海底管道泄漏監測系統可行性分析

蔣曉斌，張曉靈，閆化云，韓雪艷

中海油（天津）管道工程技術有限公司，天津 300452

海底管道泄漏監測系統可行性分析

蔣曉斌，張曉靈，閆化云，韓雪艷

中海油（天津）管道工程技術有限公司，天津 300452

對于海底管道來說，管道泄漏會造成巨大的經濟損失，對人身安全以及海洋生態環境產生重大的威脅。管道泄漏監測系統的目的是盡早發現泄漏并找到泄漏位置，從而減少經濟損失和對環境的破壞。介紹了適用于海底管道泄漏監測的4種方法：參數計算法、次聲波法、光纖法和氣體監測法，并對其工作原理分別進行了分析。針對海底管道泄漏監測系統所要求的性能指標，分別賦予4種方法以相應的權重和等級，計算每一種檢測方法的分值，結果表明，參數計算方法得分最高，是最合適的海底管道泄漏監測方法。

管道泄漏監測系統；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1.6 km鉆采平臺之間的海底輸油管道以來，截至2015年12月31日，我國共建設海底管道336條，累計長度約6 307 km，擔負著海洋原油、凝析油、天然氣、水的輸送任務。據統計，多年來共發生38起海底管道事故[1]，其中第三方破壞15起，占比39.5%；內腐蝕11起，占比28.9%；外腐蝕3起，占比7.9%。

海底管道一旦發生泄漏，如未能及時察覺并采取相應措施，勢必造成巨大的經濟損失，同時對人身安全以及海洋生態環境產生重大的威脅。

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，提及的就是關于泄漏探測的問題。近年來，大量的學者在泄漏監測的方法研究、儀器設備制造、信號分析處理等方面進行了大量的工作，在陸地管道上已有不少工程應用，取得了良好的效果。

我國在管道泄漏監測技術方面的研究起步較晚，由于海底管道作業環境惡劣，安裝施工維護成本高，能量中繼難以實施等特點，直至目前，我國海底管道泄漏監測系統還停留在實驗階段，尚未大范圍推廣應用，監測系統可行性、適用性有待驗證。

國外的管道泄漏檢測技術起步早，研究深入，在系統性能、精確度等方面處于領先地位，目前已經開發出多種成熟的商業軟件。如今形成的較為成熟的理論體系和專用技術，已經被廣泛地應用在管道泄漏監控系統上[2]。

1 管道泄漏監測技術

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

1.1 參數計算法

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

（2）壓力點分析法。其基本原理為通過沿線布置的壓力變送器監測到的管道壓力狀態變化來判斷是否發生泄漏，管道正常運行時其壓力值呈現連續變化的穩定狀態[4]，當泄漏發生時泄漏點處壓力突降，破壞了原有的穩態，并向新的穩態過渡。

（3）序貫概率法。序貫概率法是一種統計方法，在平衡法和壓力監測法的基礎上通過數據處理進行分析計算，判斷管道是否泄漏，是泄漏監測系統中主要泄漏判斷方法之一[5]。

英國基于概率統計方法的Atmos Pipe系統已經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測系統。

1.2 次聲波法

當管道一旦發生泄漏時（腐蝕造成的小的滲漏除外），會產生強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行泄漏報警和漏點定位。

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定位管道泄漏點具有很大的發展前景[6]，次聲波泄漏檢測系統如圖1所示。

圖1 次聲波泄漏監測系統示意

當管道一旦發生泄漏，泄漏處產生的次聲波信號分別朝上、下游兩個方向進行傳播，并被傳感器接收，設兩個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間分別為t1、t2，則泄漏點S的位置可由公式S=D/2+1/2（t1-t2）V來確定。

從上世紀80年代開始，ASI公司的次聲波泄漏監測系統陸續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目中進行了應用。

由ASI公司的實驗和實際項目應用結果可知，次聲波泄漏監測系統可以探測到泄漏孔徑為5.1 mm或泄漏量達到0.5%時的泄漏。定位誤差視監測距離有所不同，通常在±200 m。系統報警響應時長平均為100 s以內，對于陸地管道而言，最大的有效測量距離可達75 km。

1.3 光纖法

分布式光纖傳感器具有同時獲取在傳感光纖區域內隨時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對被測量的空間定位多基于光時域反射技術，即向光纖中注入一個脈沖，通過反射信號和入射脈沖之間的時間差來確定空間位置。

管道一旦發生泄漏，會使得周圍環境溫度場及應力場發生變化，進而導致光纖內的散射光強度、頻率及相位發生變化，通過處理接收散射光信息可判斷管道泄漏的發生，通過脈沖時間與散射光接收時間可定位泄漏位置[7]。

對于測溫系統，推薦將其光纖布置在距離監測管道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。

光纖安裝施工時需要保證不被損壞，滿足安裝施工質量的要求，對于海底管道而言，還應對鋪管船作業影響小，因此實現起來非常困難。而且光纖傳感系統的長期可靠性保證以及光纖損壞修復的高成本都制約著光纖監測系統應用。

1.4 氣體監測法

氣體監測法（德語Leck Erkennungs Ortungs System，簡稱LEOS）。此種方法最早于30多年以前應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一條小口徑（外徑一般小于16 mm）、帶有循環空氣的監測管，該監測管一般由塑料材質制成，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部。通過將烴類分子傳輸到檢測站點進行分析識別能夠有效監測泄漏和進行定位[9]。

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

2 性能要求

對于海底管道泄漏監測系統的根本要求是能及時對泄漏進行報警并準確定位。

由于管道泄漏監測技術尚處于研究階段，現在能夠查到的是美國石油學會API 1130、API 1149、API 1155這三個標準。API 1130標準對液體管道計算監測系統明確提出可靠性、準確性、靈敏性和穩健性4項主要性能[10]，亦可根據性能的重要程度細分為6項主要性能指標（可靠性、準確性、靈敏性、穩健性、定位精度、成本）和4項次要性能指標（響應時間、使用便捷性、有效作用范圍、維護難易程度）。

3 評價及討論

針對上文提及的4種泄漏監測方法并選取10項性能指標進行對比分析討論。對于每一項性能指標設定6個等級，其中數值5表示最適合，數值0表示不適合；同時對于每一項性能指標賦予不同的權重系數；最后由每一項性能的等級得分乘以權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。以此為海底管道泄漏監測方法的選取提供一定的參考價值和借鑒作用。監測系統對比分析及分級見表1。

通過上述比較可以看出，參數計算法是最合適的海底管道泄漏監測方法。事實上此種方法已經得到比較廣泛的應用，對于小泄漏有很好的靈敏性，具有較低的誤報率。

表1 不同監測方法對比分析及分級

4 結束語

比較而言，參數計算法是目前最合適的海底管道泄漏監測方法，由于海底管道服役環境復雜，各種監測方法各有利弊，多種方法組合使用或許是一個趨勢。今后海底管道泄漏監測系統重點發展方向為降低低成本，提高準確性、靈敏性和可靠性。

[1]方娜，陳國明，朱紅衛.海底管道泄漏事故統計分析[J].油氣儲運，2014，33（1）：99-103.

[2]KULKAMI M G，ARSLLAN H．Offshore pipeline leak detection system concepts and feasibility study[C]//Twenty-second International Offshore and Engineering Conference.Rhodes，Greece：ISOPE，2012：381－388.

[3]SENDBERG C，HOLMES J．The application of a continuous leak detection system to pipelines and associated equipment, industry applications[J].IEEE Transactions，1998，25（5）：906-909．

[4]DIANE J H，EDWARD J F．Pressure point analysis leak detection methodology，performance and application[C]//EFA Technologies．New Orleans，LA：AICh E Spring Meeting，2002：5 603-5 608．

[5]MODISETTE J P．State estimation of pipeline models using the ensemble kalman filter[C]//Pipeline Simulation Interest Group．Prague：Czech Republic，2013：PSIG 1322．

[6]YAN Rong xin，QI Lei．The gas leak detection technology of the spacecraft on orbit based on acoustic sensor array[C] //International Congress on Ultrasonics．Metz：Elsevier's Physics Procedia，2015：384-387．

[7]WALKER I，CARR D．Fibre optic leak detection[C]//Offshore Technology Conference.Houston：OTC，2003：OTC15360．

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[9]BRYCE P W，JAX P，FANG Jie．The design and installation of the LEOS deak detection and locatiion system for the northstar project[C]//4th International Pipeline Conference．Calgary，Alberta，Canada：IPC，2002：27042．

[10]API RP 1130-2007，Computational pipeline monitoring for liquids[S]．

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

國家重大科技專項大型油氣田及煤層氣開發海洋深水油氣田開發工程技術項目“深水海底天然氣管道減阻和泄漏監測技術課題”（2016ZX05028004-006）。

蔣曉斌（1979-），男，四川安岳人，高級工程師，2006年畢業于西安石油大學油氣儲運專業，碩士，現從事海底管道相關技術研發工作。Email：jiangxb3@cnooc.com.cn

2016-11-30