 0 ! 将传感器电缆以独特的环状布线方式埋入地下，形成一环形电缆网。在环形电缆网 周围一定范围内，磁力线是连续的，磁通量是固定的，磁场是稳定的。这个立体空间就 是传感电缆的探测场。当入侵者进入该空间时，会造成环形电缆网范围内的磁场磁通量 的变化，并由此在环路中产生微弱电流，经环路放大器的探测、放大及处理而产生报警 信号。该技术误报率较高，而且成本极高。 ( 4 ) 磁感应式震动电缆探测技术i l i 】 利用一种特制的电缆，在电缆的护套内，上、下两部分由军用磁性粉末材料制成， 并用两根绝缘的导线加以支撑和分离，使得两个磁性体中间留出一个缝隙，形成了一个 永久的固定磁场，缝隙中自由放置一根裸铜线。将这种电缆管线平行铺设，当电缆感受 到震动时，裸铜线的运动切割磁力线，使得固定的磁通量发生变化，从而在绝缘线中产 生微小的感应电流，通过检测该电流来启动报警。该技术的构思很好，但难于把握感应 电流的起因，所以误报率高。 ( 5 ) 光纤震动探测技术 光栅光缆能够在震动情况下，使光纤芯折射率发生变化，进而影响到光通量的变化， 从而产生感应的电信号传给数字信号处理器，通过分析该信号，处理器能够判定是否有 入侵者在管线上挖土。这项技术是在借鉴了以色列m a g a l 公司的i n t e l l i f i b e r t l 2 】光纤围 栏防盗监控的技术原理上发展起来的，问题是m a g a l 公司用于围栏防护的最大范围是： 1 0 0 0 m 光纤监控单元，将其移植到管线监控上，就存在着微弱的光通量变化在长距离 的传输中被完全湮没的可能。该技术目前还停留在对光通量微弱变化检测分析的实验室 阶段。到目前为止，还未见其应用情况的报道。 从应用角度上来讲，采用光纤方法总是存在着一个问题。因为传感光纤不能远离管 线，一般埋于距管线中心线3 0 0 r a m 的地方，很容易被盗油分子挖断，而且一旦被挖断， 光通路就会被切断，整个系统将陷入瘫痪，光纤的修复十分困难。盗油分子只要将光纤 挖断，就可以在其它地方肆意盗油。 ( 6 ) 地震探测仪技术【1 3 】 5 第1 章绪论 将地震传感器( s e n s o ru n i t ) 每隔2 0 0 - - 3 0 0 m 埋在地下，一般距地面0 5 m 深，在北 部极寒冷的地区及中部热带地区，应埋至冰冻层以下，避免受地面温度变化影响。传感 器可以在管线上部也可在管线周围1 0 1 n 以内安装，每个传感器自身有一个m 号。由传 感器将报警信息以无线方式传送给值班人员，它的技术性在于地震传感器具有各向异性 特征，利用这一特征可以将管子两侧一定区域外的信号滤除，从而将误报率降到最低。 但地震传感器价格较高，而且每2 0 0 - - 3 0 0 m 埋设一套( 4 个) ，即1 0 个l ，并用 无线传输方式传送信号，这就要求在管线上每间隔2 0 0 3 0 0 m 埋设一套g p r s 及其天线 辅助系统，这对于管线的管理十分不利。 ( 7 ) 应力波声波探测技术 崔中兴、李文等【1 4 】描述了一种利用声波振动探头接在管线外壁上，听侦盗油分子开 孔时产生的声波或应力波，从而实施管道防盗定位监控的方法。这种方法在中原油田应 用，取得了较好的效果。2 0 0 6 年中石化管道储运分公司在潍坊处4 k m 长的管线上进行 该项目安装试用，结果由于螺纹管螺纹焊缝的影响，声波在未及探头之前就迅速衰减掉 了，使得无法探测到开孔的声音。 ( 8 ) 管道雷达预警测漏技术 刘海涛等 1 5 】提出了一种利用雷达原理向管线发射一种高频脉冲信号，通过该高频信 号遇到管线开孔时产生的反射波来进行盗油点定位的方法。存在以下几方面问题：高 频脉冲信号是否只沿管线行走而不流入地层土壤中? 用于管道防腐层检漏的地面检漏 技术也是向管道上发射高频脉冲信号，这种信号遇到防腐层破损的地方就会流入地下， 那么文中所提的高频脉冲信号与管线防腐层检漏用的高频脉冲信号是否有本质上的区 别? 雷达是指发射和接收合一的一种装置，当它所发射的电磁波遇到障碍物时，要产 生频率的变化，并发生反射，称为多普勒效应。文中所提到的高频脉冲信号遇到管道上 的焊缝( 螺旋焊缝和直焊缝) 时都将产生多普勒反射谐波，那么，雷达是否能判断和分 析这些波的出处? 目前世界各国出于军事需要，在探地雷达研究方面十分活跃，由于 地矿磁场的影响，1 6 0 m 探测深度已是国际领先水平，在长输管线上应用雷达技术是否 也要考虑地矿磁场的影响7 ( 9 ) 分布式光纤探测技术 意大利a x e lt e l e c o m 通讯公司【1 6 1 2 0 0 3 年开发了一种利用普通的通讯光纤( 即分 布式光纤) 进行管道防盗监控的技术，是目前光纤防盗开发领域中最引人注目的一项新 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 技术。管道安全自动化系统有限公司1 1 羽引进了该项技术。但到目前为止未见该项技术应 用情况的报道。文献【1 9 1 对利用分布式光纤进行沿线温度及轴向应变监控的国内外发展情 况进行了综述。其监控原理是：布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温 度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率 的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向自然 布里渊散射光的频率漂移量就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息b o t d r 的应 变测量原理如图l - 2 所示。 图l - 2 分布式光纤b o t d 剐翌变测试原理示意图 f 喀1 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a md i s t r i b u t e df i b r eb o t d rs t r a i nt e s tt h e o r y 为了得到光纤沿线的应变分布，b o t d r 需要得到光纤沿线的布里渊散射光谱，也 就是要得到光纤沿线的分布。b o t d r 的测量原理与o t d r ( o p t i c a lt i m e - d o m a i n r e f l e e t o m e t e r ) 技术类似，脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射，入射的脉冲光与光 纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射，其中的背向布里渊散射光沿光纤原路 返回到脉冲光的入射端，进入b o t d r 的受光部和信号处理单元，经过一系列复杂的信 号处理可以得到光纤沿线的布里渊背散光的功率分布，如图1 - 2 ( b ) 所示。发生散射的 位置至脉冲光的入射端，即至b o t d r 的距离z 可以通过计算得到。之后按照上述的方 法按一定间隔改变入射光的频率反复测量，就可以获得光纤上每个采样点的布里渊散射 光的频谱图。如图1 - 2 ( c ) 所示，理论上布里渊背散光谱为洛伦兹形，其峰值功率所对 应的频率即是布里渊频移。如果光纤受到轴向拉伸，拉伸段光纤的布里渊频移就要发生 改变，通过频移的变化量与光纤的应变之间的线性关系就可以得到应变量。该技术的应 用情况取决于是否能够对盗油分子小心翼翼的挖坑行为有足够的感知。 7 第1 章绪论 ( 1 0 ) 微波探测技术 文献 2 0 l 介绍了一种利用微波的能量场来进行1 8 0 m x l 2 m 范围内的无缝隙监控技术。 这项技术是由以色列麦高公司开发的。它是在要监控的地段两端各支架一个微波探头 ( 一个是发射器，另一个是接收器) 。相距最大1 8 0 米，相距越大，则能量场的宽度就 越宽。场中的树木在风力较小时，相对于能量场处于静态，不会引发报警。微波探头经 调制后，形成能量场。当有人进入能量场时，微波能量场的平衡被破坏，引发报警。报 警信号可以通过无线传输的各种形式传递给监护人员。 这项技术对于获得情报的重点管段代替人进行“蹲坑 监控是较有价值的。可以利 用这项技术建立一套移动式无人看护的“蹲坑力工作站系统。按照厂家提供的技术指标， 一对探头耗电功率为1 2 w ，工作电压1 2 v d c ，总工作电流1 0 0 m a ，一套8 0 a h 的电池 可以连续工作6 0 天以上。但这项技术不适于长距离的监控。 从上述的调研中可以看出，管道监控技术分泄漏后报警技术和开孔前预警技术两 种。其中泄漏后报警从管道防护角度来说已不符合管道安全生产的要求，而且，其报警 滞后、定位不准、被盗油分子掌握规律等弱点已被生产实践所证明，不是未来发展的主 流。开孔前预警技术是2 l 世纪发展起来的技术。国内外研究开发十分活跃。归纳起来 主要分为场式监控( 比如：红外、微波、磁场感应电缆、泄漏电缆等技术) 和感知监控 ( 光纤振动、分布式光缆、磁感应振动电缆、声波探测、地震仪监控等技术) 。场式监 控重在监控人的进入，感知监控重在监控人的行为，场式监控只能用于短时间的小范围 内的监控，感知监控可以用于长距离的长时间不问断的监控。但是感知监控由于种种技 术上的限制，到目前还未有在管道上成功应用的报道。这就说明定位感知监控思路存在 一些根本性的缺陷。他们都有如下共同点： ( 1 ) 为了能够准确地感知到盗油事件，离发生地点越近越好； ( 2 ) 需要具有较好的隐蔽性以保护自身不被破坏； ( 3 ) 一旦自身被破坏，难于有效修复； ( 4 ) 均不能直接感知盗油分子的行为，只能感知外界的作用对管道或对大地产生 的间接影响。 从逻辑上讲，( 1 ) 和( 2 ) 是相互矛盾的，而产生这一矛盾的原因就在于( 3 ) ，所 以( 3 ) 是这类技术的致命弱点。第( 4 ) 点决定了这些感知监控技术不可能达到无误报、 无漏报的技术要求。因为这些间接的影响是否能被感知到，不仅取决于技术本身，还取 决于盗油分子的防范措施。从逻辑上讲盗油分子的行为不被系统感知到是完全可能的。 8 中用石油大学( 华东) 硕士学位论文 正是由于这种间接的感知方式，系统难以分辨外界作用的属性，容易误报和漏报。使得 这些技术在实际应用中受到了各种各样的技术限制，以致不能获得良好的效果。 1 3 智能防腐防盗预警监控技术的定位 l3 1 技术开发思路的定位 由于现有预警技术存在着“怕自身被破坏和不能直接感知”两项弱点，因此需要从 这两项入手，开发一种不怕自身遭遇破坏并能直接感知自身被破坏的预警型监控技术。 本项目研究的“智能防腐防盗监控系统”是这样的一种技术，它具有不怕破坏、不 破坏不感知的特性。当盗油分子欲在受控的管段上打孔盗油时，无法预知遁形的感应带 埋在何处，更无法避开，一旦触及或者碰断管道防腐层内的传感丝就引发报警，而且系 统修复方便快捷。“智能防腐防盗监控系统”对盗油分子的行为是直接感知的。它发出 的一切报警都是真实可靠的。“智能防腐肪盗监控系统”有两道“护城墙”，管道上方的 土层内一道，管线上一道。传感丝密布于遁形在土层内的感应带和缠绕在管线上的防腐 夹丝胶带之中，细如游丝。在传感丝的上方复合有玻璃丝布，不切断传感丝，实现“紧 线变松线”是不可能的。打孔盗油是一种对国家石油设施的破坏行为口“。只要把监控系 统研究好，使用好，就可以达到减少甚至杜绝盗油行为的目的。 “智能防腐防盗监控系统”就是在这样的思想指导下开发出来的。在临济管线临邑 段首次采用后，打孔盗油数量大幅度地减少成效显著。 1 32 智能防腐防盗预警监控技术的原理构思 圈1 - 3 监控线路与监控终端设鲁的连接示意田 地1 - 3s c h e m a t i c d i a g r a mo f t h e l i n k b e t m m m o n i t o r i n g “l t r y a n d m o n i t o r i n g t e r m i n a l u n i t 第1 章绪论 该系统整合了复合材料制造加工技术、管道冷缠胶带防腐技术、计算机网络技术、 信息技术、卫星定位技术等多项现代技术学科，采用前移度可调预警方式和可视化的卫 星精确定位g i s 地理信息定点方式报警。它由三个组成部分：智能监控线路( 由智能防 腐层或感应带和电阻节点构成) 、数据采集和传输终端设备、监控中心。如图1 3 2 2 所示。 图1 3 所形成的等效电路，如图l - 4 所示。在图1 3 的监控线路中，缠在管线上的 只相当于等效电路中的一根线，感应带是等效电路中的另一根线。这两根线构成了监控 线路。 ， + 一 l l ， ；： | | 1 。- 率l ；_ ： f 卜誊- iii - l卜心 一 i 量 矗n 1 工】e l l 。：3 21 “ y 图l - 4 电阻监控回路 f i g 1 - 4 r 髓i s t 曩n o ec o n t r o ll o o p 这种监控线路事实上就是由已知数量的电阻( 设并入的电阻个数= n ，电阻的阻值 砥) ，按照已知的坐标位置构成的并联电阻的电路。为简单起见，设每个电阻的阻值均 等于，各电阻之间的间距用l 表示，离监测站最近的电阻位号是l ，离监站最远的电 阻的位号是是刀，则： 被保护管段的总长。厶+ 厶+ 。“+ 厶 该管段的监测总电阻弓= r n ，r o = ，吗 当盗油分子在被保护管段的某一点上进行偷盗时，那他必须先破坏管道外的防腐层 并切断胶带才能达到管道，而该防腐层就是由夹有图1 3 所示监控线路的防腐胶带缠绕 成的。假设偷盗点处于位号为x 与x + l 的电阻之间，那么，切断胶带将使监控回路变成 下图两种情况中的一种： 情况1 ： l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 n i 1 或情况2 ： t 1蚍工 z 1 无论是上述中的哪种情况，与监控线路相连接的终端测出的总电阻已不是1 号到忍 号并联的总电阻，而应是1 号n x 号并联的节点电阻值，即： 监控的节点电阻疋= r x = n e t x ( 1 - 4 ) 则偷盗点的电阻位号x = ，吗疋， 显然：等效电路中各节点上的节点电阻均是可通过数学模型计算的并且由于电阻节 点的位号与它的坐标位置均在系统安装时被确定下来，并已输入到监控中心的电子地图 中，所以，就可以在监控中心的可视化电子地图中直观地反映出盗油的具体位置，实现 精确定位。 总体上讲就是终端采集到了预先埋设好的监控线路中的电阻值的变化，并对这一变 化进行确认，然后向监控中心发出报警信号并把采集到的数据一并发给监控中心。监控 中心收到终端的报警信息则发出报警，并根据终端报上来的阻值，到数据库中查找出对 应的电阻位号及坐标位置，这样就可实现对盗油地点的精确定位了。 1 4 项目概述 2 0 0 5 - 2 0 0 6 年，为提高管道防打孔盗油的预警监控能力，开发了智能防腐防盗监控 系统劂，并在临邑济南新建管线临邑段上试用成功，有效地遏制沿线区域不法分子猖 獗的盗油行为。从一年多来的运行情况来看，和其他的防盗报警监控技术相比，该系统 效果显著、实施方便、报警及时、预警前移量大、定位精确，是目前业内使用效果最好 并可满足长输管道反打孔工作要求的一项新技术。表1 2 给出了该系统与泄漏报警系统 在同一时间段，同一管线上应用效果的对比情况。 第1 章绪论 表1 2两种防盗监控技术在同一环境下的应用对比 t a b l e1 - 2a p p l yc o m p a r i s o nb e t w e e nt w oa n t i - t h e f tm o n i t o r i n gt e c h n i q u ea tt h es a m ec o n d i t i o n s 比较内容 临邑段0 6 k m )济阳段( 1 6 k m ) 使用的监控系统智能防腐防盗监控系统 泄压检漏监控系统 技术类型打孔前预警型放油后报警型 投油前发现栽阀事件1次0次 投油后盗油活动次数1 0 次( 截止2 0 0 7 8 31 ) 3 7 次( 投油后一个月) 盗油活动总次数1 1 次4 0 次以上 盗油未遂次数1 1 次0 次 打孔未遂次数9 次o 次 定位最大误差 1 0 0 m1 0 k m 定位及时性开始挖坑后不到1 0 分钟泄压后3 1 2 小时 跑油次数 o 次 2 次 环境污染 无 数十亩 智能防腐防盗监控系统的主要技术特点 2 2 1 是： ( 1 ) 以经典理论作为系统建立的技术依据该技术最核心部分( 监控线路及监控数据 库) 的设计是依据经典理论一欧姆定律而建立的，它巧妙地利用了欧姆定律中并联电 阻回路线路搭构简易、电性稳定、不易受到干扰、变化唯一、计算模型简单、监控持续 性强的特点，建立了一套可靠、实用、反应迅速、没有漏报和误报的防盗监控系统。这 是该系统有别于其他管道防盗技术最创新最突出的特点。 ( 2 ) 先进的预警型报警技术预警型报警技术是目前管道防盗油监控系统最急需的一 项重要技术，是保护管线所必需的技术指标。该系统可以在管线受损前至少3 0 分钟组 织力量快速到达出事现场，可以保护管道免遭破坏。 通过一年多系统运行证明，及时准确的预警对于保护管道、保护环境、保护居民安 全和保证储运系统的安全生产是至关重要的。 该系统是在盗油分子还未对管线造成任何伤害时就被及时准确地发现并将其驱走， 其意义不仅在于对盗油活动行为上的扼制，更是对盗油分子心理上造成的强大威慑。在 临济管线上，临邑段安装了矗智能防腐防盗监控系统一，济阳段安装了“泄压检漏报警 定位系统一。两套系统在管道建成后全部投用，使用效果相差很大，表l - 2 的结果充分 体现了“智能防腐防盗监控系统准确及时的预警功能所带来的明显效果。 ( 3 ) 报警及时性好通过临济管线近半年时间的实践证明，该系统对断线的反应十分 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 敏感。断线后，3 0 秒内就有异常反应，再经过9 0 秒的智能判别，2 分钟内就会产生报 警，并同时给予精确定位，这一点和其他同类技术有明显的不同。现用的其他技术，报 警及时性受盗油者放油流量和泄压量的影响很大，泄压大则报警快，定位准，泄压小则 报警慢，定位偏差大，甚至无反应。而智能防腐层监控系统不存在此类问题。 ( 4 ) 监控体系独立性好独立的监控体系大大降低了环境噪声的影响。该系统理论上 是一个与外界完全隔绝的独立体系。和其他技术相比，环境噪声影响大大减小，使得这 项技术具有十分明显的实用性优势。只要不切断传感丝，系统就不发出报警，而除了盗 油挖坑、盗油栽阀( 管道上焊接放油阀) ，其他行为造成传感丝断开的可能性很小。要达 到盗油的目的，就必须要挖坑、必须要破坏防腐层，因此就肯定会切断传感丝。所以， 该系统只对盗油活动反应敏感，对除此之外的其他田野活动不会产生把报警信号。 外界的干扰是多方面的，除了行人、车流、震动、田间作业、气候等常规影响之外， 还有地磁、地矿、雷电、高压磁场、杂散电流等电磁方面的影响，对于埋地管道来说， 还有阴极保护电流的特殊影响。对于这些电磁影响，通过在传感丝布线方面采用了反向 电流技术，使各类外界的电磁干扰互抵互消，对系统完全没有作用。而对于阴极保护电 流和杂散电流，系统通过采用“浮地一测量，使得这些与“地 相关的影响无法形成回 路，从而避免受其影响。 由于不受环境噪声影响的特点，系统投用至今，未发生过一次误报和漏报。 ( 5 ) 定位精度较高在智能防腐层监控系统建成后的所有测试及报警记录中，报警定 位误差均在2 个节点范围内，距离误差在1 0 0 m 范围内。这是所有现用技术中，定位精 度最高的一项技术。 ( 6 ) 防腐性能好与防腐层大修相结合，除具有防盗监控功能外，防腐性能经权威机 构测试及施工管理部门现场测试，均符合相关技术标准，在有些关键技术指标上高于相 关标准。和其他技术相比，智能防腐层监控系统不存在因管线开挖、青苗赔偿、地面设 施建设等引起的重复投资费用。 ( 7 ) 施工方便产品已将所有的感应丝预制于冷缠带中，施工时，只要注意管理，按 防腐层施工规范及厂家编制的施工技术说明书操作，所有的接线都是具有色标的接插 件，所以施工难度较小，施工效率较高。临济管线建设期间，智能防腐层安装进度为6 0 0 - 8 0 0 m 管长天。 ( 8 ) 维修方便精通线路原理的受训人员维修一处线路故障一般需要2 0 - 4 0 分钟。 ( 9 ) g i g 技术利用卫星定位系统和g i s 地理信息技术，在电子地图上标记出所有的 第1 章绪论 电阻节点、管道路由、管道周边的村、镇和公路。使数千公里的埋地管道清晰地展现在 计算机屏幕上。 当客户端接收到监控终端发出的报警信息时，客户端计算机将上报的电阻值数据自 动地与g i s 定位数据库中的电阻值相比较，找出中断节点，并把该节点的地理信息坐标 图示凸现在地图上，以此来精确定位盗油发生地点。 ( 1 0 ) 先进的网络技术先进的“网络传输 及“网络服务 技术构架了巨大的监控 网络平台。在中国移动无线传输网络( g s s n ) 上利用d t u 动态数据库的动态域名技术， 完成了管线上数据采集器与i n t e r n e t 网络服务器的绑定。实现了无线与有线、无线与无 线、手机信号传输与i n t e r n e t 网络的对接，构架出无地域和距离限制的网络监控平台， 真正实现了管道数字化“零距离 的实时监控。 1 5 本章小结 通过对国内外各种管道防盗监控技术的研究，尤其是对目前研究比较活跃的几项预 警型监控技术进行了认真的研究，发现预警监控技术分为两类，一是场型监控，另一是 感知型监控。场型监控监控的是人的进入，可用于短期的小范围内的监控，感知监控监 控的是人的行为，可用于长距离的监控。通过对这些技术的构成以及使用效果的认真调 查和思考，发现这些技术普遍存在两项弱点，由于这两项弱点的存在使得这些技术在使 用上受到了限制。因此，研究了预警型防盗监控技术的基础原理的定位问题。并开发出 技术思想、设计原理非常具有创新意义、在使用效果上成效十分显著的“智能防腐防盗 监控系统一。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章智能防腐防盗监控系统的基础研究 2 1 智能防腐防盗监控回路数学模型的建立 2 1 1 智能防腐防盗监控回路数学模型 上一章已经对智能防腐防盗监控系统的监控回路进行了详尽的描述。从图1 3 可以 看出，这种监控线路是通过缠在管线上的一根线与感应带上的另一根线之间定距定长 ( 主要以卫星定位的坐标为准) 地加并上已知数量和阻值的电阻元件( 设并入的电阻个 数= n ，电阻的阻值亍) 而构成的。这样设计的原理在于，通过测定监控线路端头电阻 值的变化，就能确定线断在第几个电阻节点上，实现了对断线位置的精确定位。 在不考虑线电阻影响的理想情况下，各节点的阻值变化符合( 1 - 4 ) 式，那是按照 图l - 4 的等效电路推导出的节点电阻计算公式。但是在实际中，传感丝的长度按照4 0 m m 的间距设计，几乎是管长的1 0 0 0 + 4 0 x 3 1 4 0 3 7 7 + 1 = 3 0 6 倍( 对西3 7 7 管线) ，这样，线 电阻的影响是绝对要给予考虑的。在考虑了线电阻之后，图1 3 的等效电路就应当如图 2 1 所示阱1 。 n n - l 口吃32i 卜监控回路中的并联电阻 r 监控回路中的线电阻 图2 - 1 考虑了线电阻影响后的监控回路的等效电路 f i g 2 - 1t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fm o n i t o r i n gl o o p sa f t e rh a v i n gc o n s i d e r e dt h e i n f l u e n c eo fl i n er e s i s t a n c e 节点电阻的计算模型即如图2 - 2 所示： 根据图2 2 的计算模型，利用欧姆定律推导出的并联监控回路各电阻节点电阻值的 计算模型是： b 民= ( 巩+ ，i + r 2 ) x 凡( + ，i + 吃+ r ) ( 2 - 1 ) 1 5 第2 章智能防腐防盗监控系统的基础研究 其中 巩第n 节点上的节点电阻； 引笫n 1 节点上的节点电阻： ，i ，眨分别是相邻节点之间两