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輸油管道故障診斷中的實(shí)時(shí)模型法

文檔作者：張來(lái)斌王朝暉樊建春文檔來(lái)源：石油大學(xué)（北京）機(jī)電學(xué)院機(jī)械故障診斷中心		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年10月10日
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安全消防
輸油管道故障診斷中的實(shí)時(shí)模型法..
張來(lái)斌#! ! 王朝暉! ! 陳! 茜
（石油大學(xué)（北京）機(jī)電學(xué)院機(jī)械故障診斷中心）
! ! 張來(lái)斌! 王朝暉等：輸油管道故障診斷中的實(shí)時(shí)模型法，油氣儲(chǔ)運(yùn)，"##$，""（%）&amp;amp;" ’ &amp;amp;&amp;amp;。
摘! 要! 實(shí)時(shí)模型法是目前國(guó)際上研究并且運(yùn)用最多的管道泄漏檢測(cè)方法，采用該方法不僅
能探測(cè)到較小的泄漏，而且定位準(zhǔn)確。在對(duì)輸油管道沿程熱量散失過(guò)程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，考慮
油流溫度對(duì)流態(tài)、粘度、密度、比熱容的動(dòng)態(tài)影響，同時(shí)計(jì)入摩擦熱對(duì)沿程溫降的影響，建立了管道
熱力和水力模型，提出運(yùn)用三維曲線對(duì)管道泄漏進(jìn)行定位的方法，并對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。
主題詞! 輸油管道! ! 故障診斷! ! 泄漏檢測(cè)! ! 實(shí)時(shí)模型法
一、前! 言
管道運(yùn)輸具有便于管理和控制、成本較低等優(yōu)
點(diǎn)。隨著管道的增多、管齡的增長(zhǎng)，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(jìn)入事故高發(fā)階段。因此，研究輸油管
道泄漏故障實(shí)時(shí)診斷技術(shù)，迅速發(fā)現(xiàn)泄漏事故并準(zhǔn)
確定位，及時(shí)采取有效措施，最大限度地減少損失和
對(duì)環(huán)境的污染，是非常重要的。
目前國(guó)內(nèi)外管道的泄漏檢測(cè)技術(shù)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〔( ’ $〕。
基于硬件的方法是指對(duì)泄漏物進(jìn)行直接檢測(cè)的
方法，也稱為直接檢漏法，如直接觀察法、管道泄漏
溶解法、油溶性壓力管法、聲波法、放射性示蹤法、光
纖檢漏法等。
基于軟件的方法又稱為間接檢漏法，是指借助
于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)因泄漏造成的影響，如根
據(jù)流量、壓力、溫度等物理參數(shù)的變化來(lái)判斷泄漏是
否發(fā)生及泄漏的位置。這類方法有質(zhì)量) 體積平衡
法、壓力圖象法、壓力點(diǎn)法、實(shí)時(shí)模型法、統(tǒng)計(jì)檢漏
法、**+（壓力點(diǎn)分析）法等。這類方法的主要優(yōu)點(diǎn)
是適應(yīng)性強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)單，但對(duì)檢測(cè)儀表精度要求很
高，否則會(huì)帶來(lái)較大的定位誤差。根據(jù)檢測(cè)的具體
要求可以選用精度較高的儀表，或利用數(shù)學(xué)方法對(duì)
采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。
除了上述兩類方法之外，還有其它的一些檢漏
法，如清管器檢漏法。管道泄漏檢測(cè)有以下發(fā)展
趨勢(shì)
//////////////////////////////////////////////
。
管非常重要。對(duì)于" , (#- .$ 儲(chǔ)罐，將地基不均勻
沉降差控制在"/ &amp;amp; 0.) (# . 以內(nèi)，可以使排水管的
最大應(yīng)力控制在 1*2 以下。
（"）采用柔性管或可調(diào)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(diǎn)采用局部加厚補(bǔ)強(qiáng)
措施，提高管子的強(qiáng)度，降低應(yīng)力水平。
（$）采用液位監(jiān)測(cè)報(bào)警電路裝置，可以及時(shí)發(fā)
現(xiàn)
罐體變形和排水管受力情況，及時(shí)采取措施避免排
水管損壞。
參考文獻(xiàn)
(，! 潘家華：圓柱形金屬油罐設(shè)計(jì)，烴加工出版社（北京），(%34。
"，! 徐至鈞! 許朝銓等：大型儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與地基處理，中國(guó)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(xué)路(3 號(hào)；電話：（#(#）3%6$$$$-。
! ##中石油創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目。
·&amp;amp;"·
! ! （"）泄漏檢測(cè)與定位技術(shù)進(jìn)入軟硬件結(jié)合為主
的新時(shí)代。
（#）泄漏檢測(cè)方法與$%&amp;amp;’&amp;amp; 系統(tǒng)相結(jié)合成為
今后泄漏檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。
隨著計(jì)算機(jī)在各領(lǐng)域的應(yīng)用普及，現(xiàn)代控制技
術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)正迅速應(yīng)用到油氣管道的故障診
斷系統(tǒng)中。目前國(guó)際上研究并且運(yùn)用得最多的管道
泄漏檢測(cè)方法是實(shí)時(shí)模型法，它不僅能探測(cè)到較小
的泄漏，而且定位準(zhǔn)確，其檢測(cè)精度依賴于模型和硬
件的精度。
二、實(shí)時(shí)模型法檢測(cè)管道泄漏
!、" 實(shí)時(shí)模型法的基本思路
實(shí)時(shí)模型法的工作原理是，用一組方程建立一
個(gè)精確的計(jì)算機(jī)管道實(shí)時(shí)模型，此模型與實(shí)際管道
同步執(zhí)行。定時(shí)取管道上的一組實(shí)際值，如上下游
溫度、壓力、流量等，運(yùn)用這些測(cè)量值，用模型在線估
計(jì)管道中流體的壓力、流量值，然后將這些估計(jì)值與
壓力或流量的實(shí)測(cè)值相比較，來(lái)進(jìn)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(cè)定位方法，在
其建模過(guò)程中對(duì)于泄漏點(diǎn)的定位機(jī)理大都是基于線
性壓力梯度，即該方法的熱力和水力計(jì)算是在一個(gè)
確定的平均溫度基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而且在該溫度下將
與油流溫度相關(guān)的物性參數(shù)視為定值。泄漏點(diǎn)定位
公式見(jiàn)式（"）。
! ! ! ( "# ) "$ ) !%!$ ) !$%" ) ’
$ #’$
( ) ** ) ’
%"（!# ) ’
# #’#
) !$ ) ’
$ #’$
）) ** ) ’
（"）
式中! ! ———泄漏點(diǎn)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(diǎn)之間流體平均密
度，/0 - +,；
! "#
、"$
———管道首末端的壓力，12；
! ##
、#$
———油品的運(yùn)動(dòng)粘度，+# - .；
! ! 0$ ———管道首末端的高程差，+；
! ! ! * ———管道內(nèi)徑，+；
! ! ! ( ———管道長(zhǎng)度，+；
! ! ! % ———重力加速度，+- .#；
! ! ’、" ———與原油流態(tài)有關(guān)的參數(shù)。
這種方法適用于等溫管道或介質(zhì)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(shí)，誤差較大。試驗(yàn)表
明，該方法能檢測(cè)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(duì)諸多參數(shù)的影響。
我國(guó)原油大部分屬于高凝點(diǎn)、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(diǎn)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(diǎn)在于輸送
過(guò)程中存在著摩阻損失和散熱損失。
在實(shí)際熱油管道的運(yùn)行過(guò)程中，與油流溫度相
關(guān)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(duì)數(shù)曲線規(guī)律變化的。充分考慮這些相關(guān)的變
化規(guī)律，對(duì)保證計(jì)算的精確性是十分重要的。
為簡(jiǎn)化分析，特作如下假設(shè)：
（"）油品向管道周圍介質(zhì)的散熱為穩(wěn)定傳熱
過(guò)程；
（#）油品為牛頓型流體；
（,）忽略徑向溫降對(duì)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(yīng)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(zhì)溫度，9；
! ! ! 2 ———油流水力坡降，+- +；
! ! ! 1 ———油品的質(zhì)量流量，/0 - .。
式（#）中左端為6, 管段單位時(shí)間向周圍介質(zhì)的
散熱量，右端第一項(xiàng)為管內(nèi)油流溫降6/ 的放熱量；
第二項(xiàng)為6, 段上油流摩擦損失轉(zhuǎn)化的熱量。因6,
與6; 的方向相反，故引入負(fù)號(hào)。
#、" 熱力計(jì)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(lái)斌等：輸油管道故障診斷中的實(shí)時(shí)模型法 ·*,·
標(biāo)準(zhǔn)分享網(wǎng) www.bzfxw.com 免費(fèi)下載
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"&amp;amp; % %!"#%&amp;amp; % ’!$’ % %（( % )(
）"( （$）
!、" 水力計(jì)算
熱油管道的水力計(jì)算是以熱力計(jì)算為基礎(chǔ)的。
如果采用平均溫度法，則在計(jì)算段內(nèi)所得的水力坡
降線為一條直線，這與實(shí)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(shí)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(jiàn)圖)）。
圖)! 水力坡降線
水力計(jì)算應(yīng)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(dòng)特性和物性
的熱力和水力方程，這兩個(gè)方程描述了熱油管道在
輸送過(guò)程中，其壓頭沿著管道沿程的分布。
根據(jù)管道檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)和上述數(shù)學(xué)模
型之間的差異，就能夠檢測(cè)出管網(wǎng)是否發(fā)生泄漏和
發(fā)生泄漏的位置。
#、" 有關(guān)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(shí)際輸送中管道的運(yùn)行參數(shù)推算。
! ! ! ’ # ,#
!$!-
./ )- % )( % .
)/ % )( % .
（0）
油品與油溫相關(guān)的主要物性參數(shù)計(jì)算如下。
密度：!（(）# !*( % $（( % *(） （)(）
比熱容：#（(）# )
!)$ !-
（) ’,+ 1 &amp;amp;0 0&amp;amp; )） （))）
運(yùn)動(dòng)粘度：#（(）# #(2 % 1（( % ((） （)*）
其中：$ # )0 ,*$ % (0 (() &amp;amp;)$ !*(
式中! !*(
———*(3時(shí)的油品密度，45 6 7&amp;amp;；
! ! ! !)$
-
———)$3時(shí)的油品相對(duì)密度；
! ! !（(）———溫度為(3時(shí)的油品密度，45 6 7&amp;amp;；
! ! #（(）———溫度為( 3 時(shí)油品的比熱容，
! ! ! ! ! ! 8（6 45·3）；
! ! ! 1 ———溫度為粘溫指數(shù)，3 % )；
! ! ! #(
———溫度為((
時(shí)油品的運(yùn)動(dòng)粘度，7* 6 9；
! ! #（(）———溫度為(3時(shí)油品的運(yùn)動(dòng)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(duì)式（+）和式（,）同時(shí)積分，
得到(2!2* 三維曲線（ 見(jiàn)圖*）。圖* 中所繪曲線是
根據(jù)計(jì)算實(shí)例中的數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的。
圖*! :;.;< 曲線
將(2!2* 曲線分別投影到各坐標(biāo)平面上，并轉(zhuǎn)換
成沿程壓頭曲線（見(jiàn)圖&amp;amp;），便可以按圖&amp;amp; 進(jìn)行泄漏
定位。
當(dāng)管道運(yùn)行正常時(shí)，根據(jù)管道首端邊界條件解
出的其末端壓頭應(yīng)與實(shí)測(cè)值基本吻合，反之亦然。
但是當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，方程的運(yùn)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值
將不能吻合。如果將管道的運(yùn)行狀況分為泄漏點(diǎn)前
后兩部分，在管道泄漏點(diǎn)處為相同的邊界點(diǎn)，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
·$-· 油! 氣! 儲(chǔ)! 運(yùn)! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! *((&amp;amp; 年!
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泄漏點(diǎn)相交（見(jiàn)圖!），兩條曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫
坐標(biāo)!"
就是泄漏點(diǎn)的位置。
為了使泄漏定位方法更加直觀，對(duì)上述方法進(jìn)
行改進(jìn)，使其便于實(shí)際運(yùn)用。先對(duì)式（#"）積分，得
到"—# 曲線（壓頭損失隨溫度變化曲線），再將壓頭
損失隨溫度變化曲線轉(zhuǎn)化為壓頭隨溫度變化曲線，
根據(jù)管道首末端邊界條件分別繪制的沿程壓頭隨溫
度變化曲線在泄漏點(diǎn)相交，兩條曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)
的橫坐標(biāo)就是泄漏點(diǎn)處原油的溫度#"
。再對(duì)式（$）
積分得到$—# 曲線，在該曲線上找到溫度為#"
的點(diǎn)
距管道首端的距離，即泄漏點(diǎn)的位置（見(jiàn)圖%）。
圖!&amp;amp; 通過(guò)管道沿程壓頭曲線進(jìn)行泄漏定位
圖%&amp;amp; 管道沿程溫度分布曲線
四、計(jì)算實(shí)例
某管道長(zhǎng)’( )*，管徑為!++ **，原油,"-時(shí)
的密度為$’, ). / *!，原油首端溫度維持在’+0 (-基
本不變，管道末端溫度實(shí)測(cè)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(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，管道末端測(cè)得的流
量為"0 "4’ *! / 2，管道首端測(cè)得的流量為"0 #,# *! /
2，實(shí)測(cè)泄漏時(shí)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(duì)應(yīng)泄漏點(diǎn)的位置為
,$0 #+ )*。管道實(shí)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(yùn)用式（#）計(jì)算得到泄漏點(diǎn)位置為#(0 $4 )*，
誤差為#$0 #+8。
圖(&amp;amp; 實(shí)例管道沿程壓頭隨溫度變化曲線
圖’&amp;amp; 實(shí)例管道沿程溫度分布曲線
通過(guò)理論和實(shí)際計(jì)算的比較，該熱油管道實(shí)時(shí)
模型法比較準(zhǔn)確地描述了原油在加熱輸送時(shí)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(zhǔn)確，用該模型法對(duì)
泄漏進(jìn)行診斷和定位能夠達(dá)到較高的精度。
參考文獻(xiàn)
#，&amp;amp; 嚴(yán)大凡：輸油管道設(shè)計(jì)與管理，石油工業(yè)出版社（北京），#4$4。
,，&amp;amp; 曲慎揚(yáng)：原油管道工程，石油工業(yè)出版社（北京），#44#。
!，&amp;amp; 中國(guó)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(lái)斌等：輸油管道故障診斷中的實(shí)時(shí)模型法 ·((·
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