光纖技術在海上油氣外輸漂浮軟管安全監測中的應用前景淺析

李再春

摘 要：外輸漂浮軟管是海上油氣生產的重要設施，目前在海上周期性服役期間，尚無可靠的實時監測方案和技術，因此存在相當的失效風險。本文結合大量實際案例與實踐分析，討論了光纖分布式監測技術在管道泄漏監測應用的不同角度，從溫度、振動、聲波分別論證了在外輸漂浮軟管應用的可行性。光纖技術與軟管的結合有多種方式可以嘗試。

關鍵詞：光纖分布式傳感;外輸漂浮軟管;安全監測;應用可行性

0 引言

隨著近十幾年海洋油氣生產的不斷發展，海洋油氣設施建設也隨之進入了高峰，而外輸漂浮軟管作為FPSO上常見的外輸設施，其關鍵程度是不言而喻的。而海上外輸作業工作量大、時間長，因此對于外輸漂浮軟管的狀態監測一直以來是該領域工作的難點。隨著技術的發展，對于監測技術尤其是在線自動監測技術的需求日益明確，在此背景下，探索新型傳感技術在外輸漂浮軟管安全監測中的應用趨勢，是該領域工作者的研究方向之一。

1 外輸漂浮軟管概述及特點

外輸漂浮軟管主要承擔FPSO原油的外輸任務，整串完整的漂浮軟管其結構一般由首管、主管、尾管以及弦管組成。目前所用的輸油漂浮軟管均為復合多層結構，分別為內膠層、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的關鍵組成部分，外輸漂浮軟管已成為不可缺少的配套設備。海上漂浮外輸軟管所輸送的介質多為處理過的原油或液態石油產品，其內層為橡膠層，幾乎不存在因為腐蝕導致的內部失效風險。

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

目前國內外越來越多的廠家為外輸漂浮軟管增加了雙層結構管體，主要原理是一旦內層管體破裂后，法蘭處有警示標識物，并且外層管體還可以保證其低壓運行一段時間，提高了外輸軟管的安全等級[1]。但是諸如長期漂浮式的軟管，如何去甄別法蘭處壓力警示，可操作性不大。隨著技術的不斷進步，外輸軟管領域也需要積極探索在線監測智能化監測的可行性。

2 光纖傳感技術在石化領域應用現狀

光纖傳感技術憑借其監測精度高、監測可靠性高、不受電磁信號干擾、壽命長、監測周期無需校準的特點，在航空、航天、高鐵、電力、工業物聯網等諸多領域得到了普遍應用。而光纖傳感器使用光信號進行監測的優勢，使得其傳感器具有本安特點，加上其壽命長、腐蝕耐受性好等特點，使其在石油石化領域備受青睞。

根據光學傳感器件的不同，光纖傳感技術可以基本分成點式監測和分布式監測兩個主要方向。點式傳感器多使用光柵式，即通過蝕刻將光纖纖芯按照一定間隔刻成隔柵，光信號在光纖內部傳播時，只有特定波長的光可以通過柵區，而柵區對溫度、應力等敏感，在外界環境變化時其柵區會發生相應變化，光信號的波長也會發生相應的變化，可以建立起對應關系，從而實現對溫度、應變、位移、壓力、應力等物理量的測量。分布式監測是利用光纖本身作為傳感器，光信號在光纖中傳播的過程中，會產生微弱的后向散射的光信號，以光信號的中心波長為中心分別在兩側對應出現布里淵、拉曼、瑞利等信號，根據這些信號不同的響應特征，通過相位、頻率、強度甚至偏振等分析，實現了沿光纖本身分布式對溫度變化、應力、振動、聲音的監測。

上述兩種不同類型光纖傳感技術各有特色，其在應用上也各有側重，點式測量多用于重點位置、關鍵設備，分布式監測由于其線性監測的特點，越來越多的被應用于隧道、管廊、鐵路、電力電纜以及油氣輸送管線。進入21世紀以來，逐漸將光纖伴管鋪設，一方面利用光纜進行通信，另一方面運用其中部分幾路光纖進行管道在線監測。最初僅是運用拉曼原理進行溫度監測，實現對于原油泄漏的監測。隨著對布里淵信號和瑞利信號的解析能力不斷增強，越來越多的管線開展振動監測及周界安防監測，監測覆蓋更加全面。

對于海上油田而言，使用光纖監測已達到了國內同行業先進水平，其中包括導管架關鍵節點監測分析導管架設施在臺風過程中所積累的疲勞荷載等關鍵信息;變控電柜溫度在線監測為電力組網安全提供了有力保障;海管上安裝了基于溫度和振動兩種模式識別的海管泄漏監測系統為管道安全運行提供保障。

3 光纖傳感技術在海上油氣漂浮輸油軟管安全監測應用展望

無論是氣體介質還是液體介質，其泄漏現象與其泄漏過程之間具備極強的相關性。管道在輸送高壓流體時如果出現破裂或微孔，由于管道內外巨大的壓力差，流體介質必然會在漏孔內產生高速流動。當流體介質高速通過狹小的孔隙時，會出現擴張、減速、碰撞以及振動等現象，從而產生雷諾應力或者剪切力形成湍流，流體快速膨脹并出現紊流現象[2]。該現象使得泄漏時會伴隨聲音、振動等特征信號。此外，由于內部介質泄漏所導致的外部溫度場的變化也是顯而易見的。

綜合以上結論，我們可以推測，只要驗證光纖分布式監測技術對于溫度場、聲場或者振動其中一項或幾項的可行性，那么光纖技術在外輸漂浮軟管安全監測上的應用將具有極強的可行性。

通過大量的實際案例可以看到，分布式光纖傳感技術對線性目標監測效果極佳[3]，對于油田而言，無論是陸地輸油管線亦或者是海底管線均有大量的應用先例。針對光纖分布式監測所涉及到的后向散射信號，主要包含了對聲音信號敏感的瑞利信號、對溫度敏感的拉曼信號以及對溫度和應力場雙向敏感的布里淵信號。

以拉曼散射現象為例，逆斯托克斯信號與斯托克斯信號強度比滿足公式：

其中，v是激光頻率，vj是振動頻率，h是普朗克常量，K是玻爾茲曼常數，T是絕對溫度。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測到由于泄漏導致的溫度場變化是可行的。類似，瑞利信號對聲音信號的診斷和定位以及布里淵信號對振動事件的診斷和定位，已經經過了充分的理論證明和大量的工程實踐的考驗。

4 應用挑戰

光纖對于漂浮輸油軟管安全監測從理論角度而言，具備充分的可行性，但是進入工程應用階段之前，尚需大量工作開展。筆者試從幾個角度出發討論：

4.1 噪聲問題

溫度場的變化由于收到海水浪流作用，泄露介質的溫度場極容易擴散，在微量泄漏的時期，其溫度場不穩定，因此會導致較大信號噪聲;對于聲音信號，優點是其監測距離較短，一般只需要200～300m距離即可實現對外輸漂浮軟管的監測，因此光纖本身的噪聲信號較小，但是在海水漂浮中，受潮汐力作用，是否會引入新的背景噪音還不可知。

4.2 安裝工藝問題

安裝工藝一貫是光纖監測類項目的關鍵點，以中海油實施的成功案例舉例，都涉及到大量的工程化轉化的研究工作，大到定制特殊光纜、小到設計專用插接頭。對于漂浮軟管而言，其本身就具有多層結構，尤其是內外層承壓的雙層結構，因此，光纖可以從尋求辦法從雙層結構之間穿越布設，在法蘭頭進行連接保護。該種方案安裝過程需要涉及到吹纖工藝，即從狹小空間內將光纖通過高壓氣吹至對面。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。

除了應對上述挑戰，光纖監測技術應用到外輸漂浮軟管泄漏監測上還有大量的實踐工作需要開展，但是從監測可行性以及監測必要性而言，使用光纖技術開展類似研究將具有極大的實際意義。

參考文獻：

[1]王平，吳平，王維相.國內外近海停泊以及海上輸油膠管的應用與發展概況[J].中國橡膠，2012，028（001）：41-45.

[2]畢琨.高壓管道泄漏的CFD仿真分析與試驗研究[D].北京：華北電力大學，2017.

[3]鄒建.分布式光纖溫度測量系統關鍵技術研究[D].重慶：重慶大學，2005.