海底管道在線監(jiān)測(cè)技術(shù)及水下光纖的應(yīng)用

曹慧軍，崔 航，胡 欣，田 政

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司，北京100010；2.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300452；3.天津億利科公司，天津300191；4.中國(guó)海洋石油總公司工程建設(shè)部，北京100010）①

海底管道在線監(jiān)測(cè)技術(shù)及水下光纖的應(yīng)用

曹慧軍1，崔 航2，胡 欣3，田 政4

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司，北京100010；2.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300452；3.天津億利科公司，天津300191；4.中國(guó)海洋石油總公司工程建設(shè)部，北京100010）①

在海底的油氣管道發(fā)生泄漏，會(huì)使油氣集輸中斷，并造成海洋環(huán)境污染。采用分步式光纖在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以對(duì)海底管道進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道泄漏。介紹了該技術(shù)的原理及在海底管道上應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)。設(shè)計(jì)了磁力卡箍、卡件、卡槽，解決了光纜與管道的固定難題。簡(jiǎn)述了海底管道與光纜的鋪設(shè)工藝。該技術(shù)的應(yīng)用為海底管道的安全運(yùn)行提供了保障。

海底管道；監(jiān)測(cè)；光纖；應(yīng)用

海底油氣管道是重要的海洋油氣設(shè)施之一，一旦出現(xiàn)泄漏，不僅造成油氣集輸和生產(chǎn)中斷，還會(huì)造成海洋環(huán)境的污染，其后果必將十分嚴(yán)重。為了保障海底油氣管道安全生產(chǎn)，采用光導(dǎo)纖維在線監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)海底管道進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是可行的技術(shù)方案之一。將光導(dǎo)纖維可靠的設(shè)置在海底管道上，是施工作業(yè)中的難題。本文設(shè)計(jì)了一種新型磁力卡箍，可實(shí)現(xiàn)光纜伴隨海底管道全線鋪設(shè)和固定，解決了在線泄漏監(jiān)測(cè)的技術(shù)難題，可實(shí)現(xiàn)海底油氣管道全程的泄漏在線監(jiān)測(cè)。

1 研究背景及意義

海底油氣管道是海洋油氣集輸與儲(chǔ)運(yùn)的重要組成部分，屬于投資大、風(fēng)險(xiǎn)高的海洋石油設(shè)施，在海洋油氣資源開(kāi)采中發(fā)揮著重大作用。海底油氣管道的安全關(guān)系到海上油氣田的安全運(yùn)行與環(huán)境保護(hù)。由于海洋油氣集輸?shù)奶厥庑裕５子蜌夤艿涝诜燮陂g呈現(xiàn)出與陸地油氣管道的不同特點(diǎn)。首先，海底油氣管道受到波浪和海流等復(fù)雜的海洋環(huán)境載荷的作用，特殊情況下還要考慮地震和海嘯對(duì)管道的破壞作用，以及船舶拋錨、溜錨的損傷破壞；其次，由于海底油氣管道特殊的地理位置和在海上石油開(kāi)采中的重要作用，一旦發(fā)生管道泄漏，所造成的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境危害都是陸地管道無(wú)法比擬的。但是，又由于海底油氣管道在地理位置上的特殊性和復(fù)雜性，很難對(duì)海底油氣管道全程實(shí)施在線監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生海底油氣管道泄漏事故，其泄漏點(diǎn)不易盡早發(fā)現(xiàn)，必然造成環(huán)境污染。

海底油氣管道泄漏造成的巨大影響和嚴(yán)重后果主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：①造成油氣田停產(chǎn)或減產(chǎn)，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失；②造成嚴(yán)重的海洋污染和巨大的資源浪費(fèi)。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)生過(guò)多例由于海底油氣管道泄漏導(dǎo)致的海洋污染事件。因此，海底油氣管道的安全問(wèn)題得到各國(guó)海洋工程界的強(qiáng)烈關(guān)注。圖1～3為海底管道泄漏時(shí)的狀況。

圖1 天然氣泄漏時(shí)在海面上沖起的水柱

圖2 泄漏點(diǎn)海面上燃燒的天然氣

圖3 泄漏出的原油造成海面污染

我國(guó)海底油氣管道長(zhǎng)期以來(lái)缺乏準(zhǔn)確、有效的安全監(jiān)測(cè)手段，已成為亟待解決的技術(shù)課題。因此，開(kāi)展相關(guān)的應(yīng)用研究，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)海底油氣管道泄漏的監(jiān)測(cè)是極其必要的。

2 分布式管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本原理

分布式管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)主要運(yùn)用基于拉曼散射的感溫光纖，通過(guò)泄漏點(diǎn)溫度變化實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏點(diǎn)的定位［1］。如圖4所示，光信號(hào)沿光纖傳遞時(shí)，在反射光中含有對(duì)溫度變化十分敏感的反斯托克斯波，其波長(zhǎng)與溫度變化呈線性關(guān)系，將其用波分復(fù)用器分離出來(lái)就可作為溫度信號(hào)［2］。當(dāng)管道某段位置發(fā)生泄漏時(shí)，管道泄漏點(diǎn)附近的環(huán)境溫度會(huì)發(fā)生微小變化，通過(guò)分析光纖產(chǎn)生的溫度信號(hào)可以得到管道的泄漏點(diǎn)位置；然后通過(guò)反射光的傳播時(shí)間和折射率可以計(jì)算出泄漏點(diǎn)的距離，從而進(jìn)行精確定位；由于光波的傳播速度極快，所以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間極短，可立即監(jiān)測(cè)出泄漏點(diǎn)所在位置，并進(jìn)行報(bào)警、施救。從而可盡快地降低油氣泄漏造成的危害。圖5為用于海底管道泄漏監(jiān)測(cè)光纜的結(jié)構(gòu)圖。

圖4 分布式管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)示意

圖5 海底管道泄漏監(jiān)測(cè)用光纜的結(jié)構(gòu)

2013-11，發(fā)生在青島的“11.22”重大油氣管道泄漏爆炸事故給我們留下了慘痛的教訓(xùn)。為了盡早發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)位置并及時(shí)搶修，避免惡性事故的發(fā)生，有必要徹底實(shí)現(xiàn)對(duì)陸地、海上油氣管道全線在線監(jiān)測(cè)。目前，分布式管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)在國(guó)外一些油氣田運(yùn)用，無(wú)論是埋地管道還是海底油氣管道都有了實(shí)際應(yīng)用的案例。但是，國(guó)內(nèi)主要是應(yīng)用于埋地管道，而沒(méi)有應(yīng)用于海底油氣管道的案例，其主要原因是在海底采取與陸地相同的方式施工時(shí)，作業(yè)難度大，成本極高，難以展開(kāi)全線的在線監(jiān)測(cè)［3-4］。因此，對(duì)海底油氣管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)的施工方案進(jìn)行深入的研究，解決施工作業(yè)中的難題將是這項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用的重點(diǎn)。

本文基于分布式管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)將光纜綁縛在海底油氣管道上，伴隨海底管道全線鋪設(shè)光纜，實(shí)現(xiàn)海底管道泄漏在線監(jiān)測(cè)。伴管鋪纜示意如圖6所示。

圖6 伴管鋪纜示意

3 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

油氣管道泄漏的分布式監(jiān)測(cè)是將光纜與管道綁縛在一起，通過(guò)光纖傳感技術(shù)對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)公司已成功將分布式光纖傳感泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用到中海油渤西油氣管道的登陸段。該技術(shù)的成功應(yīng)用，可為油氣管道的近岸段提供準(zhǔn)確的泄漏監(jiān)測(cè)及定位。然而，由于海底管道離開(kāi)近岸段轉(zhuǎn)向海底鋪設(shè)時(shí)，光纜難以與管道同位、同向、平行的綁縛在一起。主要原因是：如果在鋪管前，在鋪管船上將光纜與管道綁在一起，不僅下管過(guò)程中可能造成光纜損傷，而且作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致鋪管船施工作業(yè)費(fèi)用大幅提高。因此，可以考慮將鋪管與鋪纜作業(yè)分開(kāi)進(jìn)行。即當(dāng)海底管道被下放到海底預(yù)定鋪設(shè)位置后，通過(guò)潛水員水下作業(yè)，將光纜綁縛在管道上。但是，由于數(shù)十米水深海底的能見(jiàn)度極低，潛水員也很難進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間水下作業(yè)，并且水下綁縛光纜的施工難度大，潛水員很難快速、準(zhǔn)確地找到固定光纜的位置，即使找到了綁縛位置也很難對(duì)光纜與海底管道進(jìn)行簡(jiǎn)單的綁縛固定。而且潛水員還得帶上多種沉重的作業(yè)工具，例如鉗子、水下照明燈具、綁縛材料等，潛水員負(fù)擔(dān)太大，每次下水，僅能完成極少量的工作，且作業(yè)周期長(zhǎng)，費(fèi)用極高。因此，目前僅能對(duì)近岸段的海底管道進(jìn)行光纜綁縛，尚不能對(duì)海底管道進(jìn)行全程的在線監(jiān)測(cè)。

本文提出了一種工程作業(yè)方法，并設(shè)計(jì)了一種用于在海底管道上固定光纜的磁力定位的卡箍，操作簡(jiǎn)單，成本低，時(shí)間短，可以完全解決以上問(wèn)題，從而方便地實(shí)現(xiàn)光纜與海底管道的綁縛，并大幅減輕潛水員的作業(yè)負(fù)擔(dān)和施工費(fèi)用。

4 海底管道鋪設(shè)流程概述

海底管道鋪設(shè)最常用的方法有S型鋪管、J型鋪管、卷筒型鋪管和拖曳鋪管等幾種方式［5-6］，本節(jié)以典型的S型鋪管為例，鋪管船鋪設(shè)海底管道的施工過(guò)程如圖7所示。整個(gè)海底油氣管道鋪設(shè)作業(yè)可簡(jiǎn)單的可歸納為以下幾種工序：管道吊裝及焊接，對(duì)焊口進(jìn)行無(wú)損探傷，管道接口處的防腐處理，海管由托管架入海，后挖溝填埋管道。圖8為鋪管作業(yè)中的幾個(gè)工藝流程，圖9為海底挖溝機(jī)作業(yè)示意圖。

圖7 S型鋪管示意

圖8 鋪管作業(yè)流程

圖9 挖溝機(jī)作業(yè)示意

5 磁力卡箍的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

綜上所述，伴同海底油氣管道鋪設(shè)光纜是海底油氣管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)施的關(guān)鍵，而如何將在線監(jiān)測(cè)光纜與海底油氣管道在水下進(jìn)行簡(jiǎn)捷的定位，實(shí)現(xiàn)伴同海底油氣管道鋪設(shè)光纜的方案則是水下施工作業(yè)的難點(diǎn)。為此，提出了一種采用磁力卡箍、磁力卡件、卡槽的施工方案。

1） 提前將卡箍預(yù)制在海底管道上，鋪管時(shí)當(dāng)海底管道到達(dá)預(yù)定的鋪設(shè)位置，潛水員下水后，沿著海底管道進(jìn)行水下作業(yè)時(shí)，利用預(yù)制在海底管道卡箍上的V型卡槽與V型卡件之間的強(qiáng)力磁鐵的吸引作用，通過(guò)V型磁力卡件可以方便地找尋到待固定光導(dǎo)纖維用的卡箍位置，實(shí)現(xiàn)卡件與卡槽間的自尋找定位。

2） 將在線監(jiān)測(cè)用的光纜導(dǎo)入V型光纜固定槽內(nèi)，并用設(shè)置在光纜卡件另一端的螺絲固定，將預(yù)制卡槽和光纜卡件固定在一起，可簡(jiǎn)單地將光纜固定在卡箍上V型卡槽內(nèi)，使之與海底油氣管道進(jìn)行完美的綁縛，解決了海底油氣管道泄漏在線監(jiān)測(cè)技術(shù)難題。

卡箍的結(jié)構(gòu)如圖10所示。在卡箍上設(shè)有多個(gè)V型卡槽，用帶有導(dǎo)向作用的V型磁鐵卡件，將光纜沿著海底管道緊固在管道上。為了防止管道鋪設(shè)過(guò)程中會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，有可能出現(xiàn)卡槽被壓在管道下方，潛水員無(wú)法作業(yè)的狀況，設(shè)置了多個(gè)V型卡槽，可供潛水員在沿著管道，在同一方向上快速的找尋到任意一個(gè)可用的卡槽，進(jìn)行光纜綁縛設(shè)置。

V型磁鐵卡件、卡槽的具體結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖10 專用卡箍

圖11 V型磁鐵卡件和卡槽的安裝示意

圖12為安裝卡箍后的海底管道與光纜綁縛固定示意，圖13為潛水員作業(yè)過(guò)程示意。

圖12 安裝卡箍后的海管與光纜固定示意

圖13 海底光纜鋪設(shè)及潛水員作業(yè)過(guò)程示意

采用強(qiáng)磁力吸引式定位方法進(jìn)行光纜綁縛固定可極大地降低潛水員水下找尋位置和施工作業(yè)的難度，大幅降低作業(yè)成本和作業(yè)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了海底管道全線伴管鋪纜，解決了海底管道全過(guò)程在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)難題。

6 結(jié)論

1） 如果海底的油氣管道發(fā)生泄漏，會(huì)造成環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。本文結(jié)合陸地油氣管道泄漏監(jiān)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，提出應(yīng)用海底管道伴管鋪纜的方式進(jìn)行海底油氣管道泄漏監(jiān)測(cè)。

2） 針對(duì)施工過(guò)程中的技術(shù)難題，設(shè)計(jì)了一組新型的磁力定位卡箍、卡件、卡槽，將卡箍預(yù)制在海底管道上，通過(guò)潛水員水下作業(yè)可完成海底管道全線伴管鋪設(shè)光纜，實(shí)現(xiàn)了海底管道全線在線監(jiān)測(cè)。這項(xiàng)技術(shù)方案可有效地降低海底管道全線伴管鋪設(shè)光纜的難度，使在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在海底應(yīng)用成為可能。

3） 該技術(shù)方案可用于海上油氣田管道的在線防泄漏監(jiān)測(cè)，通過(guò)有針對(duì)性的方案改造，還可以用于陸地油氣輸送管道，液態(tài)物流、化工介質(zhì)等輸送管道的在線監(jiān)測(cè)。該技術(shù)方案已申請(qǐng)了國(guó)家專利。

［1］ 耿軍平，許家棟，郭陳江，等.全分布式光纖溫度傳感器研究的進(jìn)展及趨勢(shì)［J］.傳感器技術(shù)，2001（2）：4-7.

［2］ 何存富，杭利軍，吳斌.分布式光纖傳感技術(shù)在管道泄漏檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（9）：8-14.

［3］ 金偉良，張恩勇，邵劍文，等.分布式光纖傳感技術(shù)在海底管道健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)海上油氣（工程），2003，15（4）：5-8.

［4］ 張恩勇，金偉良，宋牟平，等.海底管道串聯(lián)分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2004，19（5）：40-43.

［5］ 孫奇?zhèn)?海底管道鋪管施工安裝方法研究［J］.中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012（7）：105.

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On-line M onitoring Technology of Subsea Pipeline and Its Installation of Subsea Optic Fiber

C A O H ui-jun1，C UI H ang2，H U Xin3，TIA N Zheng4
（1．C N O O C Energy Technology&Services Ltd．，Beijing100010，China；2．Tianjin Branch，C N O O C，Tianjin300452，China；3．Tianjin YiLiKe Ltd．，Tianjin300191，China；4．Engineering&Construction Department，C N O O C，Beijing100010，China）

T he leakage on subsea pipeline may cause serious consequences，w hich not only interrupts the transportation and production of oil and gas，but also causes marine pollution.In order to ensure the safety production of subsea pipelines，itis feasible to use on-line fiber sensing technology to m onitor the subsea pipelines，although the installation of the fiber onto the subsea pipelines is a special problem during the operation.In this study，a new cla m p was designed，w hich can fix the fiber to the subsea pipelines during the installation，and solve the problem of engineering，by then the on-line global m onitoring on the pipeline leakage can be achieved.

sub marine pipeline；m onitoring；optic fiber；application

T E937

B

10.3969／j .issn.1001-3482.2014.08.016

1001-3482（2014）08-0073-05

2014-04-02

曹慧軍（1955-），男，吉林延吉人，高級(jí)工程師，1978年畢業(yè)于大連理工大學(xué)海洋工程專業(yè)，主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)研究、上中下游工程項(xiàng)目管理和協(xié)調(diào)工作，E-mail：caohj1＠cnooc.co m.cn。