光纖技術(shù)在海上油氣外輸漂浮軟管安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景淺析

李再春

摘 要：外輸漂浮軟管是海上油氣生產(chǎn)的重要設(shè)施，目前在海上周期性服役期間，尚無(wú)可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案和技術(shù)，因此存在相當(dāng)?shù)氖эL(fēng)險(xiǎn)。本文結(jié)合大量實(shí)際案例與實(shí)踐分析，討論了光纖分布式監(jiān)測(cè)技術(shù)在管道泄漏監(jiān)測(cè)應(yīng)用的不同角度，從溫度、振動(dòng)、聲波分別論證了在外輸漂浮軟管應(yīng)用的可行性。光纖技術(shù)與軟管的結(jié)合有多種方式可以嘗試。

關(guān)鍵詞：光纖分布式傳感;外輸漂浮軟管;安全監(jiān)測(cè);應(yīng)用可行性

0 引言

隨著近十幾年海洋油氣生產(chǎn)的不斷發(fā)展，海洋油氣設(shè)施建設(shè)也隨之進(jìn)入了高峰，而外輸漂浮軟管作為FPSO上常見的外輸設(shè)施，其關(guān)鍵程度是不言而喻的。而海上外輸作業(yè)工作量大、時(shí)間長(zhǎng)，因此對(duì)于外輸漂浮軟管的狀態(tài)監(jiān)測(cè)一直以來(lái)是該領(lǐng)域工作的難點(diǎn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于監(jiān)測(cè)技術(shù)尤其是在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的需求日益明確，在此背景下，探索新型傳感技術(shù)在外輸漂浮軟管安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用趨勢(shì)，是該領(lǐng)域工作者的研究方向之一。

1 外輸漂浮軟管概述及特點(diǎn)

外輸漂浮軟管主要承擔(dān)FPSO原油的外輸任務(wù)，整串完整的漂浮軟管其結(jié)構(gòu)一般由首管、主管、尾管以及弦管組成。目前所用的輸油漂浮軟管均為復(fù)合多層結(jié)構(gòu)，分別為內(nèi)膠層、鋼制骨架層、中膠層、漂浮層、外膠層。作為海上油氣田開采外輸?shù)年P(guān)鍵組成部分，外輸漂浮軟管已成為不可缺少的配套設(shè)備。海上漂浮外輸軟管所輸送的介質(zhì)多為處理過(guò)的原油或液態(tài)石油產(chǎn)品，其內(nèi)層為橡膠層，幾乎不存在因?yàn)楦g導(dǎo)致的內(nèi)部失效風(fēng)險(xiǎn)。

外輸漂浮軟管的失效風(fēng)險(xiǎn)主要源自在頻繁的外輸作業(yè)過(guò)程中，外輸軟管與船體本身接觸導(dǎo)致的失效，包括拖輪、FPSO的甲板，提油輪船舷在操作中的摩擦、剮蹭導(dǎo)致外膠層破損甚至整體管失效破損，小型漁船非法作業(yè)是直接碰撞導(dǎo)致管線受損。

目前國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的廠家為外輸漂浮軟管增加了雙層結(jié)構(gòu)管體，主要原理是一旦內(nèi)層管體破裂后，法蘭處有警示標(biāo)識(shí)物，并且外層管體還可以保證其低壓運(yùn)行一段時(shí)間，提高了外輸軟管的安全等級(jí)[1]。但是諸如長(zhǎng)期漂浮式的軟管，如何去甄別法蘭處壓力警示，可操作性不大。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，外輸軟管領(lǐng)域也需要積極探索在線監(jiān)測(cè)智能化監(jiān)測(cè)的可行性。

2 光纖傳感技術(shù)在石化領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

光纖傳感技術(shù)憑借其監(jiān)測(cè)精度高、監(jiān)測(cè)可靠性高、不受電磁信號(hào)干擾、壽命長(zhǎng)、監(jiān)測(cè)周期無(wú)需校準(zhǔn)的特點(diǎn)，在航空、航天、高鐵、電力、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等諸多領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用。而光纖傳感器使用光信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，使得其傳感器具有本安特點(diǎn)，加上其壽命長(zhǎng)、腐蝕耐受性好等特點(diǎn)，使其在石油石化領(lǐng)域備受青睞。

根據(jù)光學(xué)傳感器件的不同，光纖傳感技術(shù)可以基本分成點(diǎn)式監(jiān)測(cè)和分布式監(jiān)測(cè)兩個(gè)主要方向。點(diǎn)式傳感器多使用光柵式，即通過(guò)蝕刻將光纖纖芯按照一定間隔刻成隔柵，光信號(hào)在光纖內(nèi)部傳播時(shí)，只有特定波長(zhǎng)的光可以通過(guò)柵區(qū)，而柵區(qū)對(duì)溫度、應(yīng)力等敏感，在外界環(huán)境變化時(shí)其柵區(qū)會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，光信號(hào)的波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，可以建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)變、位移、壓力、應(yīng)力等物理量的測(cè)量。分布式監(jiān)測(cè)是利用光纖本身作為傳感器，光信號(hào)在光纖中傳播的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生微弱的后向散射的光信號(hào)，以光信號(hào)的中心波長(zhǎng)為中心分別在兩側(cè)對(duì)應(yīng)出現(xiàn)布里淵、拉曼、瑞利等信號(hào)，根據(jù)這些信號(hào)不同的響應(yīng)特征，通過(guò)相位、頻率、強(qiáng)度甚至偏振等分析，實(shí)現(xiàn)了沿光纖本身分布式對(duì)溫度變化、應(yīng)力、振動(dòng)、聲音的監(jiān)測(cè)。

上述兩種不同類型光纖傳感技術(shù)各有特色，其在應(yīng)用上也各有側(cè)重，點(diǎn)式測(cè)量多用于重點(diǎn)位置、關(guān)鍵設(shè)備，分布式監(jiān)測(cè)由于其線性監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，越來(lái)越多的被應(yīng)用于隧道、管廊、鐵路、電力電纜以及油氣輸送管線。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，逐漸將光纖伴管鋪設(shè)，一方面利用光纜進(jìn)行通信，另一方面運(yùn)用其中部分幾路光纖進(jìn)行管道在線監(jiān)測(cè)。最初僅是運(yùn)用拉曼原理進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于原油泄漏的監(jiān)測(cè)。隨著對(duì)布里淵信號(hào)和瑞利信號(hào)的解析能力不斷增強(qiáng)，越來(lái)越多的管線開展振動(dòng)監(jiān)測(cè)及周界安防監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)覆蓋更加全面。

對(duì)于海上油田而言，使用光纖監(jiān)測(cè)已達(dá)到了國(guó)內(nèi)同行業(yè)先進(jìn)水平，其中包括導(dǎo)管架關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)分析導(dǎo)管架設(shè)施在臺(tái)風(fēng)過(guò)程中所積累的疲勞荷載等關(guān)鍵信息;變控電柜溫度在線監(jiān)測(cè)為電力組網(wǎng)安全提供了有力保障;海管上安裝了基于溫度和振動(dòng)兩種模式識(shí)別的海管泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為管道安全運(yùn)行提供保障。

3 光纖傳感技術(shù)在海上油氣漂浮輸油軟管安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用展望

無(wú)論是氣體介質(zhì)還是液體介質(zhì)，其泄漏現(xiàn)象與其泄漏過(guò)程之間具備極強(qiáng)的相關(guān)性。管道在輸送高壓流體時(shí)如果出現(xiàn)破裂或微孔，由于管道內(nèi)外巨大的壓力差，流體介質(zhì)必然會(huì)在漏孔內(nèi)產(chǎn)生高速流動(dòng)。當(dāng)流體介質(zhì)高速通過(guò)狹小的孔隙時(shí)，會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)張、減速、碰撞以及振動(dòng)等現(xiàn)象，從而產(chǎn)生雷諾應(yīng)力或者剪切力形成湍流，流體快速膨脹并出現(xiàn)紊流現(xiàn)象[2]。該現(xiàn)象使得泄漏時(shí)會(huì)伴隨聲音、振動(dòng)等特征信號(hào)。此外，由于內(nèi)部介質(zhì)泄漏所導(dǎo)致的外部溫度場(chǎng)的變化也是顯而易見的。

綜合以上結(jié)論，我們可以推測(cè)，只要驗(yàn)證光纖分布式監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)于溫度場(chǎng)、聲場(chǎng)或者振動(dòng)其中一項(xiàng)或幾項(xiàng)的可行性，那么光纖技術(shù)在外輸漂浮軟管安全監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用將具有極強(qiáng)的可行性。

通過(guò)大量的實(shí)際案例可以看到，分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)線性目標(biāo)監(jiān)測(cè)效果極佳[3]，對(duì)于油田而言，無(wú)論是陸地輸油管線亦或者是海底管線均有大量的應(yīng)用先例。針對(duì)光纖分布式監(jiān)測(cè)所涉及到的后向散射信號(hào)，主要包含了對(duì)聲音信號(hào)敏感的瑞利信號(hào)、對(duì)溫度敏感的拉曼信號(hào)以及對(duì)溫度和應(yīng)力場(chǎng)雙向敏感的布里淵信號(hào)。

以拉曼散射現(xiàn)象為例，逆斯托克斯信號(hào)與斯托克斯信號(hào)強(qiáng)度比滿足公式：

其中，v是激光頻率，vj是振動(dòng)頻率，h是普朗克常量，K是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度。由此易得出，二者的比值是溫度值，因此光纖分布式傳感器監(jiān)測(cè)到由于泄漏導(dǎo)致的溫度場(chǎng)變化是可行的。類似，瑞利信號(hào)對(duì)聲音信號(hào)的診斷和定位以及布里淵信號(hào)對(duì)振動(dòng)事件的診斷和定位，已經(jīng)經(jīng)過(guò)了充分的理論證明和大量的工程實(shí)踐的考驗(yàn)。

4 應(yīng)用挑戰(zhàn)

光纖對(duì)于漂浮輸油軟管安全監(jiān)測(cè)從理論角度而言，具備充分的可行性，但是進(jìn)入工程應(yīng)用階段之前，尚需大量工作開展。筆者試從幾個(gè)角度出發(fā)討論：

4.1 噪聲問(wèn)題

溫度場(chǎng)的變化由于收到海水浪流作用，泄露介質(zhì)的溫度場(chǎng)極容易擴(kuò)散，在微量泄漏的時(shí)期，其溫度場(chǎng)不穩(wěn)定，因此會(huì)導(dǎo)致較大信號(hào)噪聲;對(duì)于聲音信號(hào)，優(yōu)點(diǎn)是其監(jiān)測(cè)距離較短，一般只需要200～300m距離即可實(shí)現(xiàn)對(duì)外輸漂浮軟管的監(jiān)測(cè)，因此光纖本身的噪聲信號(hào)較小，但是在海水漂浮中，受潮汐力作用，是否會(huì)引入新的背景噪音還不可知。

4.2 安裝工藝問(wèn)題

安裝工藝一貫是光纖監(jiān)測(cè)類項(xiàng)目的關(guān)鍵點(diǎn)，以中海油實(shí)施的成功案例舉例，都涉及到大量的工程化轉(zhuǎn)化的研究工作，大到定制特殊光纜、小到設(shè)計(jì)專用插接頭。對(duì)于漂浮軟管而言，其本身就具有多層結(jié)構(gòu)，尤其是內(nèi)外層承壓的雙層結(jié)構(gòu)，因此，光纖可以從尋求辦法從雙層結(jié)構(gòu)之間穿越布設(shè)，在法蘭頭進(jìn)行連接保護(hù)。該種方案安裝過(guò)程需要涉及到吹纖工藝，即從狹小空間內(nèi)將光纖通過(guò)高壓氣吹至對(duì)面。除了直接安裝的形式之外，還可以考慮利用漂浮軟管纏繞式生產(chǎn)的工藝，將光纖與尼龍水膠布或者外膠層一起纏繞，普通光纖耐溫可做到200攝氏度乃至更高，足以滿足硫化要求。

除了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用到外輸漂浮軟管泄漏監(jiān)測(cè)上還有大量的實(shí)踐工作需要開展，但是從監(jiān)測(cè)可行性以及監(jiān)測(cè)必要性而言，使用光纖技術(shù)開展類似研究將具有極大的實(shí)際意義。

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