海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設計應用

劉健

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

原油(天然氣)輸送管道是油氣田生產(chǎn)的生命線，如果管道發(fā)生穿孔，將會導致環(huán)境污染等一系列不良后果，同時巡線、停產(chǎn)、搶險、補漏，需花費大量的人力、物力、時間，因此造成的經(jīng)濟損失巨大。如果采取先進的科技手段，對輸油(氣)管道進行實時監(jiān)測，迅速準確地判斷出泄漏位置，就能使突發(fā)事件得到及時處理，使損失降到最低限度，并對不法分子形成強大的震懾和遏制作用，從而確保國家財產(chǎn)免受損失，對保障油田生產(chǎn)的正常運行具有重大意義。

1 泄漏監(jiān)測系統(tǒng)類型

管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)主要分為三種類型： 基于內(nèi)部參數(shù)的監(jiān)測方法、基于外部探測的監(jiān)測方法、定期泄漏測試的監(jiān)測方法。這三種類型中均存在連續(xù)監(jiān)測與非連續(xù)監(jiān)測的方法，本文將主要研究實時連續(xù)監(jiān)測的管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)?，F(xiàn)有的管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)具有以下特性：

1)管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)只適用于某范圍內(nèi)的泄漏量的監(jiān)測，對于滲漏工況不適用，對于爆裂工況也不適用。

2)管道所處的地理位置不同、輸送的介質(zhì)不同，都可以進行泄漏監(jiān)測，只是泄漏監(jiān)測系統(tǒng)應用的原理不同。

3)沒有一種泄漏監(jiān)測方法可適用于所有管道，為有效地監(jiān)測管道在各種工作狀態(tài)下的泄漏，建議使用內(nèi)部或外部相結(jié)合的監(jiān)測技術(shù)手段。

4)由于監(jiān)測的原理不同、泄漏監(jiān)測的方法不同、選取參數(shù)不同、管道工況也不同，因此不同管道適用的泄漏監(jiān)測的上、下限也不同，目前沒有統(tǒng)一的界定范圍。

2 管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)適用范圍

2.1 按泄漏等級劃分

2.1.1 API 1175—2015PipelineLeakDetection—ProgramManagement

API 1175—2015PipelineLeakDetection—ProgramManagement的6.4節(jié)和6.5節(jié)中指出，管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)需要考慮管道的特性、泄漏量等級以及流體介質(zhì)等因素，從而判別泄漏監(jiān)測系統(tǒng)能否適用于該管道。該標準關(guān)于泄漏等級的分類見表1所列。

表1 泄漏等級分類

注： √—很可能探測；○—可能探測；×—不可能探測。

根據(jù)表1的描述，每種泄漏監(jiān)測方法并不能覆蓋所有時刻、所有類型的泄漏監(jiān)測。設計管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)之前，首先應明確可接受的泄漏等級，而泄漏監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的泄漏等級，通常為中等泄漏或者微小泄漏。

2.1.2 SY/T 6826—2011《液體管道的計算監(jiān)測》

該標準附錄A中規(guī)定：“管道計算監(jiān)測(CPM)是一個在其能力范圍內(nèi)用來探測泄漏的管道工具。它能探測到管輸物漏失或者疑似泄漏的水力異?，F(xiàn)象。同其他工具相似，CPM系統(tǒng)只能用于特定用途，并且也有被限制的地方。限制是多方面的因素”。該標準中關(guān)于CPM的閾值劃分如圖1所示。

圖1 CPM閾值劃分示意

圖1所示的管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)有效范圍存在規(guī)定上限和規(guī)定下限，高于規(guī)定上限的泄漏量對于有經(jīng)驗的操作人員可直接發(fā)現(xiàn)，而低于規(guī)定下限的泄漏量則無法被監(jiān)測。

2.2 按管道內(nèi)介質(zhì)劃分

1)油管道。API 1130—2002ComputationalPipelineMonitoringforLiquidPipelines與SY/T 6826—2011中，均明確了泄漏監(jiān)測系統(tǒng)可以適用于單相液體管道，但流體應是完全液相或同質(zhì)混合相。

2)氣管道。CSA Z662—2007OilandGasPipelineSystem與API 1149—2015PipelineVariableUncertaintiesandTheirEffectsonLeakDetectability中，也分別定義了泄漏監(jiān)測系統(tǒng)可以應用于氣體管道。

2.3 按管道地理位置劃分

1)SY/T 6826—2011中1.4節(jié)指明了泄漏監(jiān)測系統(tǒng)所在管道的地理位置，該標準主要用于陸上和海洋干線管道系統(tǒng)。

2)API 1130—2002中1.4節(jié)注明了泄漏監(jiān)測系統(tǒng)所在管道可以位于陸地或海洋，也可適用于其他管道系統(tǒng)。

3)CSA Z662—2007中1.2節(jié)規(guī)定了泄漏監(jiān)測系統(tǒng)應用范圍，包括石油工業(yè)流體、海上管道、陸上管道、油庫和泵站等。

3 海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設計

3.1 海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)性能設計

海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設計，應滿足以下監(jiān)測性能：

1)靈敏性。當海底管道發(fā)生泄漏時，能及時做出響應。

2)準確性。當海底管道發(fā)生泄漏時，能準確地找到泄漏源。

3)可靠性。應能適用于海洋環(huán)境或海底工況，系統(tǒng)出現(xiàn)誤報警的概率要低于標準規(guī)定的數(shù)值。

4)魯棒性。當通信信號出現(xiàn)中斷或在數(shù)據(jù)丟失的情況下，系統(tǒng)能保存數(shù)據(jù)并提供有用的信息。

5)實時性。當數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)受限或傳輸帶寬不高時，泄漏監(jiān)測系統(tǒng)應能做到實時監(jiān)測分析。

6)連續(xù)性。在管道輸送介質(zhì)過程中或管道停工狀態(tài)下，泄漏監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)監(jiān)測管道的運行狀態(tài)。

3.2 海底管道泄漏監(jiān)測方法

管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)目前是比較成熟的監(jiān)測技術(shù)，但考慮到海洋環(huán)境或海底工況的特殊性，通過查閱收集到的海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)應用案例，對適用于海底油氣管道實時在線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的原理方法進行歸類、總結(jié)。

3.2.1 基于外部的泄漏監(jiān)測方法

1)分布式光纖傳感監(jiān)測法。該方法適用于新建管道，當激光在光纖中發(fā)生散射時，通過對比與溫度變化有關(guān)的反斯托克斯波和與溫度變化無關(guān)的斯托克斯波，即可獲得溫度值，并通過反射光的傳播時間和折射率可以計算出距離，從而實現(xiàn)準確定位。

2)傳感器電纜法。該方法也適用于新建管道，電纜與管道平行鋪設時，當泄漏的物質(zhì)滲入電纜后會引起電纜特性的變化；液態(tài)天然氣管道以及黏油、海底等加熱輸送管道的泄漏，會引起周圍環(huán)境溫度的變化，但對于“快速”泄漏，檢測受制于電纜的電壓、電流，該方法對于管道總長度的限制為15 km以內(nèi)、管道埋深限制在15 m以內(nèi)。在國內(nèi)，該監(jiān)測方法相對應用較少，尚無成熟案例。

3)聲波/負壓波法。該方法適用于海底管道上岸部分，當管道發(fā)生泄漏時，泄漏處物質(zhì)損失造成壓力突然下降，壓降由泄漏處向上、下游傳播，稱之為負壓波。利用負壓波，通過上、下游測量點的時間差，以及負壓波在管道中的傳播速度可以確定泄漏位置。在國內(nèi)成品油管道項目中，該監(jiān)測方法已有多個實際應用案例

3.2.2 基于內(nèi)部的泄漏監(jiān)測方法

1)管道平衡法。監(jiān)測方法基于輸入和輸出測量值之間的不平衡，該種不平衡在1個選定的時間間隔內(nèi)(如15 min～24 h)與預先設定的報警閾值不一致，從而探測不同大小的管輸物漏失。

2)實時瞬態(tài)模型法。通過模型軟件，將模擬結(jié)果與測量數(shù)據(jù)進行比較，先將管道的(管長、管徑、走向、內(nèi)部粗糙度等)物理參數(shù)、流體物性(流量、黏度)、溫度壓力等預先輸入到模型軟件中，根據(jù)軟件中管道的配置，以及主要輸入和輸出點的現(xiàn)場流量、壓力、溫度和密度輸入數(shù)據(jù)，通過軟件建立實時瞬態(tài)水利模型。該模型可在系統(tǒng)瞬態(tài)變化過程中，對整個管道系統(tǒng)的流體動態(tài)特征值進行模擬，最后再將相應的模擬結(jié)果與管道的測量數(shù)據(jù)進行比較，判別是否發(fā)生了泄漏，該監(jiān)測方法已在南海西部某氣田投入使用。

3)壓力/流量監(jiān)測法。依靠質(zhì)量守恒定律，沒有泄漏時進入管道的質(zhì)量流量和流出管道的質(zhì)量流量是相等的，如果出現(xiàn)進入流量大于流出流量，就可以判斷出管道中間有泄漏點。壓力/流量泄漏監(jiān)測原理如圖2所示，目前該監(jiān)測方法已在南海東部某油田取得了良好的應用效果。

圖2 壓力/流量泄漏監(jiān)測原理示意

3.3 海底管道不同泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的比較

管道所處的地理位置不同、輸送的介質(zhì)不同，泄漏監(jiān)測應用的原理也不同，但采用不同監(jiān)測原理的海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)各有其特點，海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的對比見表2所列。

表2 海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)對比

4 結(jié)束語

本文主要介紹了泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的類型，并重點說明了海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的選型設計方法。本文不僅為后續(xù)海底管道建設項目提供了工程設計指導，同時還為生產(chǎn)作業(yè)人員對管道的運行狀態(tài)與維護提供了可借鑒的指導方法：

1)泄漏監(jiān)測方法應考慮結(jié)合兩種及以上方法，實現(xiàn)優(yōu)勢互補、相互印證的作用，減少誤報。

2)對于海底管道，應優(yōu)先選用基于內(nèi)部的CPM方法，其次選基于外部的CPM方法。

3)對于多進、多出的管道，壓力/流量監(jiān)測法與聲波/負壓波法不完全適用，推薦使用實時瞬態(tài)模型法。

4)對于純液體管道，壓力/流量監(jiān)測法與聲波/負壓波法相對可靠，但音波測漏系統(tǒng)存在固有的監(jiān)測距離短等缺點，不適用于長輸管道。

5)對于輸氣管道，音波測漏系統(tǒng)易受環(huán)境噪聲干擾，不推薦使用。

6)對于小于1%的泄漏，管道平衡法與壓力/流量監(jiān)測法一般無法監(jiān)測。

7)對于超過40 km的管道，聲波/負壓波法測量精度隨著管道長度的增加而降低。

8)對于超過15 km的管道，傳感器電纜法不適用。

9)對于超過50 km的管道，分布式光纖傳感監(jiān)測法需要布置多個光纖傳感單元。

10)對于超長管道，實時瞬態(tài)模型法監(jiān)測精度隨著管道長度的增加而降低。