海底管道泄漏监测系统可行性分析

蒋晓斌，张晓灵，闫化云，韩雪艳

中海油（天津）管道工程技术有限公司，天津 300452

海底管道泄漏监测系统可行性分析

蒋晓斌，张晓灵，闫化云，韩雪艳

中海油（天津）管道工程技术有限公司，天津 300452

对于海底管道来说，管道泄漏会造成巨大的经济损失，对人身安全以及海洋生态环境产生重大的威胁。管道泄漏监测系统的目的是尽早发现泄漏并找到泄漏位置，从而减少经济损失和对环境的破坏。介绍了适用于海底管道泄漏监测的4种方法：参数计算法、次声波法、光纤法和气体监测法，并对其工作原理分别进行了分析。针对海底管道泄漏监测系统所要求的性能指标，分别赋予4种方法以相应的权重和等级，计算每一种检测方法的分值，结果表明，参数计算方法得分最高，是最合适的海底管道泄漏监测方法。

管道泄漏监测系统；分布式光纤；可行性分析

自1985年埕北油田采用浮游法成功铺设1.6 km钻采平台之间的海底输油管道以来，截至2015年12月31日，我国共建设海底管道336条，累计长度约6 307 km，担负着海洋原油、凝析油、天然气、水的输送任务。据统计，多年来共发生38起海底管道事故[1]，其中第三方破坏15起，占比39.5%；内腐蚀11起，占比28.9%；外腐蚀3起，占比7.9%。

海底管道一旦发生泄漏，如未能及时察觉并采取相应措施，势必造成巨大的经济损失，同时对人身安全以及海洋生态环境产生重大的威胁。

最早对泄漏检测问题的探索和研究可以追溯到1928年左右，美国马萨诸塞州的 Caldwell等人在1929年申请的专利中，提及的就是关于泄漏探测的问题。近年来，大量的学者在泄漏监测的方法研究、仪器设备制造、信号分析处理等方面进行了大量的工作，在陆地管道上已有不少工程应用，取得了良好的效果。

我国在管道泄漏监测技术方面的研究起步较晚，由于海底管道作业环境恶劣，安装施工维护成本高，能量中继难以实施等特点，直至目前，我国海底管道泄漏监测系统还停留在实验阶段，尚未大范围推广应用，监测系统可行性、适用性有待验证。

国外的管道泄漏检测技术起步早，研究深入，在系统性能、精确度等方面处于领先地位，目前已经开发出多种成熟的商业软件。如今形成的较为成熟的理论体系和专用技术，已经被广泛地应用在管道泄漏监控系统上[2]。

1 管道泄漏监测技术

经过多年的实践研究和探索，目前管道泄漏监测方法可以分为内部监测法和外部监测法两大类，其中内部监测法主要有基于模型的方法、压力梯度法、压力点分析法、负压波法、流量平衡法、次声波法等；外部监测方法主要有光纤监测法、气体成像法、气体监测法等。而适用于海底管道实施的有四种泄漏监测方法[3]。

1.1 参数计算法

（1）基于模型的方法，即利用管道中流体的动量方程、能量方程和质量守恒三大平衡方程进行机理建模，通过计算管道入口端与出口端的差值来判断管道是否发生了泄漏。

（2）压力点分析法。其基本原理为通过沿线布置的压力变送器监测到的管道压力状态变化来判断是否发生泄漏，管道正常运行时其压力值呈现连续变化的稳定状态[4]，当泄漏发生时泄漏点处压力突降，破坏了原有的稳态，并向新的稳态过渡。

（3）序贯概率法。序贯概率法是一种统计方法，在平衡法和压力监测法的基础上通过数据处理进行分析计算，判断管道是否泄漏，是泄漏监测系统中主要泄漏判断方法之一[5]。

英国基于概率统计方法的Atmos Pipe系统已经在输油或输气管道上成功检测并定位超过500次泄漏事件，是全球被使用和测试最多的泄漏监测系统。

1.2 次声波法

当管道一旦发生泄漏时（腐蚀造成的小的渗漏除外），会产生强度较大的泄漏声波信号，次声波管道泄漏检测正是通过检测该信号进行泄漏报警和漏点定位。

次声波频率小于20 Hz，波长长，不易衰减，不易被水和空气吸收，因此，采用次声波泄漏检测技术定位管道泄漏点具有很大的发展前景[6]，次声波泄漏检测系统如图1所示。

图1 次声波泄漏监测系统示意

当管道一旦发生泄漏，泄漏处产生的次声波信号分别朝上、下游两个方向进行传播，并被传感器接收，设两个传感器之间的距离为D，次声波传播速度为V，传感器接收到次声波信号的时间分别为t1、t2，则泄漏点S的位置可由公式S=D/2+1/2（t1-t2）V来确定。

从上世纪80年代开始，ASI公司的次声波泄漏监测系统陆续在美国科罗拉多州西北管道、德国BEB含硫天然气管道以及我国西气东输管道山西管段等项目中进行了应用。

由ASI公司的实验和实际项目应用结果可知，次声波泄漏监测系统可以探测到泄漏孔径为5.1 mm或泄漏量达到0.5%时的泄漏。定位误差视监测距离有所不同，通常在±200 m。系统报警响应时长平均为100 s以内，对于陆地管道而言，最大的有效测量距离可达75 km。

1.3 光纤法

分布式光纤传感器具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力；散射型分布式传感技术对被测量的空间定位多基于光时域反射技术，即向光纤中注入一个脉冲，通过反射信号和入射脉冲之间的时间差来确定空间位置。

管道一旦发生泄漏，会使得周围环境温度场及应力场发生变化，进而导致光纤内的散射光强度、频率及相位发生变化，通过处理接收散射光信息可判断管道泄漏的发生，通过脉冲时间与散射光接收时间可定位泄漏位置[7]。

对于测温系统，推荐将其光纤布置在距离监测管道15 cm左右，对输油管道光纤排布在底部，对输气管道则排布在顶部为宜。

光纤安装施工时需要保证不被损坏，满足安装施工质量的要求，对于海底管道而言，还应对铺管船作业影响小，因此实现起来非常困难。而且光纤传感系统的长期可靠性保证以及光纤损坏修复的高成本都制约着光纤监测系统应用。

1.4 气体监测法

气体监测法（德语Leck Erkennungs Ortungs System，简称LEOS）。此种方法最早于30多年以前应用于德国巴伐利亚州的一条管道[8]。此方法是沿着管道铺设一条小口径（外径一般小于16 mm）、带有循环空气的监测管，该监测管一般由塑料材质制成，覆有一层薄薄的（1 mm）醋酸纤维层，可以使烃类分子透过并集中在塑料管内部。通过将烃类分子传输到检测站点进行分析识别能够有效监测泄漏和进行定位[9]。

相比其他管道泄漏监测方法而言，LEOS法能够进行各种输送介质管道的泄漏监测，具有很高的测量精度，能够检测0.1 m3/h的气体泄漏，定位精度可达管道监测长度的0.5%，监测距离一般小于15 km，响应时间较长，取决于空气循环的频率和速度，通常为12～24 h，安装和维护较为困难，成本高昂。

2 性能要求

对于海底管道泄漏监测系统的根本要求是能及时对泄漏进行报警并准确定位。

由于管道泄漏监测技术尚处于研究阶段，现在能够查到的是美国石油学会API 1130、API 1149、API 1155这三个标准。API 1130标准对液体管道计算监测系统明确提出可靠性、准确性、灵敏性和稳健性4项主要性能[10]，亦可根据性能的重要程度细分为6项主要性能指标（可靠性、准确性、灵敏性、稳健性、定位精度、成本）和4项次要性能指标（响应时间、使用便捷性、有效作用范围、维护难易程度）。

3 评价及讨论

针对上文提及的4种泄漏监测方法并选取10项性能指标进行对比分析讨论。对于每一项性能指标设定6个等级，其中数值5表示最适合，数值0表示不适合；同时对于每一项性能指标赋予不同的权重系数；最后由每一项性能的等级得分乘以权重再累加得到泄漏方法的最终分级评分，得分越高，表示分级越高，适用性越强。以此为海底管道泄漏监测方法的选取提供一定的参考价值和借鉴作用。监测系统对比分析及分级见表1。

通过上述比较可以看出，参数计算法是最合适的海底管道泄漏监测方法。事实上此种方法已经得到比较广泛的应用，对于小泄漏有很好的灵敏性，具有较低的误报率。

表1 不同监测方法对比分析及分级

4 结束语

比较而言，参数计算法是目前最合适的海底管道泄漏监测方法，由于海底管道服役环境复杂，各种监测方法各有利弊，多种方法组合使用或许是一个趋势。今后海底管道泄漏监测系统重点发展方向为降低低成本，提高准确性、灵敏性和可靠性。

[1]方娜，陈国明，朱红卫.海底管道泄漏事故统计分析[J].油气储运，2014，33（1）：99-103.

[2]KULKAMI M G，ARSLLAN H．Offshore pipeline leak detection system concepts and feasibility study[C]//Twenty-second International Offshore and Engineering Conference.Rhodes，Greece：ISOPE，2012：381－388.

[3]SENDBERG C，HOLMES J．The application of a continuous leak detection system to pipelines and associated equipment, industry applications[J].IEEE Transactions，1998，25（5）：906-909．

[4]DIANE J H，EDWARD J F．Pressure point analysis leak detection methodology，performance and application[C]//EFA Technologies．New Orleans，LA：AICh E Spring Meeting，2002：5 603-5 608．

[5]MODISETTE J P．State estimation of pipeline models using the ensemble kalman filter[C]//Pipeline Simulation Interest Group．Prague：Czech Republic，2013：PSIG 1322．

[6]YAN Rong xin，QI Lei．The gas leak detection technology of the spacecraft on orbit based on acoustic sensor array[C] //International Congress on Ultrasonics．Metz：Elsevier's Physics Procedia，2015：384-387．

[7]WALKER I，CARR D．Fibre optic leak detection[C]//Offshore Technology Conference.Houston：OTC，2003：OTC15360．

[8]KNOBLACH W，BRYCEPW，JAXP．Detection of trace hydrocarbons and toxic components in the environment[C]//9th International Pipeline Conference．Alberta，Canda：IPC，2012：90741．

[9]BRYCE P W，JAX P，FANG Jie．The design and installation of the LEOS deak detection and locatiion system for the northstar project[C]//4th International Pipeline Conference．Calgary，Alberta，Canada：IPC，2002：27042．

[10]API RP 1130-2007，Computational pipeline monitoring for liquids[S]．

Feasibility analysis ofsubsea pipeline leak detection system

JIANG Xiaobin，ZHANG Xiaoling，YAN Huayun，HAN Xueyan

CNOOC（Tianjin）Pipeline Engineering Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China

Pipeline leaks could normally cause huge economic losses and have significant threats to personalsafety and marine ecological environment.The primary purpose of applying pipeline leak detection system is to detect and locate leak as early as possible，so as to reduce economic loss and damage to the environment．This paper introduces four methods suitable for subsea pipelines:computational pipeline monitoring method，infrasonic detection method，optical fiber detection method and gas detection method，and their working principles are analyzed respectively.According to the performance indexes required by subsea pipeline leak detection system，the corresponding weights and ratings of the four methods are given，then the score for each detection method is obtained．The results show that computational pipeline monitoring method getting the highest score is the most suitable for subsea pipeline leak detection.

pipeline leak detection system；distributed opticalfiber；feasibility analysis

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.01.019

国家重大科技专项大型油气田及煤层气开发海洋深水油气田开发工程技术项目“深水海底天然气管道减阻和泄漏监测技术课题”（2016ZX05028004-006）。

蒋晓斌（1979-），男，四川安岳人，高级工程师，2006年毕业于西安石油大学油气储运专业，硕士，现从事海底管道相关技术研发工作。Email：jiangxb3@cnooc.com.cn

2016-11-30