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1  前言

　　國內外對輸油管道安全運行十分重視，泄漏檢測技術發展較快，涉及面廣，種類較多，概括起來，主要采用以下兩類：(1) 利用自動化技術、計算機技術、智能儀器儀表技術和網絡技術等，構架數據采集與監控系統SCADA[1]。該系統主要是在管道沿線安裝檢測點，通過不同的傳感器將管道工作參數進行檢測，如測量流量、溫度、壓力等，由SCADA系統完成相關數據的收集、處理、分析和判斷，確定是否發生泄漏，該系統在管道建設時同步進行，應用效果較好；(2) 基于磁通、超聲、渦流、錄像等技術的管內檢測法，利用清管器作為載體，應用磁通、超聲、錄像、渦流等技術提高了泄漏檢測的可靠性和靈敏度。

　　國內外曾經研究過的管道泄漏監測與漏點定位的方法很多，主要有化學方法、應力法、漏磁法、流量差監測法、負壓波法、全線壓力分布法、全線質量平衡法、管道瞬變模型法等，理論上均較為成熟，但在實際應用中仍存在著不足。隨著計算機技術的廣泛應用，以及現代控制理論和信號處理技術的發展，輸油管道的動態檢漏及報警技術逐漸占據了主導地位，而且還在不斷發展之中。

2  負壓波泄漏檢測法原理與關鍵技術[2][4]

　　近年來，國內對于長輸管道檢漏技術的研究主要集中在應用負壓波法檢測領域。常規負壓波檢測法可迅速檢測管道正常流量8%～20%以上的突發性的大量泄漏，在快速診斷法中占據重要地位。在泄漏發生時，泄漏處立即產生因流體物質損失而引起局部流體密度減小出現的瞬時壓力降低和速度差，這個瞬時的壓力下降作用在流體介質上就作為減壓波源通過管道和流體介質向泄漏點的上下游以聲速傳播。當以泄漏前的壓力作為參考標準時，泄漏時產生的減壓波就稱為負壓波，其傳播的速度在管道和輸送的流體中并不相同，在石油液體中大約為1200m/s。設置在泄漏點兩端或泵站的傳感器捕獲壓力波信號，并根據壓力波的梯度特征和壓力變化率的時間差，利用信號相關處理方法就可確定泄漏程度和泄漏位置。

　　對于投產后的輸油管道，如果油品的物理性質（密度、容積彈性系數等）已知，則可以求出壓力波的傳播速度。若同一種油品的壓力波傳播速度基本保持不變，根據公式(1)，檢測到壓力波就能推算出泄漏地點。負壓波法是目前國內應用較多的管道泄漏檢測和漏點定位方法。

(1)

　　其中：X為泄漏點距首端測壓點的距離，米（m）；

　　L為管道站間長度，米（m）；

　　a為管輸介質中壓力波的傳播速度，米每秒（m/s）；

　　Δt為上、下游傳感器接收壓力波的時間差，秒（s）。

　　從公式(1)可以看出負壓波定位的關鍵技術主要包括：

　　①  負壓波的捕獲（包括管道流態的瞬變過程）；

　　②  負壓波速度的確定；

　　③  上下游壓力波捕獲時間的同步；

　　④  站庫流程操作引起的誤報警。

　　輸送的油品及管道吸收能量使負壓波振蕩的物理參量特征減弱，同時泵機組的運行交變壓力噪聲、調節閥工作時壓力瞬間變化和管道沿線輸送油品進出管道時產生壓力變化等因素給采集泄漏信號造成很多困難。通過壓力傳感器性能的正確選擇，可以直接提高壓力波捕獲精度；忽略數據網絡通訊中的延遲，將上下游現場壓力采集的點“虛擬”到生產調度中心“本地”，在分析工具看來就像在本地直接進行數據采集一樣，有力地保證了采集時間的同步；根據長輸管道線上負壓波和站庫的內負壓波的傳播方向相反的特點，在站庫外在一定距離內設置雙采集點進行判別，能較好地將站庫內的操作進行排除，減少誤報率。

3  基于智能壓力傳感器PPTE的設計探討

　　PPTE（Precision Pressure Transducer Explosion-Proof，防爆型高精度壓力傳感器）利用半導體的硅阻效應―在硅膜片上施加壓力將引起阻值的變化，通過內嵌微處理的數字補償，該傳感器能較好地滿足各類用戶的定制要求。PPTE傳感器均可在全溫區和全壓略范圍內對其數字輸出和模擬輸出進行精確定標。因此，它是一個既非常精確又標準的模擬電壓輸出裝置，也是一個完善的、具有地址的數字傳感器，并可在RS232總線上許多傳感器一起聯網使用。PPTE傳感器可以幫助用戶向數字測量系統過渡，而不用增加新的昂貴的硬件設備。PPTE傳感器的原理框圖如圖1所示。

3.1 PPTE傳感器特點

(1)  用戶可定制的高性能智能儀表

　　通過微機RS232/485通訊接口，用戶可以發布控制指令改變該類傳感器的任何一個有效參數，所有組態的變化均可存放在傳感器內部的EEPROM中，并可由用戶可任意設計或取消，同時還可以通過簡單的指令來根據各種不同的需要對模擬/數字輸出進行修改，如進行最大和最小模擬輸出電壓的調節以及壓力量程的壓縮等。PPTE傳感器具有較好的重復性和穩定性，由于其內部壓力敏感器件的重復性非常好并可利用微處理器進行數字補償，因而可獲得很高的穩定性和精度。在-40～+85℃的溫度范圍內，具有0.05%FS的典型精度。其檢測信號（壓力和溫度）可由用戶通過微處理器設置為數字或模擬輸出模式，或同時輸出模式。除基本單位psi（每平英寸承受的壓力）外，PPTE傳感器具有12種壓力單位可供選擇，其中包括大氣壓、巴、厘米汞柱、英尺水柱、英尺汞柱、英寸水柱等，用戶不必為單位換算進行額外的浮點運算。

(2)  智能式數據采集儀表

　　PPTE傳感器可以根據不同應用要求和現場要求對采集時間、變化范圍的閾值和通訊率等設定。基于Δ-∑原理的A/D轉換器的積分時間可在8ms至12s之間選擇，這樣可以較好提高數字控制系統在不同環境條件下的適應性和抗干擾能力。由于輸油管道中負壓波傳播速度相對穩定、速度較快（1200m/s），在雙壓力采集時，通過高速采集和響應，可以縮短兩采集點的距離而且能夠正常捕獲到變化的壓力波。

　　該儀表具備智能跟蹤輸入變化功能。當檢測到的壓力發生變化時（超過設定閾值），用戶可以設定使采樣速率隨之加倍（2X），以采集更多關于該參數的細節；當壓力保持在設定范圍內時，儀表的采樣速率以恢復正常狀態。正是這一突出特點，當輸油管道發生泄漏時，采集頻率加快，捕獲更多的關于壓力變化的細節，以方便操作人員的準確定位和估計泄漏量的大小。同時當檢測系統平穩狀態下，可以將采集頻率和通訊率都降低，以節省系統資源和通訊帶寬。

(3)  基于總線網絡和高級應用的儀表

　　PPTE可以通過RS232/485總線聯網。一臺PC機最多可掛接89個PPTE傳感器，每個PPTE傳感器具有一個獨立的地址，并且用戶可以單獨對某一個傳感器或一組傳感器或網絡上所有的傳感器通訊。在數字通訊模式下工作時，PPTE傳感器具有更多的方法解決壓力測量中的問題，如現場儀表的工作狀態、通訊情況、設定閾值是否超限報警等。同時支持ASCII和Binary兩種數據格式，為泄漏定位分析軟件提供更直接的數據支持，減少應用軟件的格式轉換。

3.2  設計構思

　　充分利用PPTE傳感器的特性，在中石化勝利油田分公司油氣集輸總廠（以下簡稱為油氣集輸總廠）各輸油管道的上下游分別安裝雙壓力采集點，以捕獲管道泄漏產生的負壓波和排除站庫內操作而產生的干擾。系統設計模式為現場分布式采集，調度中心集中分析處理，遠程采集儀表通過“虛擬串口”的方式進行本地化，以保證采集數據在時間上相對同步。油氣集輸總廠輸油管道的位置示意如圖2所示。

(1)  泄漏檢測與定位系統硬件架構示意如圖3所示。

　　現場數據采集框圖如圖4所示。

　　調度中心泄漏檢測分析軟件結構框圖如圖5所示。

(2)  基于PPTE傳感器特點的設計與應用

①  利用動態定制PPTE壓力傳感器的工作范圍，提高數據精度。

　　根據首站、中間站原油輸送工藝的要求，將PPTE工作范圍分兩段定制，根據該傳感器的特點，在-40～+85℃的溫度范圍內，具有0.05%FS的典型精度，具體列表如表一：
表1  管道工作壓力參數列表

　　下面以首站PPTE傳感器為例，定制工作范圍示意如圖6所示。

　　在數據保存過程，由于采樣頻率相差一倍，必須存在著兩種頻率特征，通過簡單的頻率分析即可判斷出負壓波產生的時間和時間差，可以根據上下游的壓力波的變化相關性可以直接判斷是否發生泄漏，并且直接定位。

(3)  應用雙PPTE傳感器進行管道泄漏檢測與定位方法框圖如圖8所示。