油氣管道系統(tǒng)安全狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究進展

蔡永軍

國家管網(wǎng)集團科學技術(shù)研究總院分公司

0 引言

油氣管道是重要的能源基礎設施，截至 2020年底，中國油氣管道總里程已達 14.5×104km。根據(jù)2017年5月發(fā)布的《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，預計“十四五”末中國油氣管道將達到24×104km，形成“X+1+X”的全國一張網(wǎng)能源配置格局。長輸油氣管道因點多線長、覆蓋地域廣的特點，長期賦存于復雜的社會和自然環(huán)境之中，時刻受到第三方損壞、地質(zhì)災害、腐蝕等外界因素的影響，一旦油氣管道發(fā)生破損，引發(fā)泄漏將造成嚴重的人員傷害、財產(chǎn)損失以及環(huán)境污染。而誤操作、制造安裝缺陷等管道系統(tǒng)自身故障引起的斷供也是重大的公共安全事件?！笆濉逼陂g，國家重點研發(fā)計劃“公共安全風險防控與應急技術(shù)裝備”重點專項中設立項目重點攻關(guān)油氣管道安全技術(shù)，在生產(chǎn)需求分析和國內(nèi)外現(xiàn)狀調(diào)研的基礎上研究了泄漏監(jiān)測技術(shù)、長距離管道光纖安全預警技術(shù)、地質(zhì)災害監(jiān)測技術(shù)、輸油泵故障診斷技術(shù)、儲罐監(jiān)測技術(shù)和油氣管道雜散電流監(jiān)測技術(shù)，提高管道主動安全防護水平。經(jīng)過4年多攻關(guān)，主要油氣管道安全狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的性能指標顯著提高，相關(guān)成果已在主力油氣管道得到應用，提高了管道行業(yè)公共安全風險防控水平，降低了重大事故發(fā)生的概率。

1 管道線路狀態(tài)監(jiān)測

為保證油氣管網(wǎng)安全平穩(wěn)運行，需要針對風險因素建立油氣管道及其附屬儲運設施的安全狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)體系，通過監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)事故隱患和早期事故，進行預警預報，加快消除人為不安全行為、物的不安全狀態(tài)和環(huán)境的不安全因素，切斷事故成災鏈條，避免管體損傷、油氣泄漏、設備故障等失效行為，建立安全屏障提高管道公共安全風險防控水平，降低環(huán)境污染、財產(chǎn)損失、人員傷害及資源斷供引發(fā)的重大公共安全事件發(fā)生的概率［1-2］。

實踐中各管道運營商綜合運用人防、物防、技防、信息防等多種方法進行管道線路風險防控。其中人防是基礎，起到現(xiàn)場控制作用；物防是補充，增加破壞難度；技防是提高，起到探測作用；信息防是精確制導，實現(xiàn)行為預知。管道技防的主要措施包括泄漏監(jiān)測、第三方損壞監(jiān)測、地質(zhì)災害及腐蝕監(jiān)測。油氣管道事故預防控制體系見圖1。

圖1 油氣管道事故預防控制體系

1.1 泄漏監(jiān)測技術(shù)

泄漏監(jiān)測技術(shù)可以在泄漏事故發(fā)生后及時報警并準確定位，避免次生災害擴大化。黃島“11·22”重大事故之后，骨干輸油管道基本都安裝了負壓波泄漏監(jiān)測設備。但是負壓波技術(shù)受制于原理、儀表精度等限制，只能解決1%以上突發(fā)泄漏的檢測和定位，焊縫開裂等緩慢增加的泄漏尚無有效辦法。對于油品滲漏，現(xiàn)在多采用感油電纜或者油膜傳感器探測烴類混合物避免環(huán)境污染，但受制于成本，尚未在線路上獲得規(guī)模應用［3］。

俞逸飛等［4］嘗試利用調(diào)節(jié)閥動作的主動壓力激勵式泄漏監(jiān)測技術(shù)來探測小泄漏，仿真分析和模型實驗證明利用壓力信號各次諧波衰減差異分析的泄漏監(jiān)測技術(shù)可行，示范應用表明能夠提高檢測精度，但監(jiān)測距離受限。泄漏監(jiān)測原理如圖2所示。

圖2 泄漏監(jiān)測原理示意

液體管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)雖然已經(jīng)成為事實上的管道行業(yè)標配系統(tǒng)，但是SY/T 6826—2011《液體管道的計算監(jiān)測標準》只進行了原則性規(guī)定，尚未形成行業(yè)公認的指標定義、測試方法、評價規(guī)則及數(shù)據(jù)接口。各個廠家在系統(tǒng)開發(fā)時按照各自理解開發(fā)系統(tǒng)，傳感器電氣接口、數(shù)據(jù)格式、功能要求都不統(tǒng)一，無法和SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）系統(tǒng)互傳數(shù)據(jù)，也無法接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和大數(shù)據(jù)分析［5］。

天然氣管道泄漏監(jiān)測方面，站場已經(jīng)全面推廣基于TDLAS（激光可調(diào)諧吸收光譜）原理的激光甲烷氣體探測器，基于超聲技術(shù)的泄漏探測器也有應用報道。國家管網(wǎng)集團西部管道有限責任公司利用次聲波原理進行了干線泄漏監(jiān)測，并在澀北—西寧—蘭州、西氣東輸?shù)忍烊粴夤艿肋M行示范應用。中俄東線天然氣管道在局部管段布署了分布式光纖測溫系統(tǒng)，擬通過測量高壓氣體泄漏產(chǎn)生的溫降進行天然氣管道泄漏監(jiān)測。

目前天然氣管道線路泄漏監(jiān)測方法尚未廣泛部署，在監(jiān)測靈敏度、定位精度及經(jīng)濟性方面仍需持續(xù)提升。

1.2 第三方損壞預警

第三方損壞占用了管道管理人員最多的時間和精力，第三方預警的技防措施主要是基于伴行光纜的振動監(jiān)測。目前相關(guān)技術(shù)已經(jīng)從使用三根光纖的Mach-Zehnder（馬赫-曾德爾）干涉技術(shù)，提升為靈敏度更高、定位更準確的φ-OTDR（相位敏感光時域反射）技術(shù)。如圖3所示，φ-OTDR技術(shù)利用光纜沿線不同位置的后向散射光返回時間不同的原理，將光纜按照空間分辨率的大小切成等間距的塊，實現(xiàn)不同位置發(fā)生事件的同時探測及定位。相比Mach-Zehnder干涉技術(shù)，φ-OTDR技術(shù)探測靈敏度更高，定位更準確，但是需要高相干光源，探測結(jié)構(gòu)復雜［6-8］。

圖3 φ-OTDR預警系統(tǒng)示意

管道光纖預警系統(tǒng)在西氣東輸、中俄東線天然氣管道都得到規(guī)模應用，實現(xiàn)管道沿線第三方活動7×24 h監(jiān)控，有效提高了管道第三方損壞的防控能力，但是成本和精度仍然制約了技術(shù)的廣泛應用。在降低光纖預警技術(shù)成本上，一方面通過時分復用技術(shù)，實現(xiàn)雙向探測以更好利用硬件資源；另一方面聚焦中繼放大技術(shù)，實現(xiàn)單套設備超長距離探測以解決長站間距的探測問題，國家管網(wǎng)集團北方管道有限責任公司（簡稱北方管道公司）已經(jīng)實現(xiàn)120 km的超長距離監(jiān)測。在提高靈敏度上，一方面是從基于強度解調(diào)的分布式振動傳感提升到基于相位解調(diào)的分布式聲音傳感，更清晰地還原現(xiàn)場的振動或聲音；另一方面是從單一參數(shù)的振動探測過渡到振動、溫度和應力的多參數(shù)聯(lián)合探測，從不同維度進行復合探測，從而降低誤報率。算法識別方面從經(jīng)驗模態(tài)分析等算法向基于機器學習的神經(jīng)網(wǎng)絡算法轉(zhuǎn)變，從基于特定環(huán)境的算法向通用性算法進化。

近年來視頻識別技術(shù)也廣泛應用于人口密集區(qū)的第三方監(jiān)控，通過智能攝像頭進行移動偵測報警。但是管道作為“沒有圍墻的工廠”位于開放空間，管道沿線各種第三方活動頻繁，單純的入侵探測和移動偵測都有大量誤報。實踐中正在將智能視頻與分布式光纖預警融合，利用“視覺”和“聽覺”兩種感知手段交互驗證，現(xiàn)場測試表明高后果區(qū)的報警數(shù)量下降50%，基本滿足現(xiàn)場使用需求。

1.3 地質(zhì)災害監(jiān)測

隨著中緬油氣管道、漠河—大慶原油管道、西氣東輸及中俄東線等天然氣管道的投產(chǎn)運行，通過特殊地形地貌、復雜地質(zhì)條件地區(qū)的管道越來越多，大型滑坡、崩塌、泥石流、特殊土以及水毀等災害凸顯，同時管道運營也面臨管道建設產(chǎn)生的次生地質(zhì)災害問題。深圳光明“11·20”滑坡災害損傷管道之后，人工高陡邊坡的危害也進入行業(yè)視線。

為實現(xiàn)地質(zhì)災害的風險預控，衛(wèi)星遙感、無人機影像被用來識別滑坡、崩塌、泥石流等土體移動。光學衛(wèi)星能夠發(fā)現(xiàn)地表植被覆蓋情況改變、地裂縫等，InSar衛(wèi)星可以實現(xiàn)毫米級土體移動的比對，能夠識別和監(jiān)測采空區(qū)的整體活動情況。無人機可以實現(xiàn)人員到達困難區(qū)域的圖像提取，在地震、洪水等突發(fā)地質(zhì)災害防控中可以及時獲取災害發(fā)生和發(fā)展情況。GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）被廣泛用來進行地表位移監(jiān)測，與衛(wèi)星遙感、無人機一起構(gòu)成天地一體化的地質(zhì)災害監(jiān)測識別體系［9］。俄羅斯管道有采用專用應變光纜做管道土體位移監(jiān)測的報道，北方管道公司正在開展布里淵散射普通松套光纜應變測量研究，試圖通過光纜應變識別土體移動趨勢。

地質(zhì)災害引發(fā)的外部載荷是管道失效的重要風險，現(xiàn)有應變傳感器量程一般低于3 000με（0.3%），低于基于應變的設計評價中管體能夠達到的應變，無法實現(xiàn)全生命周期監(jiān)測。在“大應變、大量程”應變傳感器研制方面，蘇州華滋奔騰公司開發(fā)了基于同軸電纜法布里-珀羅傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)5%以上的應變監(jiān)測，并成功應用于斷層監(jiān)測［10］。土體移動的剪切作用會損壞傳感器，導致安裝使用過程中傳感器成活率偏低，當前正在研發(fā)柔性、抗大變形傳感器及其安裝工藝，以提升傳感器的生命周期。通信和供電是現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)成本的主要組成，開發(fā)多參數(shù)集成的監(jiān)測傳感器，實現(xiàn)供電、傳輸、采集等共用模塊的復用，從而降低成本也是當前的研究熱點。

如圖4所示，如何通過監(jiān)測獲得數(shù)據(jù)，將管道安全與土體建立耦合關(guān)系，從而實現(xiàn)對地質(zhì)災害的預警預報，以及地質(zhì)災害發(fā)生、發(fā)展過程中管道的安全性和可用性評價仍是當前研究的熱點。劉曉宇等［11］通過動態(tài)時間規(guī)整技術(shù)實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)的耦合，進行風險的預警預報。未來如何開發(fā)低成本高可靠傳感器，利用空天地結(jié)合的檢測和監(jiān)測手段實現(xiàn)對地質(zhì)災害風險的耦合分析，避免外部載荷損傷管道還需要進一步研究。

圖4 管道穿越滑坡區(qū)管土耦合作用監(jiān)測示意

1.4 腐蝕監(jiān)測

高壓直流輸電、電氣化鐵路等在大地中產(chǎn)生各種雜散電流干擾，影響管道的腐蝕防控，增加了管道腐蝕風險。每月測量電位的傳統(tǒng)管理方法，無法發(fā)現(xiàn)動態(tài)雜散電流干擾的實時變化及其對管道造成的損傷程度。智能陰保樁能夠?qū)崿F(xiàn)陰保電位的自動采集和遠傳，解決沼澤、山區(qū)等人員到達困難位置的陰保電位測量難題；同時還可以動態(tài)評價管地電位變化情況，為陰保異常原因分析提供依據(jù)，近年來在新建管道中得到規(guī)模應用［12］。關(guān)于陰極保護有效性的評價，由于IR降誤差（由于電流I和電阻R所引起的偏差）的存在，目前主要依賴試片、極化探頭或?qū)ｉT儀器實現(xiàn)對斷電電位的檢測。高壓直流的干擾與防護是近年出現(xiàn)的新問題，實測管地電位可達304 V，秦潤之等［13］通過模擬仿真、現(xiàn)場監(jiān)測等方法開展大幅負向干擾下的腐蝕機理研究。中國學者提出了高壓直流干擾的相關(guān)防護準則，參與編寫的ISO 21857—2021《管道系統(tǒng)直流雜散電流干擾標準》已發(fā)布。管道總體腐蝕情況的檢測和評價更多采用內(nèi)檢測進行，管體缺陷深度的監(jiān)測方法有腐蝕探針、超聲壁厚測量、脈沖場指紋法等方法，這些方法都只能實現(xiàn)點式測量，而且數(shù)據(jù)受環(huán)境影響較大，更多的是反映相對變化。

2 關(guān)鍵儲運設施監(jiān)測

大型儲罐在油氣儲運系統(tǒng)中起到資源存儲、調(diào)節(jié)運營計劃的作用，作為重大危險源一直是安全防控的重點。泵起到增壓作用，作為主要動力源直接影響管輸計劃的執(zhí)行。儲罐和泵作為儲運設施中的關(guān)鍵設備，一旦發(fā)生故障將直接影響管輸計劃的正常進行，引發(fā)斷供風險，因此需要開展監(jiān)測和故障診斷，避免不可接受風險的發(fā)生。

2.1 儲罐

管道輸送中大型浮頂儲罐的主要風險包括一二次密封泄漏、雷擊起火及罐體的不均勻沉降等。針對一二次密封泄漏，長慶油田采用泵吸式采樣，遠程可燃氣體實時監(jiān)測和注氮實現(xiàn)安全防護，切斷雷擊起火的可燃物鏈條。當前儲罐泄漏監(jiān)測的重點在于開發(fā) C3以上大分子量揮發(fā)物的探測技術(shù)，實現(xiàn)油氣逸散的實時監(jiān)測，對各種感知數(shù)據(jù)進行融合分析以實現(xiàn)儲罐安全狀態(tài)的綜合判斷［14］。丁瑩芝［15］采用紅外成像的方法，通過溫度場識別進行儲罐的泄漏探測。儲罐消防已經(jīng)從感溫電纜進化到光纖光柵測溫、基于拉曼原理的分布式測溫，感知精度、空間分辨率不斷提高。三維激光掃描已經(jīng)用來進行罐體不均勻變形監(jiān)測，InSar也在被用來進行大型罐區(qū)的區(qū)域沉降監(jiān)測［16］。光纖光柵被用來進行罐體應變測量，能夠?qū)崿F(xiàn)大通量的實時形變測量，能夠感知罐位和罐體應變的線性關(guān)系。

2.2 輸油泵

輸油泵的自保護系統(tǒng)已經(jīng)將振動幅值傳到SCADA系統(tǒng)，按照設定閾值進行保護，避免輸油泵發(fā)生實質(zhì)性損傷。但是受限于采樣率和處理能力，PLC（可編程邏輯控制器）的性能達不到頻率分析要求，無法在頻域空間進行早期故障的診斷和分析。GE本特利公司和艾默生公司的旋轉(zhuǎn)設備故障診斷系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集輸油泵的頻譜數(shù)據(jù)并使用內(nèi)部嵌入算法進行實時分析，在中緬原油管道等用來進行泵故障在線診斷。中國石油大學（北京）的研究人員將振動、紅外熱像、電流等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合分析，建立基于工況辨識的輸油泵機組自適應預警技術(shù)并實現(xiàn)示范應用。作為管道輸送的關(guān)鍵設備，專用的故障監(jiān)測終端正在普及，依靠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集、傳輸并積累海量數(shù)據(jù)樣本，云邊協(xié)同的網(wǎng)絡架構(gòu)正在成為管道安全監(jiān)測的主流。機器學習技術(shù)正在被用來進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的特征提取和分類，實現(xiàn)異常工況的判斷和早期故障的識別，指導備品備件的儲備［17-18］。

3 總結(jié)與展望

隨著中國對安全生產(chǎn)與環(huán)保監(jiān)管的日趨嚴格，“十三五”期間，在國家重點研發(fā)計劃的支持下，管道行業(yè)泄漏監(jiān)測、第三方損壞預警、地質(zhì)災害監(jiān)測等技術(shù)的監(jiān)測靈敏度及預警預報能力顯著提升。管道系統(tǒng)安全狀態(tài)監(jiān)測是及時發(fā)現(xiàn)風險，并采取控制措施的關(guān)鍵一環(huán)，下一步需要加強新型傳感能力建設，做好現(xiàn)有技術(shù)的標準化、規(guī)?；椭悄芑ㄔO，全面提升管道運營管控能力［19-20］。

3.1 加強工業(yè)標準建設，促進互聯(lián)互通

油氣管道行業(yè)泄漏監(jiān)測、安全預警、地質(zhì)災害監(jiān)測、智能陰保樁等狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)得到規(guī)模應用，但是相關(guān)電氣接口、數(shù)據(jù)格式都未統(tǒng)一，各廠家設備自成體系無法互聯(lián)互通，管道運營單位無法混合組網(wǎng)。與此同時，相關(guān)技術(shù)指標的定義及其測試方法也不統(tǒng)一，沒有公允的產(chǎn)品標準和測試機構(gòu)，用戶采購時需要進行前置測試，制約了市場規(guī)模的擴大。因此，迫切需要加強油氣管道行業(yè)的感知系統(tǒng)電氣數(shù)據(jù)通信等接口標準和技術(shù)指標測試驗收評價標準建設，為產(chǎn)品的互聯(lián)互通、建設智慧互聯(lián)管網(wǎng)打下數(shù)據(jù)基礎。

3.2 降低成本，提高應用廣度和頻度

管道應用的各種感知系統(tǒng)中，除油品管道泄漏監(jiān)測技術(shù)外尚未得到全面應用，相關(guān)技術(shù)成熟度不足。一方面需要擴大不同場景應用的廣度，通過規(guī)?；瘧么龠M技術(shù)成熟與可靠性提升。另一方面受制于通信供電、線路感知系統(tǒng)的較高建設成本，需要推動通信供電系統(tǒng)復用，降低線路監(jiān)測點的建設成本。同時，還需要提高各系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集頻次，積累不同工況條件下的樣本，按照實際事件對樣本進行標注，建立標準樣本庫，為后期的智能技術(shù)應用提供數(shù)據(jù)原料。

3.3 提升感知能力，降低運行風險

當前油氣儲運行業(yè)相關(guān)傳感器的檢測靈敏度對早期事故探測預警能力與運營需求尚有差距，如，基于負壓波原理的液體管道泄漏監(jiān)測技術(shù)對小泄漏探測能力不足，報警準確率受工況復雜度影響較大；地質(zhì)災害監(jiān)測傳感器集成度較低，抗變形能力不足；站場油品揮發(fā)性低，現(xiàn)有可燃氣體探測器油品泄漏探測精度不足，存在無法報警的問題。下一步需要進行原理創(chuàng)新，開發(fā)新型敏感元件，提升對第三方入侵、油氣泄漏和地質(zhì)災害的感知能力。

3.4 利用智能化技術(shù)，提升預測預報能力

當前的監(jiān)測數(shù)據(jù)大多還停留在各自監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部，缺少和業(yè)務管理系統(tǒng)的交互，沒有形成監(jiān)測和維護的閉環(huán)管理。需要打通各監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)壁壘，讓數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)之間智能流動，結(jié)合工藝運行參數(shù)、監(jiān)測結(jié)果、維檢修記錄等進行綜合判斷，通過多系統(tǒng)的融合監(jiān)測，提升預警預報能力，提高管網(wǎng)的運行保障能力。