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輸油管道故障診斷中的實時模型法

文檔作者：張來斌王朝暉樊建春文檔來源：石油大學（北京）機電學院機械故障診斷中心		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年10月10日
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輸油管道故障診斷中的實時模型法..
張來斌#! ! 王朝暉! ! 陳! 茜
（石油大學（北京）機電學院機械故障診斷中心）
! ! 張來斌! 王朝暉等：輸油管道故障診斷中的實時模型法，油氣儲運，"##$，""（%）&amp;amp;" ’ &amp;amp;&amp;amp;。
摘! 要! 實時模型法是目前國際上研究并且運用最多的管道泄漏檢測方法，采用該方法不僅
能探測到較小的泄漏，而且定位準確。在對輸油管道沿程熱量散失過程進行分析的基礎上，考慮
油流溫度對流態(tài)、粘度、密度、比熱容的動態(tài)影響，同時計入摩擦熱對沿程溫降的影響，建立了管道
熱力和水力模型，提出運用三維曲線對管道泄漏進行定位的方法，并對該方法進行了改進和優(yōu)化。
主題詞! 輸油管道! ! 故障診斷! ! 泄漏檢測! ! 實時模型法
一、前! 言
管道運輸具有便于管理和控制、成本較低等優(yōu)
點。隨著管道的增多、管齡的增長，以及不可避免的
腐蝕、磨損等自然或人為損壞等因素的影響，目前已
有不少管道進入事故高發(fā)階段。因此，研究輸油管
道泄漏故障實時診斷技術，迅速發(fā)現(xiàn)泄漏事故并準
確定位，及時采取有效措施，最大限度地減少損失和
對環(huán)境的污染，是非常重要的。
目前國內外管道的泄漏檢測技術基本上可以分
為兩類，一類是基于硬件的方法，另一類是基于軟件
的方法〔( ’ $〕。
基于硬件的方法是指對泄漏物進行直接檢測的
方法，也稱為直接檢漏法，如直接觀察法、管道泄漏
溶解法、油溶性壓力管法、聲波法、放射性示蹤法、光
纖檢漏法等。
基于軟件的方法又稱為間接檢漏法，是指借助
于計算機系統(tǒng)，通過檢測因泄漏造成的影響，如根
據(jù)流量、壓力、溫度等物理參數(shù)的變化來判斷泄漏是
否發(fā)生及泄漏的位置。這類方法有質量) 體積平衡
法、壓力圖象法、壓力點法、實時模型法、統(tǒng)計檢漏
法、**+（壓力點分析）法等。這類方法的主要優(yōu)點
是適應性強、安裝簡單，但對檢測儀表精度要求很
高，否則會帶來較大的定位誤差。根據(jù)檢測的具體
要求可以選用精度較高的儀表，或利用數(shù)學方法對
采集的數(shù)據(jù)進行修正。
除了上述兩類方法之外，還有其它的一些檢漏
法，如清管器檢漏法。管道泄漏檢測有以下發(fā)展
趨勢
//////////////////////////////////////////////
。
管非常重要。對于" , (#- .$ 儲罐，將地基不均勻
沉降差控制在"/ &amp;amp; 0.) (# . 以內，可以使排水管的
最大應力控制在 1*2 以下。
（"）采用柔性管或可調節(jié)裝置，將現(xiàn)有的框架
型排水管改為金屬蛇形軟管，可以釋放作用在排水
管上的載荷，或在排水管薄弱點采用局部加厚補強
措施，提高管子的強度，降低應力水平。
（$）采用液位監(jiān)測報警電路裝置，可以及時發(fā)
現(xiàn)
罐體變形和排水管受力情況，及時采取措施避免排
水管損壞。
參考文獻
(，! 潘家華：圓柱形金屬油罐設計，烴加工出版社（北京），(%34。
"，! 徐至鈞! 許朝銓等：大型儲罐基礎設計與地基處理，中國石化出
版社（北京），(%%%。
（收稿日期："##$5#&amp;amp;5$#）
! ! ! ! ! ! #(#""-% ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 編輯：張淑英 ，北京市昌平區(qū)府學路(3 號；電話：（#(#）3%6$$$$-。
! ##中石油創(chuàng)新基金資助項目。
·&amp;amp;"·
! ! （"）泄漏檢測與定位技術進入軟硬件結合為主
的新時代。
（#）泄漏檢測方法與$%&amp;amp;’&amp;amp; 系統(tǒng)相結合成為
今后泄漏檢測的發(fā)展趨勢。
隨著計算機在各領域的應用普及，現(xiàn)代控制技
術和數(shù)據(jù)處理技術正迅速應用到油氣管道的故障診
斷系統(tǒng)中。目前國際上研究并且運用得最多的管道
泄漏檢測方法是實時模型法，它不僅能探測到較小
的泄漏，而且定位準確，其檢測精度依賴于模型和硬
件的精度。
二、實時模型法檢測管道泄漏
!、" 實時模型法的基本思路
實時模型法的工作原理是，用一組方程建立一
個精確的計算機管道實時模型，此模型與實際管道
同步執(zhí)行。定時取管道上的一組實際值，如上下游
溫度、壓力、流量等，運用這些測量值，用模型在線估
計管道中流體的壓力、流量值，然后將這些估計值與
壓力或流量的實測值相比較，來進行泄漏故障診斷，
這就是模型法的基本思路。
傳統(tǒng)的基于模型的管道泄漏檢測定位方法，在
其建模過程中對于泄漏點的定位機理大都是基于線
性壓力梯度，即該方法的熱力和水力計算是在一個
確定的平均溫度基礎上進行的，而且在該溫度下將
與油流溫度相關的物性參數(shù)視為定值。泄漏點定位
公式見式（"）。
! ! ! ( "# ) "$ ) !%!$ ) !$%" ) ’
$ #’$
( ) ** ) ’
%"（!# ) ’
# #’#
) !$ ) ’
$ #’$
）) ** ) ’
（"）
式中! ! ———泄漏點距管道首端的距離，+；
! 
、&amp;amp;$
———管道首末端的流量，+, - .；
! !#
、!$
———上游和下游到泄漏點之間流體平均密
度，/0 - +,；
! "#
、"$
———管道首末端的壓力，12；
! ##
、#$
———油品的運動粘度，+# - .；
! ! 0$ ———管道首末端的高程差，+；
! ! ! * ———管道內徑，+；
! ! ! ( ———管道長度，+；
! ! ! % ———重力加速度，+- .#；
! ! ’、" ———與原油流態(tài)有關的參數(shù)。
這種方法適用于等溫管道或介質特性隨溫度變
化很小的管道，誤差也較小，但是在原油的粘度、密
度、比熱容等隨溫度變化很大時，誤差較大。試驗表
明，該方法能檢測出大于34 的泄漏，定位精度不足
"54，原因是未考慮油溫變化對諸多參數(shù)的影響。
我國原油大部分屬于高凝點、高含蠟、高粘度的
三高原油，必須采用降凝、降粘等措施。目前最常用
的方法是加熱輸送，使易凝油品的溫度保持在凝固
點以上，使高粘油品因溫度升高而粘度變小，減少摩
阻損失。熱油輸送不同于等溫輸送的特點在于輸送
過程中存在著摩阻損失和散熱損失。
在實際熱油管道的運行過程中，與油流溫度相
關的物性參數(shù)如密度!、粘度$、比熱容+ 等均按各
自的規(guī)律隨油溫變化，所輸油品的沿程溫度是按近
似于對數(shù)曲線規(guī)律變化的。充分考慮這些相關的變
化規(guī)律，對保證計算的精確性是十分重要的。
為簡化分析，特作如下假設：
（"）油品向管道周圍介質的散熱為穩(wěn)定傳熱
過程；
（#）油品為牛頓型流體；
（,）忽略徑向溫降對油品物性的影響。
在穩(wěn)定工況下，根據(jù)能量守恒原理，輸油管道散
失的熱量應等于油流釋放的熱量，因此得到6, 微元
管段上的能量平衡式為：
! ! ! -".（/ ) 05
）6, ( ) 1+6/ 7 %126, （#）
式中! - ———管道的總傳熱系數(shù)，8（- +#·9）；
! ! ! + ———油品隨溫度變化的比熱容，
:（- /0·9）；
! ! ! . ———管道外徑，+；
! ! 05
———管道周圍介質溫度，9；
! ! ! 2 ———油流水力坡降，+- +；
! ! ! 1 ———油品的質量流量，/0 - .。
式（#）中左端為6, 管段單位時間向周圍介質的
散熱量，右端第一項為管內油流溫降6/ 的放熱量；
第二項為6, 段上油流摩擦損失轉化的熱量。因6,
與6; 的方向相反，故引入負號。
#、" 熱力計算
管道沿程水力坡降為：
! ! ! ! ! ! ! ! 2 ( "  ) ’#’
.* ) ’
（,）
代入式（#）可得熱輸管道的熱平衡方程：
! -".（/ ) 05
）6, ( ) 1+6/ 7 %1"  ) ’#’
.* ) ’ 6, （3）
將式（3）整理得：
第## 卷第< 期! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 張來斌等：輸油管道故障診斷中的實時模型法 ·*,·
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! ! ! "! # "!#$$ % %
"&amp;amp; % %!"#%&amp;amp; % ’!$’ % %（( % )(
）"( （$）
!、" 水力計算
熱油管道的水力計算是以熱力計算為基礎的。
如果采用平均溫度法，則在計算段內所得的水力坡
降線為一條直線，這與實際情況不相符。由于熱輸
管道的沿程油溫不斷下降，粘度逐漸增大，其水力坡
降也不斷增大，因此熱油管道的實際水力坡降線不
同于等溫管道的直線，而是一條斜率不斷增加的曲
線（見圖)）。
圖)! 水力坡降線
水力計算應首先在微元管段"! 上建立沿程摩
阻水力微分方程：
! ! ! ! ! ! ! ! ! "* # +"! （’）
將式（&amp;amp;）表示的管道水力坡降+ 代入式（’）得：
! ! ! ! ! ! ! "* # " "* % %#%
$$ % % "! （+）
將式（$）代入式（+）得：
! ! ! "* # ""&amp;amp; % %#%!#
""&amp;amp; % %#%!&amp;amp; % ’!$’ % %（( % )(
）"( （,）
式（-）和式（+）就是反映原油流動特性和物性
的熱力和水力方程，這兩個方程描述了熱油管道在
輸送過程中，其壓頭沿著管道沿程的分布。
根據(jù)管道檢測系統(tǒng)實際測量數(shù)據(jù)和上述數(shù)學模
型之間的差異，就能夠檢測出管網(wǎng)是否發(fā)生泄漏和
發(fā)生泄漏的位置。
#、" 有關參數(shù)的確定
管道的總傳熱系數(shù)通常采用反算法，也就是根
據(jù)實際輸送中管道的運行參數(shù)推算。
! ! ! ’ # ,#
!$!-
./ )- % )( % .
)/ % )( % .
（0）
油品與油溫相關的主要物性參數(shù)計算如下。
密度：!（(）# !*( % $（( % *(） （)(）
比熱容：#（(）# )
!)$ !-
（) ’,+ 1 &amp;amp;0 0&amp;amp; )） （))）
運動粘度：#（(）# #(2 % 1（( % ((） （)*）
其中：$ # )0 ,*$ % (0 (() &amp;amp;)$ !*(
式中! !*(
———*(3時的油品密度，45 6 7&amp;amp;；
! ! ! !)$
-
———)$3時的油品相對密度；
! ! !（(）———溫度為(3時的油品密度，45 6 7&amp;amp;；
! ! #（(）———溫度為( 3 時油品的比熱容，
! ! ! ! ! ! 8（6 45·3）；
! ! ! 1 ———溫度為粘溫指數(shù)，3 % )；
! ! ! #(
———溫度為((
時油品的運動粘度，7* 6 9；
! ! #（(）———溫度為(3時油品的運動粘度，7* 6 9；
! ! ! $ ———溫度系數(shù)，45 6（7&amp;amp;·3）。
三、泄漏定位方法
以! 為積分變量，對式（+）和式（,）同時積分，
得到(2!2* 三維曲線（ 見圖*）。圖* 中所繪曲線是
根據(jù)計算實例中的數(shù)據(jù)計算出來的。
圖*! :;.;< 曲線
將(2!2* 曲線分別投影到各坐標平面上，并轉換
成沿程壓頭曲線（見圖&amp;amp;），便可以按圖&amp;amp; 進行泄漏
定位。
當管道運行正常時，根據(jù)管道首端邊界條件解
出的其末端壓頭應與實測值基本吻合，反之亦然。
但是當管道發(fā)生泄漏時，方程的運算結果與實測值
將不能吻合。如果將管道的運行狀況分為泄漏點前
后兩部分，在管道泄漏點處為相同的邊界點，由流體
的連續(xù)性可知，此處的溫度、壓頭是相同的，因此根
據(jù)管道首末端邊界條件分別繪制的沿程壓頭曲線在
·$-· 油! 氣! 儲! 運! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! *((&amp;amp; 年!
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泄漏點相交（見圖!），兩條曲線的交點所對應的橫
坐標!"
就是泄漏點的位置。
為了使泄漏定位方法更加直觀，對上述方法進
行改進，使其便于實際運用。先對式（#"）積分，得
到"—# 曲線（壓頭損失隨溫度變化曲線），再將壓頭
損失隨溫度變化曲線轉化為壓頭隨溫度變化曲線，
根據(jù)管道首末端邊界條件分別繪制的沿程壓頭隨溫
度變化曲線在泄漏點相交，兩條曲線的交點所對應
的橫坐標就是泄漏點處原油的溫度#"
。再對式（$）
積分得到$—# 曲線，在該曲線上找到溫度為#"
的點
距管道首端的距離，即泄漏點的位置（見圖%）。
圖!&amp;amp; 通過管道沿程壓頭曲線進行泄漏定位
圖%&amp;amp; 管道沿程溫度分布曲線
四、計算實例
某管道長’( )*，管徑為!++ **，原油,"-時
的密度為$’, ). / *!，原油首端溫度維持在’+0 (-基
本不變，管道末端溫度實測值為("-，環(huán)境地溫為
#-，總傳熱系數(shù)為"0 $+ 1 /（*, ·2·3），正常流量
為"0 "(+ *! / 2。當發(fā)生泄漏時，管道末端測得的流
量為"0 "4’ *! / 2，管道首端測得的流量為"0 #,# *! /
2，實測泄漏時管道首端壓力為’0 4 567，管道末端
壓力為(0 % 567。
從圖( 可以看出，分別根據(jù)管道首端和末端邊
界條件繪制的沿程壓頭隨溫度變化曲線在(40 ,#-
處相交，在圖’ 中可以找到對應泄漏點的位置為
,$0 #+ )*。管道實際泄漏位置在距首端,+0 +" )*
處，定位誤差為"0 +,8?？梢钥闯隹紤]管道熱力模
型后泄漏定位精度較高。
運用式（#）計算得到泄漏點位置為#(0 $4 )*，
誤差為#$0 #+8。
圖(&amp;amp; 實例管道沿程壓頭隨溫度變化曲線
圖’&amp;amp; 實例管道沿程溫度分布曲線
通過理論和實際計算的比較，該熱油管道實時
模型法比較準確地描述了原油在加熱輸送時的水力
熱力狀況。該方法考慮了密度、粘度、比熱容隨溫度
的變化，比傳統(tǒng)的壓力梯度法更準確，用該模型法對
泄漏進行診斷和定位能夠達到較高的精度。
參考文獻
#，&amp;amp; 嚴大凡：輸油管道設計與管理，石油工業(yè)出版社（北京），#4$4。
,，&amp;amp; 曲慎揚：原油管道工程，石油工業(yè)出版社（北京），#44#。
!，&amp;amp; 中國石油天然氣管道局編：石油管道工程概論，石油工業(yè)出版社
（北京），#44%。
（收稿日期：,""!9"(9!"）
&amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; 編輯：張淑英
第,, 卷第4 期&amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; &amp;amp; 張來斌等：輸油管道故障診斷中的實時模型法 ·((·
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