埋地管道传热试验方案及管道泄漏检测技术讲解

埋地管道传热试验方案及管道泄漏检测技术于忠臣摘要:根据相似理论设计埋地管道传热试验，并模拟沙箱底部及顶部环境、热油及沙子含水情况，研究热油管道周围沙体的温度分布，以解决实际生产中所遇到的热油管道稳态输送与停输后的非稳态温降场的问题。该试验装置可以模拟管道在不同状态下的温度分布情况。综述了埋地管道泄漏监测与泄漏检测的各种无损检测技术，并讨论了各种方法的原理、适用范围、优点和缺点等。介绍的埋地管道泄漏监测技术包括流量平衡法、负压波法、声波法、实时瞬态模型(RTM)法、监控与数据采集(SCADA)法、激光光导纤维法和电缆传感法等，泄漏检测技术包括声波法、红外热成像法、激光扫描法和可燃气体敏感法等。关键词:埋地管道 试验 传热 泄漏监测 泄漏检测 声波1 实验方案1.1前言相似理论是指导模型试验和相似缩放的理论1。相似理论要求，彼此相似的现象必定是同类物理现象，即能用相同的微分方程描述，具有相同的相似准数。因此判断相似的条件应包括几何条件、物理条件、边界条件及时间条件。 二维非稳态导热微分方程为: 当两个非稳态传热现象的导热系数、比热熔、密度相同时，其相似条件为: 式中C时间比； Cl几何比。 即在热物性相同时，其时间比为几何比的平方。设定几何相似比为5:1，物性参数与实际情况相同，时间比是几何比的平方，对流与实际情况相同2。1.2试验本体的设计根据相似理论建立试验装置, 试验沙箱由钢板焊成, 左右矩形孔为通风孔, 前后圆孔为油管孔。沙箱底部外侧与循环水套接触。沙箱底部设有循环水空间, 内设蛇形倒流槽, 装置截面如图1所示。图1试验沙箱截面图1.2.1沙箱底部地下恒温层的模拟设计 沙漠油田现场深7.58m处自然地温年变化低于1。由于沙漠地貌差异，深8m处自然地温同样也有差异，因此根据现场实测自然地温为1113，可确定沙箱底部温控调节范围为11 13。 采用一套可控温的恒温水循环系统；在沙箱底部通入恒温水进行循环，保证沙箱的底部是一个恒温场。1.2.2沙箱顶部环境对流的模拟设计 1998年对沙漠油田气象参数连续一年进行监测，确定模拟沙箱顶部温控范围为-3030， 风速控制范围为03.2m/s。试验中对流与实际情况相同，环境对流的模拟采用一套空调系统，控制环境的温度和风速；对流系统采用封闭环路，安装除尘装置，风道进出试验沙箱口为3.8m0.1m，风道半径和拐弯均采用圆弧形，风机采用3台并联使用；在沙面布置固沙装置，以防止沙子被吹走，同时保持原有的温度场。根据现场季节不同，给定风速为02.8m/s。1.2.3 沙子含水的模拟设计 由于物性参数与实际情况相同，沙子取自塔中4油田现场,在沙箱底部布置渗水板，向沙箱内均匀渗水，调节沙子的含水率，以控制湿度。采用湿度传感器测量沙子的含水率。湿度传感器体积小，不影响温度场，密实度按均匀密度1400kg/m3处理。湿度传感器测量点与热电偶测量部分分开，设在右侧。号探头设在与油管水平0.1m处，号探头设在下边，与号探头垂直相距0.3m处，湿度测点位置见图2。图2 湿度测点位置图1.2.4 热管中原油的模拟设计 在实际生产中，多相混输停输后，输油管道的不同管段内将存有积液，持液率在0%100%之间，如在坡顶的管段中，持液率一般为0，而在坡谷处持液率为100%，在水平管段处为0%100%之间。因此，可以用试验管道的持液率来模拟试验管道停输后的积液状况。试验中，用满管原油在油管中形成稳定温度场后，再用同温的氮气替出定量原油，形成多相流。油管内的原油温度控制系统由PC机、A/D、D/A接口、可控硅装置组成。测温传感器采用热电阻。加热电阻丝的要求为，电阻丝两端用低电压;表面温度低于100。试验管段设计按模拟试验管道以5：1的比例缩小。在试验中，采用电加热管来加热管内原油，以便在油管周围形成稳定的温度场，这样就建立了管道停输的初始状态。1.2.5 热电偶的布置与安装 测量探针采用直径为5mm的塑料管和直径为0.3mm的一级铜(康铜热电偶)制作而成，探针长度可根据实际情况确定。制作探针时，先在塑料管的一侧每隔一定间距钻一直径为0.5mm的小孔，后将热电偶通过小孔用树脂胶固定在塑料管上。为保证热电偶与沙子接触良好，使热电偶头部稍露出管壁，并用树脂胶涂敷绝缘和密封。热电偶引线从塑料管的另一侧引出，固定在接线盒中，塑料管的另一端用堵头密封，这样就制成一个完整的探针，每根探针上的热电偶数一般为26个。试验装置的沙体中布置了48个温度测点，每8个热电偶作为一组。第一组设有1-1、1-2等3个温度测点；第二组设有2-1、2-2等4个温度测点；第三组设有3-1、3-2等7个温度测点；第四组设有4-1、4-2等7个温度测点；第五组设有5-1、5-2等7个温度测点；第六组设有6-1、6-2等7个温度测点；第七组设有7-1、7-2等7个温度测点；第八组设有8-1、8-2 等6个温度测点。实际测试中6-5测点损坏，各温度测点布置见图3。安装好探针后，测得在中部界面的水平和垂直误差均小于5mm，从而保证了探针上的热电偶与沙子接触良好。图3温度测点布置示意图2 埋地管道泄漏监测检测技术 对埋地管道泄漏的探测分为监测和检测两种。埋地管道泄漏监测主要是对管道从不漏到突然发生泄漏的过程的监测，一般是采用固定的装置对管道进行实时监测，一旦发生泄漏立即报警，使有关人员能够进行及时处理。其相应监测传感器和仪器设备一般在管道建设中已经安装好，其缺点是对已经产生的稳定的泄漏源无法检测到。根据传感器安装的具体部位，监测技术又分为内部和外部监测两种。 对管道泄漏的检测是从地上或外部定期进行,采用仪器从管道的外表面来发现泄漏点, 以采取堵漏措施。检测仪器设备一般采用移动式，其优点是无需事先安装固定的传感器和检测设备，对埋地管道不会产生任何破坏或影响其正常生产，对已经稳定的和新发生泄漏都可以进行识别。2.1埋地管道泄漏内监测技术362.1.1 流量平衡法 流量平衡法监测管道泄漏的原理为通过测量一段管道入口端与出口端的流量差来进行。在单位时间里, 入口端的流量可能与出口端的流量不等。没有泄漏发生时流量差满足下面公式式中Qin入口端流量 Qout出口端流量 dQm 流量测量的误差范围 dVs/dt 流量变化率 如果有泄漏发生, 则以上关系式将不成立, 即 流量平衡法又分为管道平衡法、补偿流量平衡法和质量平衡法。管道平衡法对于管内压力、温度和传输介质组成成分变化引起流量的变化不进行补偿；补偿流量平衡法则进行补偿。目前使用的多数属于有补偿的流量平衡法检漏系统。质量平衡法通过流量和比重计的数据可以方便实现。与其它检漏方法比较，流量平衡法的优点是可以发现微小泄漏。其缺点是对泄漏发生的反应慢和需要在每段管道的两端安装流量表，并且仅靠流量数据不能进行泄漏点定位。不过多数基于软件功能的流量平衡法检漏系统通过对压力数据进行分析可实现漏点定位。 目前美国Controlotron Corporation公司推出的1010LD检漏系统应用质量平衡法进行泄漏报警和漏点定位。适用管道长度为161km(100mile)，漏点定位精度为10m。2.1.2负压波法7 对于突发性泄漏事故，负压波检测方法得到了广泛应用。当管道发生泄漏时，由于管道内外的压差，泄漏点的流体迅速流失，压力下降。泄漏点两边的液体由于压差而向泄漏点补充。这一过程依次向上下游传递，相当于泄漏点处产生了以一定速度传播的负压力波。根据泄漏产生的负压波传播到上下游的时间差和管内压力波的传播速度以计算出泄漏点的位置。定位的原理见图1，L为管道长度, x为泄漏点，t1和t2为负压波传播到上下游站的时间。泄漏点的计算公式为 式中x 泄漏点距上游站测压点的距离 L 上、下游站间距 a 负压波的传播速度 t 上游站与下游站压力突变的时间差 可以看出，泄漏点的计算公式很简单。上式中，管道两站间的准确长度L可以从管道的设计图中得到。因此，精确确定负压波的传播速度a和负压波传播到上下游的时间差t是两项关键技术。负压波法是通过对管道压力变化的分析来进行泄漏判断的方法。该方法很大程度上取决于传感器的频响和灵敏度，因为在管道上的控制操作(如阀门的开启和关闭)也会产生高幅的压力波，泄漏产生的压力波会湮没在其中，因此信号处理和识别是该方法的一个重点，目前使用的有相关分析法、小波分析法和神经网络法等。不同的压力波分析法主要区别是探测和识别负压波的方法。有些识别负压波波形的上升沿, 有些是对全波形进行识别。该方法的优点是适用于液体介质的长输管道，泄漏率大的泄漏定位精度和灵敏度高。缺点是不适于微小泄漏和渗漏。 1996年10月，在胜利油田孤岛采油厂研制成功我国第一套原油集输管道泄漏检测系统。1998年1月，在中(原)洛(阳)线濮阳-滑县段研制成功我国第一套实用化的原油长输管道泄漏检测与定位系统，并取得显著的经济效益。目前，已在我国的3000多公里的长输管道上安装了国产原油管道泄漏检测与定位系统，取得了显著的经济效益和社会效益。2.1.3 声波法 声波法是20世纪80年代初从美国开始发展起来，目前在已在美国、澳大利亚和我国台湾地区得到应用。其检测原理是当输送管管壁破裂时，管内的流体瞬间自洞孔喷出，管内外压力差将会产生特定频率的声波信号，信号会沿上、下游的管线传送，利用信号到达管线上传感器的时间差，可计算出泄漏位置。 美国德克萨斯州的Acoustic System INC(ASI)公司已采用该技术20 多年，开发的Wave Alert 声波管道泄漏检测系统在上述国家和地区的22个压力管道工程上得到应用，该方法具有如下特点： (1) 能短时间探测出泄漏位置，探测气体介质管道3km约用15s，15km约50s，探测油管3km约10s，15km约20s，两探头间距最远达90km。 (2) 泄漏源定位精度为30m。 (3) 具有高灵敏度分辨率，在流体静止、马达泵浦启动、阀门开关时，可正常操作和监视。 (4) 泄漏1%正常流量时也可检测。 (5) 智能型数据采集器，可以自动过滤周围环境噪音, 使误报率降4次/a(年)2.1.4 实时瞬态模型(RTM)法RTM法是基于流体参数(流量、压力和温度)，并考虑了管道参数(长度、直径和厚度)和传输介质的参数(密度和粘度)进行建模。该方法利用动量守恒、能量守恒和大量的流体方程建立管道流体力学和水力学工作模型，对管道工作状态进行仿，通过将测量的数据和预制的管道工作模型比较即可确定漏点的位置和尺寸。实时瞬态模型法是目前埋地压力管道最灵敏、最复杂、成本最高的检漏方法。泄漏监测和定位只是该方法的部分功能。泄漏检测和定位分三步，首先根据管道入口端的压力传感器数据计算管道各处压力；然后根据管道出口端的压力传感器数据计算管道各处压力；再将计算出的两条管道压力曲线进行比较，其交点即为漏点位置。系统安装的传感器越多，准确性就越高。经过精心调整的模型能够区分系统故障、干扰或泄漏。2.1.5 监控与数据采集(SCADA)法SCADA系统是基于计算机的通讯系统，有管道运行参数的监视、处理、传输和显示的综合功能。系统可直接用于泄漏检测，需要沿管道布置分站装置，包括远距离终端设备RTUs(Romote Terminal Units)、可编程逻辑控制器PLCs(Programmable Logic Controllers)和其它电子测量设备。工作时从各分站实时收集管道运行数据，数据可通过微波、卫星或电缆传输。来自各分站的数据汇总到主终端设备MTU(Master Terminal Unit)，MTU 由一个或多个计算机组成，完成数据的存储、处理和显示，监控员可根据MTU提供的数据进行必要的操作。在不间断的数据循环收集中MTU依次和各分站RTUs联络，进行数据传输。因为泄漏判断的原始数据来自各分站，因此MTU和RTUs间的数据传输率会影响到泄漏检测的灵敏度。SCADA系统会在数据处理前对收集的数据进行有效性检查，事实上该种检查保证了系统的灵敏度和准确性。此外，SCADA 系统可能对预设工况自动做出响应，如在一定条件下开启或关闭阀门。其综合功能被工程界认为是目前最有前景的管道监测控制方法。该方法是近几年随计算机技术、现代控制理论和信息技术的发展而发展起来的具有广阔前景的新方法。其优点是泄漏报警准确，漏点定位精度高，并具有决策控制功能，缺点是要求管道模型准确，运算量大，成本高，需要大量的高精度的测量仪表、人员培训和系统维护。另外，为保证管道模型的准确，要针对每条管道的实际工况，进行大量的模拟仿真工作，其工程造价根据实际工况复杂程度不同，差异较大，但总体来说造价较高。目前Critical control Solutions Inc.公司推出的Leak Warn Classic系统，在静态或瞬态状况下具有良好的检漏能力。2.1.6 流量平衡法 流量平衡法是根据管道入口和出口流量的差值来判断管道是否发生了泄漏。该方法简单而且容易实现，但检测精度受到流量检测精度的限制，反应时间较长，不能对泄漏点进行定位。2.2 埋地管道泄漏外监测技术2.2.1 气体敏感法气体敏感法的原理是当埋地管道内的介质泄漏时，泄漏的气体会侵入周围土壤的空隙中， 放置在土壤中的气体采集器会收集到这些气体。示踪剂或化学指示剂会提示是否有监测的气体存在，从而进行泄漏报警和漏点定位。该方法的优点是泄漏报警准确，精度高，漏点定位准确，能发现微小渗漏；但缺点是需要沿管道密布气体采集器，成本高。在监测装置方面，FCI Environmental Inc.公司的AHP-100和DHP-100型碳氢化合物敏感器,能够在1min内检测到泄漏气味，对于1/1000浓度的气味检测精度为10%。气体敏感检漏系统的气味采集器布置间距为6.1m(20ft.)，每3.2 km(2mile)需建造分站，主站需要一台计算机和专用分析软件。2.2.2 激光光纤传感法 激光光纤传感法的检测原理为管道泄漏引起附近的光纤振动，最终通过激光干涉技术来探测引起光导纤维振动的部位，采用软件分析激光的变化特性从而确定压力管道泄漏的部位8。光导纤维振动监测传感器可根据需要来制备，长度可为060km。当光纤传感器受到物体运动(比如径向或轴向压缩、拉伸和弯曲等)或声信号(如应变波或声发射波)的扰动时，传感器的响应将是扰动引起光纤敏化部分的函数。目前制造传感器的响应频率范围为0.1Hz100kHz。光导纤维振动监测传感系统可与光导纤维通讯工程使用同一条光缆甚至同一根光导纤维，因此不需要专门铺设光缆。根据上述原理，澳大利亚FFT公司已经开发出专门用于压力管道的光纤管道安全监测系统。该系统终端硬件由位于控制室的一台工业PC计算机(PIII以上)、一个激光发射器和三个光电转换器组成。如采用光纤末端反射技术，只需要一台终端设备；如采用一端发射，另一端接受的模式，则需要两台终端设备。该系统需要三根光导纤维铺设于管道附近0.5m以内的区域内，如管道附近已有埋设好的通讯光缆，可直接将其中的三根光导纤维用于管道泄漏监测系统。如采用一台终端设备，该系统可直接监测60km长的管道，如采用一些光信号放大装置，可监测最长达350km的长度，如对更长距离的管道进行监测则需要在中间安装更多的终端设备。 该检测系统不仅可以检测燃气管道的泄漏, 而且还可以检测出第三方因施工等破坏管线的行为,并提出预警, 使工作人员可以及时采取措施, 防止危险行动进一步发生。由于该系统的传感器是光学器件，不受电磁干扰，因此该系统测试灵敏度较高，同时可使用现有直埋通信系统光缆进行检测，大大降低工程费用。但由于光速传播很快，泄漏点的定位精度是多少尚不清楚；不能区分人为产生的机械振动和管道泄漏引起的机械振动，易产生误报;埋地土壤环境和泄漏方向对检测灵敏度的影响也不清楚，目前该方法的工程应用案例较少。2.2.3 电缆传感法电缆传感法是将检测电缆埋设在管道附近，当电缆接触到泄漏的碳氢化合物时，对碳氢化合物敏感的电缆阻抗会发生变化，从而在漏点处反射电缆中传输的脉冲信号，通过对接收到的反射信号进行分析处理，可给出漏点的位置。该方法的优点是漏点定位精度高、软件的设置和维护简单，缺点是成本高，监测电缆线需要专门安装，而且目前该方法的工程应用案例较少。2.3 埋地管道泄漏检测技术2.3.1 声波法 声波法是当流体穿过管壁漏孔外泄时，会激发沿管道壁传输的声信号，贴装在管道外壁的声波传感器可监测到泄漏声信号的大小和位置。无泄漏时，声波传感器获得的是背景噪声信号，有泄漏时，可探测到低频泄漏声信号；如采用两个以上的传感器，通过相关分析即可对泄漏源进行定位。该方法可用一个钢制的杆状波导，一端深入地下和管道外壁接触，另一端贴装声信号传感器。其优点是检测速度快，成本低，环境适应性强。缺点是检测距离短，两个传感器的间距为100300m 。目前市售的检测仪有英国RADCOM公司的Soundsens多探头相关仪和德国SEBAKMT公司的Correlux多功能相关仪，但这些仪器主要适合水等液体介质的泄漏检测。最近，中国特种设备检测研究中心与北京声华新创科技有限公司共同研制出了适用于埋地管道气体泄漏点检测的专用仪器，在100m的间距内可以检测到2mm泄漏孔，在300m的间距内可以检测到5mm的泄漏孔。该仪器由数据采集模块、传感器、GPS天线、充电器、计算机通讯和数据处理软件以及笔记本电脑等部件构成。2.3.2 红外热成像法该技术是近年由美国OILTON公司开发的。是利用直升机吊装的一部精密红外摄像机沿管道行，通过判读输送油料与周围土壤的温度场确定是否有油料泄漏。利用光谱分析可检测出较小泄漏位置。该方法可用于长管道和微小泄漏的检测。埋地输气管道及其周围环境会向空中散发出不规则热辐射，经大气向空中传播，大气作为传输介质对辐射会有吸收和衰减作用，当输气管道发生泄漏时，漏出的气体(主要是甲烷)会对特定频率的红外辐射进行衰减，通过红外摄像，将其结果进行光谱分析，可以确定输气管道的泄漏。此种方法受周围环境的影响较大，对环境要求较高。2.3.3激光扫描泄漏检测法 前苏联天然气自动化设计部门研制出了在直升飞机上使用的激光甲烷气体分析仪，飞机沿输气管线飞行时，向输气管线上方发射一束激光束沿输气管道扫描，激光束经地面反射到直升飞机上的激光甲烷气体分析仪上，当输气管道发生泄漏并在管道上方形成甲烷云团时，甲烷云团会吸收激光束的某一频域的谱线，造成反射回激光甲烷气体分析仪该频域光谱的衰减，当该频域谱线的衰减超过一定阈值时，激光甲烷分析仪的指示器发出泄漏报警信号。该方法可以检测出较小的管道泄漏, 但该方法受环境和气候的影响, 其使用受到一定的限制。2.3.4 气体敏感法 该仪器为一般叫嗅敏仪便携式仪器，其检测探头为可燃气体传感器。检测时，检测人员携带仪器和传感器并紧贴地面沿管道移动，如空气中有超过设定浓度的可燃性气体，泄漏检测仪就会报警。采用该方法，一台仪器日检测管道达8km左右。目前市