基于主動瞬變流的天然氣管道泄漏檢測研究*

喬磊，王鵬

(中石油昆侖燃?xì)庥邢薰炯址止?，吉林長春 132000)

在天然氣管道運(yùn)行過程中，外部潮濕復(fù)雜的土壤環(huán)境和內(nèi)部酸性物質(zhì)均會導(dǎo)致管道發(fā)生腐蝕穿孔，天然氣泄漏對管道安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響[1-3]。管道長期埋在地下，發(fā)生泄漏后通過外部識別檢測較為困難，泄漏孔不易辨識、泄漏位置壓力變化不明顯等問題均會增大泄漏檢測的難度[4-8]。天然氣發(fā)生泄漏后會不斷向管道四周擴(kuò)散，不僅帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失，而且部分天然氣進(jìn)入密閉空間內(nèi)發(fā)生積聚，遇到火源可能發(fā)生爆炸，對管道、人員和周邊建筑物帶來了較大的安全隱患。因此，研究準(zhǔn)確可靠的天然氣管道泄漏定位方法對保障管道安全運(yùn)行具有重要意義[9-12]?，F(xiàn)場操作人員依據(jù)定位方法可定期對管道完整性進(jìn)行檢測，及時發(fā)現(xiàn)泄漏問題，確定泄漏位置并采取有效措施[12-16]。

筆者采用主動控制方法建立了瞬變流泄漏定位模型，對西氣東輸二線中孝潛線現(xiàn)場管道進(jìn)行泄漏模擬分析，評價了泄漏定位模型的預(yù)測精度。

1 瞬變流泄漏定位模型

在管道末端設(shè)置閥門等控制設(shè)施，主動控制閥門的開度和動作持續(xù)時間，使天然氣在管道內(nèi)由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗沧兞鲬B(tài)，采集管道某點的壓力信號得到壓力動態(tài)變化。對壓力信號劃分若干個周期，對周期內(nèi)的壓力作傅里葉變換，擬合分析各個諧波分量下的泄漏衰減率，從而對泄漏位置進(jìn)行定位。

首先，對天然氣流動參數(shù)進(jìn)行無量綱化處理，如式(1)至式(4)所示。

式中，H*為無量綱化處理后的壓頭；H為流體實際的壓頭，m；H0為穩(wěn)態(tài)下的參考壓頭，m；t0*為無量綱化處理后的起始時間；t為時間，s；L為控制閥門與壓力信號采集點之間的管道長度，m；a為壓力波在流體內(nèi)傳播的速率，m/s；x*為泄漏點在管道上的相對位置；x為泄漏點在管道上的具體位置，m；T*為無量綱化處理后的信號周期；T為管道固有周期，s。

對采集的壓力信號劃分周期并作傅里葉變換，壓力動態(tài)信號由若干個諧波分量疊加而成，諧波分量幅值的計算如式(5)所示。

式中，R為管道摩擦導(dǎo)致的壓力衰減系數(shù)；RnL為第n個諧波分量所產(chǎn)生的泄漏衰減系數(shù)；T*為無量綱化處理后的信號周期；為在第i個壓力周期內(nèi)第n個諧波分量的無量綱化幅值；En1為在第1個壓力周期內(nèi)第n個諧波分量的無量綱化幅值，如式(6)所示。***

式中，Cd為泄漏速率，m/s；AL為泄漏面積，m2；CdAL為管道泄漏量，m3/s；x*為泄漏點在管道上的相對位置；A為管道的橫截面積，m2；g為重力加速度，m/s2；H*為無量綱化處理后的壓頭。

第1個諧波分量和第2個諧波分量的衰減系數(shù)如式(8)、式(9)所示。

將式(8)、式(9)聯(lián)立計算得到式(10)，R1L和R2L為已知數(shù)，從而計算得到泄漏點在管道上的相對位置x*。

2 模型的建立與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

主動控制需在管道末端設(shè)置閥門，閥門的開度和動作持續(xù)的時間直接影響了壓力波的變化幅值、衰減率及周期變化，進(jìn)而影響泄漏定位的準(zhǔn)確度。主動檢測的根本原理是對天然氣瞬變流進(jìn)行分析，采用OLGA全動態(tài)多相流模擬軟件建立管道模型，以西氣東輸二線中孝潛線的某段管道為建模依據(jù)，管輸天然氣組分如表1所示。

表1 天然氣組分

管道長度為5 km，管道管徑為DN800 mm，輸氣流量為2.5×105m3/d，輸氣壓力為8 MPa，天然氣溫度為40 ℃，環(huán)境溫度為20 ℃，入口處設(shè)置流量節(jié)點，出口處設(shè)置壓力節(jié)點，管道末端設(shè)置球形閥門，在距離管道入口3 km處設(shè)置泄漏元件，用于模擬天然氣管道上的小孔泄漏?？刂魄蛐伍y門開度由80%減小至20%，模擬得到在管道不同位置處壓力信號隨時間的動態(tài)變化。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 閥門動作時間與泄漏定位的關(guān)系

管道長度為5 km，壓力波傳播速率為1 km/s，壓力波在管道內(nèi)的傳播周期為10 s。當(dāng)閥門動作時間小于5 s時，管道末端閥門產(chǎn)生的壓力波尚未傳播至管道入口處。當(dāng)閥門動作等于5 s時，壓力波恰好傳播至入口。當(dāng)閥門動作時間在5～10 s時，壓力波傳輸至入口后產(chǎn)生反射波，壓力波和反射波相互疊加。當(dāng)閥門動作時間大于10 s時，壓力波返回至出口處重新向入口方向反射。設(shè)置泄漏孔徑為10 mm，在第10 s時開始主動調(diào)節(jié)閥門開度由80%減小至20%，設(shè)置閥門動作時間分別為1，5，20 s，采集管道入口處壓力隨時間的波動變化，如圖1、圖2和圖3所示。

由圖1、圖2和圖3可見：隨著閥門動作時間的增加，壓力信號波動幅度降低。閥門1 s關(guān)閉和5 s關(guān)閉引起的壓力波動幅值比閥門20 s關(guān)閉引起的壓力波動幅值大。閥門在1 s和5 s完成關(guān)閉動作時，壓力波傳輸至管道入口處還未進(jìn)行反射，管道內(nèi)僅存在閥門動作產(chǎn)生的單一壓力信號，因而信號幅值明顯。閥門在20 s完成關(guān)閉動作時，壓力波信號傳輸至入口處反射回到閥門處，反射回來的壓力波再次反射傳輸至管道入口處，反射波與閥門關(guān)閉產(chǎn)生的壓力波相互疊加，對壓力信號幅值具有衰減作用，壓力波幅值大幅降低。相比1 s關(guān)閉閥門，20 s關(guān)閉閥門產(chǎn)生的壓力信號沒有明顯的周期變化，不易被分割成不同的周期，不利于數(shù)據(jù)的后期處理，增大了泄漏定位的計算誤差。與管道未泄漏情況相比，泄漏工況下壓力波動幅度更大。

圖1 閥門1 s關(guān)閉壓力動態(tài)波動

圖2 閥門5s關(guān)閉壓力動態(tài)波動

圖3 閥門20 s關(guān)閉壓力動態(tài)波動

對2種工況下的壓力變化進(jìn)行周期劃分并作傅里葉變換，篩選不同周期內(nèi)的諧波分量數(shù)據(jù)，進(jìn)而計算得到不同諧波分量的幅值。以周期作為橫坐標(biāo)，以幅值作為縱坐標(biāo)，可得到不同工況下周期-幅值擬合曲線，根據(jù)不同閥門動作時間下周期-幅值擬合曲線所對應(yīng)的方程，可得到各個諧波的衰減系數(shù)，如表2—4所示。

表2 1 s關(guān)閉閥門諧波的衰減率

表3 5 s關(guān)閉閥門諧波的衰減率

表4 20 s關(guān)閉閥門諧波的衰減率

其中，泄漏工況和未泄漏工況之間的差別僅為是否存在泄漏，兩者的衰減系數(shù)之差為泄漏衰減系數(shù)，根據(jù)式(10)確定泄漏位置。不同閥門動作時間下管道泄漏定位誤差見表5。

表5 不同閥門動作時間下管道泄漏定位誤差

由表5可見：隨著閥門關(guān)閉時間的增加，定位誤差隨之變大。閥門關(guān)閉時間為1 s時，泄漏定位誤差為2.56%；閥門關(guān)閉時間為20 s時，泄漏定位誤差為7.88%，誤差增大了近3倍。閥門動作時間較短時，壓力波未產(chǎn)生反射波，壓力信號周期變化明顯，易于確定周期之間的特征分割點，壓力波動數(shù)據(jù)清晰完整，有利于數(shù)據(jù)后期的傅里葉變換和曲線擬合，得到更為精確的衰減系數(shù)，有效降低了泄漏定位誤差。閥門動作時間較長時，壓力波在傳播過程中發(fā)生反射，壓力波和反射波相互疊加，使原有的壓力信號被大大削減，壓力波動信號變化規(guī)律性較差，不易劃分信號周期，壓力數(shù)據(jù)拾取易出現(xiàn)遺漏或過多的情況，使幅值擬合曲線出現(xiàn)偏差，增大了泄漏定位的計算誤差。閥門動作時間長短是相對于閥門周期而言的，對于現(xiàn)場長距離輸氣管道，例如中俄東線天然氣管道，管道長度高達(dá)幾百千米，而管道周期則為上百秒，對于此種情況，閥門動作時間即使為幾十秒，相對于上百秒的管道周期也屬于動作時間較短的工況。因此，閥門動作時間應(yīng)根據(jù)實際管道長度及壓力波傳播速率進(jìn)行確定。

3.2 泄漏孔徑與泄漏定位的關(guān)系

設(shè)置泄漏孔徑為5，10，15，20 mm，在第10 s時開始主動調(diào)節(jié)閥門開度由80%減小至20%，設(shè)置閥門動作時間分別為5 s，采集管道入口處壓力隨時間的波動變化，如圖4所示。

圖4 不同泄漏孔徑下壓力動態(tài)波動

不同泄漏孔徑下諧波分量的衰減系數(shù)見表6—9。不同泄漏孔徑下管道泄漏定位誤差見表10。

表6 5 mm泄漏孔徑諧波分量的衰減系數(shù)

由表10可見：泄漏孔徑為5 mm時，泄漏定位誤差為5.00%；泄漏孔徑為10 mm時，泄漏定位誤差為4.12%；泄漏孔徑增大至15 mm和20 mm時，泄漏定位誤差分別升高至5.28%和5.84%。隨著泄漏孔徑的增加，泄漏定位誤差先降低后升高。泄漏孔徑為10 mm時，天然氣泄漏流量占管道輸送總流量的0.65%，泄漏定位精度最高。當(dāng)泄漏孔徑過小時，泄漏對壓力波動信號幅值的影響較小，由于泄漏產(chǎn)生的壓力衰減程度較弱，各諧波衰減系數(shù)擬合誤差變大，泄漏定位精度降低。當(dāng)泄漏孔徑過大，泄漏對管道內(nèi)天然氣流動產(chǎn)生較大干擾，主動控制產(chǎn)生的瞬變流動受到影響，壓力波動幅值計算誤差變大，定位精度降低。因此，泄漏孔徑過小和過大均會導(dǎo)致定位誤差增大，此方法對中孔泄漏定位最為準(zhǔn)確。

表7 10 mm泄漏孔徑諧波分量的衰減系數(shù)

表8 15 mm泄漏孔徑諧波分量的衰減系數(shù)

表9 20 mm泄漏孔徑諧波分量的衰減系數(shù)

表10 不同泄漏孔徑下管道泄漏定位誤差

4 結(jié)論

采用主動控制方法建立了瞬變流泄漏定位模型并評價其預(yù)測精度。主要結(jié)論如下。

1)隨著閥門動作時間的增加，壓力信號波動幅度降低。

2)相比1 s關(guān)閉閥門，20 s關(guān)閉閥門產(chǎn)生的壓力信號沒有明顯的周期變化，不易被分割成不同的周期，不利于數(shù)據(jù)的后期處理，增大了泄漏定位的計算誤差。

3)存在泄漏工況下壓力波動幅值小于無泄漏工況下壓力波動幅值，主要原因是天然氣向外泄漏導(dǎo)致部分壓力能損失。

4)隨著閥門關(guān)閉時間的增加，定位誤差隨之變大，閥門動作時間應(yīng)根據(jù)實際管道長度及壓力波傳播速率進(jìn)行確定。

5)隨著泄漏孔徑的增加，泄漏定位誤差先降低后升高。泄漏孔徑過小和過大均會導(dǎo)致定位誤差增大，模型對中孔泄漏定位最為準(zhǔn)確。