海底管道泄漏監測系統設計應用

劉健

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

原油(天然氣)輸送管道是油氣田生產的生命線，如果管道發生穿孔，將會導致環境污染等一系列不良后果，同時巡線、停產、搶險、補漏，需花費大量的人力、物力、時間，因此造成的經濟損失巨大。如果采取先進的科技手段，對輸油(氣)管道進行實時監測，迅速準確地判斷出泄漏位置，就能使突發事件得到及時處理，使損失降到最低限度，并對不法分子形成強大的震懾和遏制作用，從而確保國家財產免受損失，對保障油田生產的正常運行具有重大意義。

1 泄漏監測系統類型

管道泄漏監測系統主要分為三種類型： 基于內部參數的監測方法、基于外部探測的監測方法、定期泄漏測試的監測方法。這三種類型中均存在連續監測與非連續監測的方法，本文將主要研究實時連續監測的管道泄漏監測系統。現有的管道泄漏監測系統具有以下特性：

1)管道泄漏監測系統只適用于某范圍內的泄漏量的監測，對于滲漏工況不適用，對于爆裂工況也不適用。

2)管道所處的地理位置不同、輸送的介質不同，都可以進行泄漏監測，只是泄漏監測系統應用的原理不同。

3)沒有一種泄漏監測方法可適用于所有管道，為有效地監測管道在各種工作狀態下的泄漏，建議使用內部或外部相結合的監測技術手段。

4)由于監測的原理不同、泄漏監測的方法不同、選取參數不同、管道工況也不同，因此不同管道適用的泄漏監測的上、下限也不同，目前沒有統一的界定范圍。

2 管道泄漏監測系統適用范圍

2.1 按泄漏等級劃分

2.1.1 API 1175—2015PipelineLeakDetection—ProgramManagement

API 1175—2015PipelineLeakDetection—ProgramManagement的6.4節和6.5節中指出，管道泄漏監測系統需要考慮管道的特性、泄漏量等級以及流體介質等因素，從而判別泄漏監測系統能否適用于該管道。該標準關于泄漏等級的分類見表1所列。

表1 泄漏等級分類

注： √—很可能探測；○—可能探測；×—不可能探測。

根據表1的描述，每種泄漏監測方法并不能覆蓋所有時刻、所有類型的泄漏監測。設計管道泄漏監測系統之前，首先應明確可接受的泄漏等級，而泄漏監測系統所監測的泄漏等級，通常為中等泄漏或者微小泄漏。

2.1.2 SY/T 6826—2011《液體管道的計算監測》

該標準附錄A中規定：“管道計算監測(CPM)是一個在其能力范圍內用來探測泄漏的管道工具。它能探測到管輸物漏失或者疑似泄漏的水力異常現象。同其他工具相似，CPM系統只能用于特定用途，并且也有被限制的地方。限制是多方面的因素”。該標準中關于CPM的閾值劃分如圖1所示。

圖1 CPM閾值劃分示意

圖1所示的管道泄漏監測系統有效范圍存在規定上限和規定下限，高于規定上限的泄漏量對于有經驗的操作人員可直接發現，而低于規定下限的泄漏量則無法被監測。

2.2 按管道內介質劃分

1)油管道。API 1130—2002ComputationalPipelineMonitoringforLiquidPipelines與SY/T 6826—2011中，均明確了泄漏監測系統可以適用于單相液體管道，但流體應是完全液相或同質混合相。

2)氣管道。CSA Z662—2007OilandGasPipelineSystem與API 1149—2015PipelineVariableUncertaintiesandTheirEffectsonLeakDetectability中，也分別定義了泄漏監測系統可以應用于氣體管道。

2.3 按管道地理位置劃分

1)SY/T 6826—2011中1.4節指明了泄漏監測系統所在管道的地理位置，該標準主要用于陸上和海洋干線管道系統。

2)API 1130—2002中1.4節注明了泄漏監測系統所在管道可以位于陸地或海洋，也可適用于其他管道系統。

3)CSA Z662—2007中1.2節規定了泄漏監測系統應用范圍，包括石油工業流體、海上管道、陸上管道、油庫和泵站等。

3 海底管道泄漏監測系統設計

3.1 海底管道泄漏監測系統性能設計

海底管道泄漏監測系統設計，應滿足以下監測性能：

1)靈敏性。當海底管道發生泄漏時，能及時做出響應。

2)準確性。當海底管道發生泄漏時，能準確地找到泄漏源。

3)可靠性。應能適用于海洋環境或海底工況，系統出現誤報警的概率要低于標準規定的數值。

4)魯棒性。當通信信號出現中斷或在數據丟失的情況下，系統能保存數據并提供有用的信息。

5)實時性。當數據傳輸介質受限或傳輸帶寬不高時，泄漏監測系統應能做到實時監測分析。

6)連續性。在管道輸送介質過程中或管道停工狀態下，泄漏監測系統能夠實現連續監測管道的運行狀態。

3.2 海底管道泄漏監測方法

管道泄漏監測系統目前是比較成熟的監測技術，但考慮到海洋環境或海底工況的特殊性，通過查閱收集到的海底管道泄漏監測系統應用案例，對適用于海底油氣管道實時在線泄漏監測系統的原理方法進行歸類、總結。

3.2.1 基于外部的泄漏監測方法

1)分布式光纖傳感監測法。該方法適用于新建管道，當激光在光纖中發生散射時，通過對比與溫度變化有關的反斯托克斯波和與溫度變化無關的斯托克斯波，即可獲得溫度值，并通過反射光的傳播時間和折射率可以計算出距離，從而實現準確定位。

2)傳感器電纜法。該方法也適用于新建管道，電纜與管道平行鋪設時，當泄漏的物質滲入電纜后會引起電纜特性的變化；液態天然氣管道以及黏油、海底等加熱輸送管道的泄漏，會引起周圍環境溫度的變化，但對于“快速”泄漏，檢測受制于電纜的電壓、電流，該方法對于管道總長度的限制為15 km以內、管道埋深限制在15 m以內。在國內，該監測方法相對應用較少，尚無成熟案例。

3)聲波/負壓波法。該方法適用于海底管道上岸部分，當管道發生泄漏時，泄漏處物質損失造成壓力突然下降，壓降由泄漏處向上、下游傳播，稱之為負壓波。利用負壓波，通過上、下游測量點的時間差，以及負壓波在管道中的傳播速度可以確定泄漏位置。在國內成品油管道項目中，該監測方法已有多個實際應用案例

3.2.2 基于內部的泄漏監測方法

1)管道平衡法。監測方法基于輸入和輸出測量值之間的不平衡，該種不平衡在1個選定的時間間隔內(如15 min～24 h)與預先設定的報警閾值不一致，從而探測不同大小的管輸物漏失。

2)實時瞬態模型法。通過模型軟件，將模擬結果與測量數據進行比較，先將管道的(管長、管徑、走向、內部粗糙度等)物理參數、流體物性(流量、黏度)、溫度壓力等預先輸入到模型軟件中，根據軟件中管道的配置，以及主要輸入和輸出點的現場流量、壓力、溫度和密度輸入數據，通過軟件建立實時瞬態水利模型。該模型可在系統瞬態變化過程中，對整個管道系統的流體動態特征值進行模擬，最后再將相應的模擬結果與管道的測量數據進行比較，判別是否發生了泄漏，該監測方法已在南海西部某氣田投入使用。

3)壓力/流量監測法。依靠質量守恒定律，沒有泄漏時進入管道的質量流量和流出管道的質量流量是相等的，如果出現進入流量大于流出流量，就可以判斷出管道中間有泄漏點。壓力/流量泄漏監測原理如圖2所示，目前該監測方法已在南海東部某油田取得了良好的應用效果。

圖2 壓力/流量泄漏監測原理示意

3.3 海底管道不同泄漏監測系統的比較

管道所處的地理位置不同、輸送的介質不同，泄漏監測應用的原理也不同，但采用不同監測原理的海底管道泄漏監測系統各有其特點，海底管道泄漏監測系統的對比見表2所列。

表2 海底管道泄漏監測系統對比

4 結束語

本文主要介紹了泄漏監測系統的類型，并重點說明了海底管道泄漏監測系統的選型設計方法。本文不僅為后續海底管道建設項目提供了工程設計指導，同時還為生產作業人員對管道的運行狀態與維護提供了可借鑒的指導方法：

1)泄漏監測方法應考慮結合兩種及以上方法，實現優勢互補、相互印證的作用，減少誤報。

2)對于海底管道，應優先選用基于內部的CPM方法，其次選基于外部的CPM方法。

3)對于多進、多出的管道，壓力/流量監測法與聲波/負壓波法不完全適用，推薦使用實時瞬態模型法。

4)對于純液體管道，壓力/流量監測法與聲波/負壓波法相對可靠，但音波測漏系統存在固有的監測距離短等缺點，不適用于長輸管道。

5)對于輸氣管道，音波測漏系統易受環境噪聲干擾，不推薦使用。

6)對于小于1%的泄漏，管道平衡法與壓力/流量監測法一般無法監測。

7)對于超過40 km的管道，聲波/負壓波法測量精度隨著管道長度的增加而降低。

8)對于超過15 km的管道，傳感器電纜法不適用。

9)對于超過50 km的管道，分布式光纖傳感監測法需要布置多個光纖傳感單元。

10)對于超長管道，實時瞬態模型法監測精度隨著管道長度的增加而降低。