海底管道泄漏監測系統性能指標的思考

劉洋

中海石油（中國）有限公司天津分公司 （天津 300452）

1998—2012年，國內公開發表和報道的海底管道泄漏事故共19起[1]，其中渤海海域發生10起，黃海海域發生6起，東海海域3起；天然氣泄漏4起，油品泄漏15起。海底管道擔負著海洋原油、凝析油、天然氣、水的輸送任務，一旦發生泄漏，會造成直接經濟損失，以及對海洋生態環境造成污染和破壞。因此有必要建立泄漏監測系統，泄漏監測系統雖不能減小海底管道發生泄漏的概率，但是可以降低泄漏的后果，進而將海底管道泄漏風險降到最低。

我國海底管道泄漏檢測系統還處于研究階段，暫未大規模應用。目前存在多種海底管道泄漏監測方法，各自具有一定的優缺點，然而對于各種監測方法沒有統一的指標規范。筆者提出關于海底管道泄漏監測系統性能指標的探討，期望對于監測系統的選用起到一定的借鑒作用。

1 主要性能指標

海底管道泄漏監測系統首要解決兩個問題：一是發生泄漏時及時報警；二是泄漏位置準確定位。在海底管道泄漏監測系統標準方面，對于借助傳感器的外部監測技術，目前無統一技術標準，計算類泄漏監測技術相對成熟。

由于管道泄漏監測技術尚處于研究階段，現在能夠參考的就是美國石油學會API 1130—2012、API 1149—2015、API 1155—1995這3個標準。從API 3個標準可以知道，管道泄漏監測系統不是簡單重復生產就可以制造出來的產品，也不是一次研發完成就可以大量復制使用的軟件產品。

API 1130—2012標準中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項主要性能指標[2]，下面就標準中涉及的內容進行說明。

1.1 可靠性

可靠性一般是指泄漏監測系統對于管道可能存在泄漏做出準確判斷的一種能力。監測系統的可靠性一般依靠一系列參數值設定實現（如閾值、過濾特征等），通常管道運營方需要在誤報警和漏報警之間進行權衡。可靠性要求系統對實際泄漏做出準確判斷，不允許出現泄漏而漏報。

1.2 準確性

準確性是指預測和報警之間的一種平衡，即少產生錯誤報警。由于環境因素的干擾或者評判閾值的選取不當，泄漏監測系統存在一定的誤報率。如果系統誤報過于頻繁，會讓使用人員高度緊張、疲勞，久而久之就會對系統棄之不用。因此，監測系統的年誤報率最好保持在個位數，能做到每年3～4次誤報以內算是比較滿意的結果。

1.3 靈敏性

靈敏性主要表征系統能夠監測到泄漏的最小量度以及出現泄漏時報警的響應時間。

目前對于小泄漏量，特別是滲漏的監測是比較難突破的技術難題，也是工程技術人員亟待解決的問題。一般通過監測方法結合運行參數綜合分析，要求在泄漏量達到3%時，能夠準確報警。

海底管道，特別是輸油管道發生泄漏以后，介質會對海洋環境產生破壞。因此要求響應時間盡可能短，最快時間內采取有效措施，將泄漏產生的不良后果降到最低。

1.4 穩健性

穩健性是指在數據丟失或者管道運行環境改變情況下，監測系統能夠持續發揮作用并提供有用信息的能力。海底管道運行環境惡劣，監測系統一旦發生故障，維修困難、成本高，因此泄漏監測系統能夠保持長期有效是一個基本要求。

2 次要性能指標

除海底管道泄漏監測主要性能指標外，一些次要性能指標亦對系統的使用具有舉足輕重的作用，制約著系統的使用[3-4]。

2.1 定位精度

泄漏報警后，需要準確定位泄漏位置，海底管道短則幾千米，長則幾百千米，給找尋泄漏位置帶來困難。若無法準確定位，則延誤維修時間，造成停產時間增加，增大損失。

定位精度一般采用兩種計量方法，一種為固定值，即精度不受管道長度的影響，僅與監測方法自身有關，定位精度±500 m為宜；另一種為取管道長度的百分數值計，一般取±1%。

2.2 安裝維護

海底管道平管部分均位于海底，且經過后挖溝處理，掩埋在海床以下。泄漏檢測系統分析處理一般安裝在平臺和陸地接收終端，一些傳感器會沿管道安裝。平臺位置有限，泄漏監測裝置應占地較小，同時安裝較為簡便，不影響正常的海底管道安裝施工工期。

2.3 海洋適用性

某些泄漏監測方法在陸地管道上使用效果很好，但是應用到海底管道時卻起不到作用。一方面是海洋環境和陸地差別巨大，音波類方法無法很好地解決噪聲的影響；另一方面海底管道安裝施工方式制約了光纖類方法的應用，施工難度高，光纖一旦發生損壞，維修費用難以接受。

2.4 作用范圍

與陸地管道不同的是，海底管道中繼困難，一般都是考慮在管道兩端安裝泄漏監測系統。據統計，目前超過100 km的海底管道有9條，占比2.68%；超過50 km的海底管道19條，占比5.65%。50 km長度以內的海底管道占到整體管道的91%以上，首要關注這類管道能夠覆蓋絕大部分的海底管道。監測系統有效作用范圍達到50 km能夠滿足目前我國海底管道的最低要求。

2.5 成本費用

泄漏監測系統相對于海底管道建設本身來說，費用占比較小，但是經濟性也是一項重要的考量指標。系統費用成本需綜合考慮系統建設、維護的成本，相對而言，不額外增加傳感器或監測硬件設備的監測方法成本較低。光纖監測類方法因為要動用船舶等資源，對施工工期也有不同程度的影響，因而費用較高。

2.6 使用便捷性

泄漏監測系統是否使用方便，或操作復雜也會給系統的推廣應用帶來很大的影響。軟件系統盡量做到操作簡單，同時不需要借助太多的硬件設備，現場人員經過簡單的培訓就能掌握。

此外，監測系統能夠覆蓋的海底管道水深范圍、能夠監測的介質類型等也是需要考慮的性能指標。

3 性能指標分析研究

針對上述10種性能指標進行分析討論，每種性能指標設定5種等級，數值5表示最適合，數值1表示不適合。參考國內外學者研究成果以及海底管道運行工況，嘗試給海底管道泄漏監測方法進行初步的評分分級[5-8]，見表1，為海底管道泄漏監測方法的選取和應用提供一定的參考價值和借鑒作用。

經過多年的研究和探索，目前，海底管道泄漏監測方法繁多，總體可以分為內部監測法和外部監測法兩大類，下面選取序貫概率法[9]、次聲波法[10]作為其中的代表進行詳細描述。

序貫概率法是一種統計方法，它是在平衡監測法以及壓力監測法基礎上發展起來的，是目前海底管道應用最多的內部泄漏監測系統（圖1）。英國ATMOS公司在這方面處于行業前列。

次聲波法是依據管道發生泄漏時產生的聲波信號，通過次聲波傳感器探測特定頻率的信號，經過分析計算得到泄漏報警和定位（圖1）。國外ASI公司應用此項技術，國內亦有不少企業開展此項技術的研究工作。

表1 管道泄漏監測性能指標研究

圖1 海底管道泄漏監測系統現場安裝

根據表1中的分析判斷，將泄漏監測系統涉及到的10項指標進行打分處理，得到表2所示結果。

從表2各項性能指標的得分可以看出，在現階段，以序貫概率法為代表的內部泄漏監測法在作用范圍、成本以及海洋適用性方面具有一定優勢，但是無法進行準確定位，同時誤報率較高。而對于以次聲波法為代表的外部泄漏監測方法，在準確性和可靠性方面有一定的長處，但是維護起來難度高，作用范圍有限，成本相對高。綜合比較，計算類的內部泄漏監測方法目前更適合海底管道使用。

表2 不同泄漏監測系統性能指標 /分

4 結束語

本文建立了海底管道泄漏監測系統的性能指標體系和評價方法，并詳細分析了各性能評價指標的含義及評分標準。分別選取內外泄漏監測方法的典型代表進行分析研究，為海底管道泄漏監測系統綜合性能指標的評判提供了一定的幫助。

參考文獻：

[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]Computational Pipeline Monitoring for Liquids:API RP 1130—2007[S].

[3]Mohan G.Kulkarni,Jaime Buitrago.Offshore Pipeline leak De?tection System Concepts and Feasibility Study[C].Internation?al Society of Offshore and Polar Engineers,2012:381-388.

[4]Sulaima M F,Bukhari W M.Oil and Gas Offshore Pipeline Leak Detection System:A Feasibility[J].Applied Mechanics and Materials,2015(699)：891-896.

[5]Siebenaler Shane P.Evaluation of External Leak Detection Systems for liquid Pipelines[R].Pipeline Research Council International,2009.

[6]張 宇.輸油管道泄漏檢測新方法與關鍵技術研究[D].天津:天津大學,2009.

[7]吳家勇,李海娜,王立坤,等.管道泄漏監測系統的性能評價指標[J].油氣儲運,2017,36(2):209-213.

[8]蔣曉斌,張曉靈,閆化云,等.海底管道泄漏監測系統可行性分析[J].石油工程建設,2017,43(1):76-79.

[9]公彥蒙,翁曉霞,白 勇,等.基于SPRT的海底管道泄漏監測系統研究[J].中國海洋平臺,2016,31(3):42-49.

[10]田 野.基于次聲波的輸氣管道泄漏監測系統[J].油氣田地面工程,2017,35(10):67-70.