基于次聲波的海底輸油管道泄漏監測系統實施

施曉東

摘要：通過次聲波傳感器，數據采集處理器以及GPS/北斗衛星同步接收裝置安裝，服務器以及監控主機部署。在服務器上安裝服務器主站軟件，監控主機上安裝監測軟件。針對不同孔徑模擬泄放測試獲取數據，對系統算法進行優化。最終采用12mm和6mm泄放孔徑進行測試表明，次聲波泄漏監測系統能夠有效進行報警，響應時間小于120s，定位精度可達±50m。

關鍵詞：次聲波泄漏監測 輸油管道 實施

中圖分類號：TP216文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2022）06（a）-0000-00

Application of Leak Detection System on Submarine Oil Pipeline Based on Infrasound Wave

SHI Xiaodong

（Tianjin Branch of CNOOC （China） Co.，Ltd.， Tianjin，300450 China）

Abstract：Through the installation of infrasound sensor， data acquisition processor and GPS / Beidou satellite synchronous receiving device， the deployment of server and monitoring host. Install the server master software on the server and the monitoring software on the monitoring host. The system algorithm is optimized according to the data obtained from the simulated discharge test with different apertures. Finally， 12 mm and 6 mm drain holes are used to test the results. The results show that the infrasonic leak detection system can effectively alarm， the response time is less than 120 s， and the positioning accuracy can reach ± 50 m.

Key Words： Infrasound wave; Leak detection; Oil pipeline;Application

海底管道是海洋油氣資源輸送的生命線，承擔著原油、天然氣以及水的輸送重任。海底管道在服役過程中，由于腐蝕、工程質量、第三方破壞和自然與地質災害等多方面原因，時常發生事故。海底管道一旦泄漏，輕則造成停產，引起經濟損失;重則產生環境污染，破壞海洋生態[1-2]。

海底輸油管道采用管中管形式，光纖類泄漏監測方法無法實施。次聲波泄漏監測技術由于僅在管道兩端安裝傳感器和分析處理裝置，同時次聲波波長長，傳播距離遠，因此可以用于在役海底輸油管道的泄漏監測。

1 硬件設施安裝

某海底輸油管道，長度約69 km，平臺端輸送壓力3MPa，登陸終端壓力0.5MPa。通過現場調研，進行系統安裝設計。次聲波泄漏監測系統由一個負責數據處理的主站和一個負責數據采集的分站組成。主站一般布置在用戶的中心控制室，它由一臺高品質的數據服務器、專業的控制軟件和信號處理軟件、報警系統和通信系統組成，分站是系統的現場單元，它由高精度次聲波傳感器、音波放大器、信號采集分析系統和通信系統組成[3]。

實施過程中進行如下安裝工作。

對于平臺端：

（1）安裝次聲波測漏傳感器，并將電纜連接到數據采集分析器。

（2）中控室安裝分站數據采集處理器，包括：數據采集系統、數據處理系統、通信系統等部分。

（3）在中甲板安裝GPS/北斗衛星同步接收設備，并將GPS信號電纜鋪設至分站數據采集處理器。

對于登陸終端：

（1）安裝兩支次聲波傳感器，分別使用電纜連接到中控室內數據采集處理器;

（2）中控室安裝分站數據采集處理器，包括：數據采集系統、數據處理系統、通信系統等部分。

（3）在中控室內安裝次聲波泄漏監測系統主站（包括：數據采集器、監控終端、數據服務器軟件等）;

（4）在中控屋頂安裝GPS/北斗衛星同步接收設備，對安裝的GPS/北斗衛星同步接收設備鋪設GPS信號電纜至主站。

其中傳感器安裝在壓力變送器針閥處。

數據采集處理器分別安裝在平臺中控室和終端中控室，其中平臺端進行掛墻安裝，終端放置在機柜內。

2 軟件系統開發

主站系統由數據服務器、軟件系統、專家數據庫、報警設備和通信系統組成[4]。

軟件系統可以劃分為主界面控制模塊、通信模塊、用戶登錄模塊、數據處理模塊、軟件升級模塊、數據庫模塊、報警模塊、通信數據顯示模塊和波形數據顯示模塊9個功能模塊[5-6]。

主界面控制模塊負責為主站軟件提供可視化操作接口，如菜單等;解析從通信模塊發送來的分站數據和信息;直接調用其他功能模塊實現與分站的數據通信、參數管理、數據處理、報警等功能;顯示實時數據波形。

通信模塊主要負責通過設定的通信規約和接口與現場設備進行通信，獲取現場設備所采集的數據或向現場設備發送數據和指令。

用戶登錄模塊為不同類型的用戶登錄主站系統提供接口，用戶可以通過改模塊修改密碼。58CBF12F-BFC1-4DD9-9E82-CCD3283EB80E

數據處理模塊負責將通信軟件得到的原始數據按現場采集點的類型進行轉換、判斷是否需要產生報警及數據存儲管理。

軟件升級模塊用于實現主站軟件和分站軟件的遠程升級。

數據庫模塊是將操作日志、分站數據和報警信息保存到數據庫中，具有查閱和打印記錄的功能。

報警模塊根據報警位置和報警類型，實現電子地圖定位動畫報警和短信報警。

通信數據顯示模塊是一個可選擇的功能模塊，主要完成主站發送和接收數據的實時顯示。

波形數據顯示模塊完成主站發送和接收數據的實時顯示。

專家數據庫是由系統存儲管道的各種音波數據，通過對這些數據進行分析和歸納而構成的，可以對信號的判別提供數據支持。

分站系統由信號采集分析系統及配套設備組成。

信號采集分析系統不僅要完成對各種音波信號采集工作，同時還要對實時信號進行初步分析處理。信號初步分析是通過分析所記錄的信號時頻域波形來獲取音波信號中所蘊涵信息的一種方法，它能提供更全面、更詳盡的音波信號特征信息，可實現對音波信號的初級處理判別。

系統首先從信號的時域和頻域角度來排除一些噪聲信號;其次根據不同管道的結構參數，建立不同的管道信號模型提取信號特征。經過信號處理分析后，將可疑管道泄漏信號，通過無線通信系統傳到數據服務器中再進行二次信號處理判別。該系統采用多核技術進行設計開發，充分保證了設備的穩定性、可靠性和數據處理的實時性。系統還配備了大容量的現場數據存儲單元，保證系統在出現通信故障時仍然能夠將數據存儲起來，保證數據不丟失。

3 軟件系統調試

通過將平臺以及終端處理廠采集分析處理器的數據傳入服務器，監控主機調用服務器數據。在服務器上安裝服務器主站軟件，監控主機上安裝監測軟件。如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2可以看出，3支傳感器占用3個通道，監控軟件中顯示平臺端和終端的波形。

在處理廠端原油取樣口進行模擬泄放試驗，通過安裝加工完成的泄放頭，分別安裝6mm、8mm、10mm和12mm孔徑泄放頭。采用下列原油泄放方式：

（1）關閉原油取樣處球閥。

（2）拆除原油取樣處的軟管。

（3）將要測試孔徑的泄放堵頭安裝到泄放控制球閥上，安裝的時候注意纏繞密封用的生料。

（4）將油料泄放管一端連接到泄放堵頭，安裝的時候注意纏繞密封用的生料帶，將油料泄放管的另一端插入原油收納容器中。此步驟泄放裝置安裝完成，可以進行泄放操作。

（5）單次泄放開始操作：在泄放操作員確認記錄員、泄放操作員、時間控制員都準備好的情況下，泄放指揮員發出泄放開始指令，泄放操作員將泄放控制閥門快速打開，打開過程中需注意原油噴射;記錄員記錄泄放操作開始時間;泄放時間控制員按下計時工具（秒表），開始計時。

（6）單次泄放結束操作：在泄放指揮員確認泄放時間達到預定要求，發出泄放停止指令，泄放操作員快速將泄放控制閥門關閉;同時，泄放記錄員記下泄放結束時間和泄放時長，泄放時間控制員按下計時工具（秒表），停止計時。

（7）如果按照泄放測試計劃，下一步的泄放測試的孔徑需要更換，則泄放操作員將原油泄放管從泄放堵頭上拆下，然后再拆下泄放堵頭，按照第（3）（4）步驟的操作安裝新的泄放堵頭，再安裝泄放導油管;如果下一步的泄放測試孔徑不需要更換，該步驟省略。

（8）泄放指揮員確認上次泄放測試后已經超過5min，則可以進行下一次的泄放操作，操作流程重復（5）（6）（7）。如果泄放指揮員確認整個泄放實驗已經完成，這需要進行泄放裝置拆除工作，進入下一步操作流程。

（9）關閉取樣口球閥，需要確保閥門完全關閉。

（10） 按照油料泄放管、泄放堵頭順序拆除裝置，拆除過程中需要注意油料噴射。

（11） 現場所有物料都需要妥善收納，特別是泄放出來的原油。

（12） 模擬測試完成后，進行現場的清理工作。

其中，圖3是10mm泄放頭測試結果。

從模擬泄放記錄表記錄和波形顯示分析來看，數據匹配良好。其中8mm、10mm以及12mm泄放模擬信號明顯。6mm泄放口徑信號稍弱一些，需要進行特征分析，算法改進。

4 系統測試

經過算法完善后，最終進行系統的測試，泄放孔徑為12mm和6mm，其中平臺端泄放2次，終端泄放6次。測試結果如表1所示。

從表1可以看出，次聲波泄漏監測系統能夠有效進行泄漏模擬報警，響應時間小于120s，定位精度可達±50m。

5 結論

通過海底輸油管道次聲波泄漏監測系統實施，模擬泄放測試表明次聲波是一種有效的海底管道泄漏監測手段。

（1）海底輸油管道次聲波泄漏監測技術響應時間短，誤報率低，無漏報，定位精度達±50m。

（2）隨著系統運行時間增加，運行數據的收集分析，數據庫的完善，可以逐步優化次聲波泄漏監測系統算法，擴大系統的推廣應用。

參考文獻

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[2] 陳濤，李學楠.水下軟管連接形式優化[J].中國石油和化工標準與質量，2021，41（6）：115-117.

[3] 張智慧.和睦系統控制站輸出允許功能研制與應用[J].自動化儀表，2021（Z1）：139-142，147.

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