海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)可行性分析

蔣曉斌，張曉靈，閆化云，韓雪艷

中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452

海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)可行性分析

蔣曉斌，張曉靈，閆化云，韓雪艷

中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452

對于海底管道來說，管道泄漏會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，對人身安全以及海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重大的威脅。管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的目的是盡早發(fā)現(xiàn)泄漏并找到泄漏位置，從而減少經(jīng)濟(jì)損失和對環(huán)境的破壞。介紹了適用于海底管道泄漏監(jiān)測的4種方法：參數(shù)計(jì)算法、次聲波法、光纖法和氣體監(jiān)測法，并對其工作原理分別進(jìn)行了分析。針對海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)所要求的性能指標(biāo)，分別賦予4種方法以相應(yīng)的權(quán)重和等級，計(jì)算每一種檢測方法的分值，結(jié)果表明，參數(shù)計(jì)算方法得分最高，是最合適的海底管道泄漏監(jiān)測方法。

管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)；分布式光纖；可行性分析

自1985年埕北油田采用浮游法成功鋪設(shè)1.6 km鉆采平臺(tái)之間的海底輸油管道以來，截至2015年12月31日，我國共建設(shè)海底管道336條，累計(jì)長度約6 307 km，擔(dān)負(fù)著海洋原油、凝析油、天然氣、水的輸送任務(wù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，多年來共發(fā)生38起海底管道事故[1]，其中第三方破壞15起，占比39.5%；內(nèi)腐蝕11起，占比28.9%；外腐蝕3起，占比7.9%。

海底管道一旦發(fā)生泄漏，如未能及時(shí)察覺并采取相應(yīng)措施，勢必造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)對人身安全以及海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重大的威脅。

最早對泄漏檢測問題的探索和研究可以追溯到1928年左右，美國馬薩諸塞州的 Caldwell等人在1929年申請的專利中，提及的就是關(guān)于泄漏探測的問題。近年來，大量的學(xué)者在泄漏監(jiān)測的方法研究、儀器設(shè)備制造、信號分析處理等方面進(jìn)行了大量的工作，在陸地管道上已有不少工程應(yīng)用，取得了良好的效果。

我國在管道泄漏監(jiān)測技術(shù)方面的研究起步較晚，由于海底管道作業(yè)環(huán)境惡劣，安裝施工維護(hù)成本高，能量中繼難以實(shí)施等特點(diǎn)，直至目前，我國海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)還停留在實(shí)驗(yàn)階段，尚未大范圍推廣應(yīng)用，監(jiān)測系統(tǒng)可行性、適用性有待驗(yàn)證。

國外的管道泄漏檢測技術(shù)起步早，研究深入，在系統(tǒng)性能、精確度等方面處于領(lǐng)先地位，目前已經(jīng)開發(fā)出多種成熟的商業(yè)軟件。如今形成的較為成熟的理論體系和專用技術(shù)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)上[2]。

1 管道泄漏監(jiān)測技術(shù)

經(jīng)過多年的實(shí)踐研究和探索，目前管道泄漏監(jiān)測方法可以分為內(nèi)部監(jiān)測法和外部監(jiān)測法兩大類，其中內(nèi)部監(jiān)測法主要有基于模型的方法、壓力梯度法、壓力點(diǎn)分析法、負(fù)壓波法、流量平衡法、次聲波法等；外部監(jiān)測方法主要有光纖監(jiān)測法、氣體成像法、氣體監(jiān)測法等。而適用于海底管道實(shí)施的有四種泄漏監(jiān)測方法[3]。

1.1 參數(shù)計(jì)算法

（1）基于模型的方法，即利用管道中流體的動(dòng)量方程、能量方程和質(zhì)量守恒三大平衡方程進(jìn)行機(jī)理建模，通過計(jì)算管道入口端與出口端的差值來判斷管道是否發(fā)生了泄漏。

（2）壓力點(diǎn)分析法。其基本原理為通過沿線布置的壓力變送器監(jiān)測到的管道壓力狀態(tài)變化來判斷是否發(fā)生泄漏，管道正常運(yùn)行時(shí)其壓力值呈現(xiàn)連續(xù)變化的穩(wěn)定狀態(tài)[4]，當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)泄漏點(diǎn)處壓力突降，破壞了原有的穩(wěn)態(tài)，并向新的穩(wěn)態(tài)過渡。

（3）序貫概率法。序貫概率法是一種統(tǒng)計(jì)方法，在平衡法和壓力監(jiān)測法的基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)處理進(jìn)行分析計(jì)算，判斷管道是否泄漏，是泄漏監(jiān)測系統(tǒng)中主要泄漏判斷方法之一[5]。

英國基于概率統(tǒng)計(jì)方法的Atmos Pipe系統(tǒng)已經(jīng)在輸油或輸氣管道上成功檢測并定位超過500次泄漏事件，是全球被使用和測試最多的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。

1.2 次聲波法

當(dāng)管道一旦發(fā)生泄漏時(shí)（腐蝕造成的小的滲漏除外），會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度較大的泄漏聲波信號，次聲波管道泄漏檢測正是通過檢測該信號進(jìn)行泄漏報(bào)警和漏點(diǎn)定位。

次聲波頻率小于20 Hz，波長長，不易衰減，不易被水和空氣吸收，因此，采用次聲波泄漏檢測技術(shù)定位管道泄漏點(diǎn)具有很大的發(fā)展前景[6]，次聲波泄漏檢測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 次聲波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)示意

當(dāng)管道一旦發(fā)生泄漏，泄漏處產(chǎn)生的次聲波信號分別朝上、下游兩個(gè)方向進(jìn)行傳播，并被傳感器接收，設(shè)兩個(gè)傳感器之間的距離為D，次聲波傳播速度為V，傳感器接收到次聲波信號的時(shí)間分別為t1、t2，則泄漏點(diǎn)S的位置可由公式S=D/2+1/2（t1-t2）V來確定。

從上世紀(jì)80年代開始，ASI公司的次聲波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)陸續(xù)在美國科羅拉多州西北管道、德國BEB含硫天然氣管道以及我國西氣東輸管道山西管段等項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用。

由ASI公司的實(shí)驗(yàn)和實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用結(jié)果可知，次聲波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)可以探測到泄漏孔徑為5.1 mm或泄漏量達(dá)到0.5%時(shí)的泄漏。定位誤差視監(jiān)測距離有所不同，通常在±200 m。系統(tǒng)報(bào)警響應(yīng)時(shí)長平均為100 s以內(nèi)，對于陸地管道而言，最大的有效測量距離可達(dá)75 km。

1.3 光纖法

分布式光纖傳感器具有同時(shí)獲取在傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間和空間變化的被測量分布信息的能力；散射型分布式傳感技術(shù)對被測量的空間定位多基于光時(shí)域反射技術(shù)，即向光纖中注入一個(gè)脈沖，通過反射信號和入射脈沖之間的時(shí)間差來確定空間位置。

管道一旦發(fā)生泄漏，會(huì)使得周圍環(huán)境溫度場及應(yīng)力場發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致光纖內(nèi)的散射光強(qiáng)度、頻率及相位發(fā)生變化，通過處理接收散射光信息可判斷管道泄漏的發(fā)生，通過脈沖時(shí)間與散射光接收時(shí)間可定位泄漏位置[7]。

對于測溫系統(tǒng)，推薦將其光纖布置在距離監(jiān)測管道15 cm左右，對輸油管道光纖排布在底部，對輸氣管道則排布在頂部為宜。

光纖安裝施工時(shí)需要保證不被損壞，滿足安裝施工質(zhì)量的要求，對于海底管道而言，還應(yīng)對鋪管船作業(yè)影響小，因此實(shí)現(xiàn)起來非常困難。而且光纖傳感系統(tǒng)的長期可靠性保證以及光纖損壞修復(fù)的高成本都制約著光纖監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用。

1.4 氣體監(jiān)測法

氣體監(jiān)測法（德語Leck Erkennungs Ortungs System，簡稱LEOS）。此種方法最早于30多年以前應(yīng)用于德國巴伐利亞州的一條管道[8]。此方法是沿著管道鋪設(shè)一條小口徑（外徑一般小于16 mm）、帶有循環(huán)空氣的監(jiān)測管，該監(jiān)測管一般由塑料材質(zhì)制成，覆有一層薄薄的（1 mm）醋酸纖維層，可以使烴類分子透過并集中在塑料管內(nèi)部。通過將烴類分子傳輸?shù)綑z測站點(diǎn)進(jìn)行分析識(shí)別能夠有效監(jiān)測泄漏和進(jìn)行定位[9]。

相比其他管道泄漏監(jiān)測方法而言，LEOS法能夠進(jìn)行各種輸送介質(zhì)管道的泄漏監(jiān)測，具有很高的測量精度，能夠檢測0.1 m3/h的氣體泄漏，定位精度可達(dá)管道監(jiān)測長度的0.5%，監(jiān)測距離一般小于15 km，響應(yīng)時(shí)間較長，取決于空氣循環(huán)的頻率和速度，通常為12～24 h，安裝和維護(hù)較為困難，成本高昂。

2 性能要求

對于海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的根本要求是能及時(shí)對泄漏進(jìn)行報(bào)警并準(zhǔn)確定位。

由于管道泄漏監(jiān)測技術(shù)尚處于研究階段，現(xiàn)在能夠查到的是美國石油學(xué)會(huì)API 1130、API 1149、API 1155這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。API 1130標(biāo)準(zhǔn)對液體管道計(jì)算監(jiān)測系統(tǒng)明確提出可靠性、準(zhǔn)確性、靈敏性和穩(wěn)健性4項(xiàng)主要性能[10]，亦可根據(jù)性能的重要程度細(xì)分為6項(xiàng)主要性能指標(biāo)（可靠性、準(zhǔn)確性、靈敏性、穩(wěn)健性、定位精度、成本）和4項(xiàng)次要性能指標(biāo)（響應(yīng)時(shí)間、使用便捷性、有效作用范圍、維護(hù)難易程度）。

3 評價(jià)及討論

針對上文提及的4種泄漏監(jiān)測方法并選取10項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行對比分析討論。對于每一項(xiàng)性能指標(biāo)設(shè)定6個(gè)等級，其中數(shù)值5表示最適合，數(shù)值0表示不適合；同時(shí)對于每一項(xiàng)性能指標(biāo)賦予不同的權(quán)重系數(shù)；最后由每一項(xiàng)性能的等級得分乘以權(quán)重再累加得到泄漏方法的最終分級評分，得分越高，表示分級越高，適用性越強(qiáng)。以此為海底管道泄漏監(jiān)測方法的選取提供一定的參考價(jià)值和借鑒作用。監(jiān)測系統(tǒng)對比分析及分級見表1。

通過上述比較可以看出，參數(shù)計(jì)算法是最合適的海底管道泄漏監(jiān)測方法。事實(shí)上此種方法已經(jīng)得到比較廣泛的應(yīng)用，對于小泄漏有很好的靈敏性，具有較低的誤報(bào)率。

表1 不同監(jiān)測方法對比分析及分級

4 結(jié)束語

比較而言，參數(shù)計(jì)算法是目前最合適的海底管道泄漏監(jiān)測方法，由于海底管道服役環(huán)境復(fù)雜，各種監(jiān)測方法各有利弊，多種方法組合使用或許是一個(gè)趨勢。今后海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)重點(diǎn)發(fā)展方向?yàn)榻档偷统杀荆岣邷?zhǔn)確性、靈敏性和可靠性。

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Feasibility analysis ofsubsea pipeline leak detection system

JIANG Xiaobin，ZHANG Xiaoling，YAN Huayun，HAN Xueyan

CNOOC（Tianjin）Pipeline Engineering Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China

Pipeline leaks could normally cause huge economic losses and have significant threats to personalsafety and marine ecological environment.The primary purpose of applying pipeline leak detection system is to detect and locate leak as early as possible，so as to reduce economic loss and damage to the environment．This paper introduces four methods suitable for subsea pipelines:computational pipeline monitoring method，infrasonic detection method，optical fiber detection method and gas detection method，and their working principles are analyzed respectively.According to the performance indexes required by subsea pipeline leak detection system，the corresponding weights and ratings of the four methods are given，then the score for each detection method is obtained．The results show that computational pipeline monitoring method getting the highest score is the most suitable for subsea pipeline leak detection.

pipeline leak detection system；distributed opticalfiber；feasibility analysis

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.01.019

國家重大科技專項(xiàng)大型油氣田及煤層氣開發(fā)海洋深水油氣田開發(fā)工程技術(shù)項(xiàng)目“深水海底天然氣管道減阻和泄漏監(jiān)測技術(shù)課題”（2016ZX05028004-006）。

蔣曉斌（1979-），男，四川安岳人，高級工程師，2006年畢業(yè)于西安石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事海底管道相關(guān)技術(shù)研發(fā)工作。Email：jiangxb3@cnooc.com.cn

2016-11-30