海底管道泄漏监测系统设计应用

刘健

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

原油(天然气)输送管道是油气田生产的生命线，如果管道发生穿孔，将会导致环境污染等一系列不良后果，同时巡线、停产、抢险、补漏，需花费大量的人力、物力、时间，因此造成的经济损失巨大。如果采取先进的科技手段，对输油(气)管道进行实时监测，迅速准确地判断出泄漏位置，就能使突发事件得到及时处理，使损失降到最低限度，并对不法分子形成强大的震慑和遏制作用，从而确保国家财产免受损失，对保障油田生产的正常运行具有重大意义。

1 泄漏监测系统类型

管道泄漏监测系统主要分为三种类型： 基于内部参数的监测方法、基于外部探测的监测方法、定期泄漏测试的监测方法。这三种类型中均存在连续监测与非连续监测的方法，本文将主要研究实时连续监测的管道泄漏监测系统。现有的管道泄漏监测系统具有以下特性：

1)管道泄漏监测系统只适用于某范围内的泄漏量的监测，对于渗漏工况不适用，对于爆裂工况也不适用。

2)管道所处的地理位置不同、输送的介质不同，都可以进行泄漏监测，只是泄漏监测系统应用的原理不同。

3)没有一种泄漏监测方法可适用于所有管道，为有效地监测管道在各种工作状态下的泄漏，建议使用内部或外部相结合的监测技术手段。

4)由于监测的原理不同、泄漏监测的方法不同、选取参数不同、管道工况也不同，因此不同管道适用的泄漏监测的上、下限也不同，目前没有统一的界定范围。

2 管道泄漏监测系统适用范围

2.1 按泄漏等级划分

2.1.1 API 1175—2015PipelineLeakDetection—ProgramManagement

API 1175—2015PipelineLeakDetection—ProgramManagement的6.4节和6.5节中指出，管道泄漏监测系统需要考虑管道的特性、泄漏量等级以及流体介质等因素，从而判别泄漏监测系统能否适用于该管道。该标准关于泄漏等级的分类见表1所列。

表1 泄漏等级分类

注： √—很可能探测；○—可能探测；×—不可能探测。

根据表1的描述，每种泄漏监测方法并不能覆盖所有时刻、所有类型的泄漏监测。设计管道泄漏监测系统之前，首先应明确可接受的泄漏等级，而泄漏监测系统所监测的泄漏等级，通常为中等泄漏或者微小泄漏。

2.1.2 SY/T 6826—2011《液体管道的计算监测》

该标准附录A中规定：“管道计算监测(CPM)是一个在其能力范围内用来探测泄漏的管道工具。它能探测到管输物漏失或者疑似泄漏的水力异常现象。同其他工具相似，CPM系统只能用于特定用途，并且也有被限制的地方。限制是多方面的因素”。该标准中关于CPM的阈值划分如图1所示。

图1 CPM阈值划分示意

图1所示的管道泄漏监测系统有效范围存在规定上限和规定下限，高于规定上限的泄漏量对于有经验的操作人员可直接发现，而低于规定下限的泄漏量则无法被监测。

2.2 按管道内介质划分

1)油管道。API 1130—2002ComputationalPipelineMonitoringforLiquidPipelines与SY/T 6826—2011中，均明确了泄漏监测系统可以适用于单相液体管道，但流体应是完全液相或同质混合相。

2)气管道。CSA Z662—2007OilandGasPipelineSystem与API 1149—2015PipelineVariableUncertaintiesandTheirEffectsonLeakDetectability中，也分别定义了泄漏监测系统可以应用于气体管道。

2.3 按管道地理位置划分

1)SY/T 6826—2011中1.4节指明了泄漏监测系统所在管道的地理位置，该标准主要用于陆上和海洋干线管道系统。

2)API 1130—2002中1.4节注明了泄漏监测系统所在管道可以位于陆地或海洋，也可适用于其他管道系统。

3)CSA Z662—2007中1.2节规定了泄漏监测系统应用范围，包括石油工业流体、海上管道、陆上管道、油库和泵站等。

3 海底管道泄漏监测系统设计

3.1 海底管道泄漏监测系统性能设计

海底管道泄漏监测系统设计，应满足以下监测性能：

1)灵敏性。当海底管道发生泄漏时，能及时做出响应。

2)准确性。当海底管道发生泄漏时，能准确地找到泄漏源。

3)可靠性。应能适用于海洋环境或海底工况，系统出现误报警的概率要低于标准规定的数值。

4)鲁棒性。当通信信号出现中断或在数据丢失的情况下，系统能保存数据并提供有用的信息。

5)实时性。当数据传输介质受限或传输带宽不高时，泄漏监测系统应能做到实时监测分析。

6)连续性。在管道输送介质过程中或管道停工状态下，泄漏监测系统能够实现连续监测管道的运行状态。

3.2 海底管道泄漏监测方法

管道泄漏监测系统目前是比较成熟的监测技术，但考虑到海洋环境或海底工况的特殊性，通过查阅收集到的海底管道泄漏监测系统应用案例，对适用于海底油气管道实时在线泄漏监测系统的原理方法进行归类、总结。

3.2.1 基于外部的泄漏监测方法

1)分布式光纤传感监测法。该方法适用于新建管道，当激光在光纤中发生散射时，通过对比与温度变化有关的反斯托克斯波和与温度变化无关的斯托克斯波，即可获得温度值，并通过反射光的传播时间和折射率可以计算出距离，从而实现准确定位。

2)传感器电缆法。该方法也适用于新建管道，电缆与管道平行铺设时，当泄漏的物质渗入电缆后会引起电缆特性的变化；液态天然气管道以及黏油、海底等加热输送管道的泄漏，会引起周围环境温度的变化，但对于“快速”泄漏，检测受制于电缆的电压、电流，该方法对于管道总长度的限制为15 km以内、管道埋深限制在15 m以内。在国内，该监测方法相对应用较少，尚无成熟案例。

3)声波/负压波法。该方法适用于海底管道上岸部分，当管道发生泄漏时，泄漏处物质损失造成压力突然下降，压降由泄漏处向上、下游传播，称之为负压波。利用负压波，通过上、下游测量点的时间差，以及负压波在管道中的传播速度可以确定泄漏位置。在国内成品油管道项目中，该监测方法已有多个实际应用案例

3.2.2 基于内部的泄漏监测方法

1)管道平衡法。监测方法基于输入和输出测量值之间的不平衡，该种不平衡在1个选定的时间间隔内(如15 min～24 h)与预先设定的报警阈值不一致，从而探测不同大小的管输物漏失。

2)实时瞬态模型法。通过模型软件，将模拟结果与测量数据进行比较，先将管道的(管长、管径、走向、内部粗糙度等)物理参数、流体物性(流量、黏度)、温度压力等预先输入到模型软件中，根据软件中管道的配置，以及主要输入和输出点的现场流量、压力、温度和密度输入数据，通过软件建立实时瞬态水利模型。该模型可在系统瞬态变化过程中，对整个管道系统的流体动态特征值进行模拟，最后再将相应的模拟结果与管道的测量数据进行比较，判别是否发生了泄漏，该监测方法已在南海西部某气田投入使用。

3)压力/流量监测法。依靠质量守恒定律，没有泄漏时进入管道的质量流量和流出管道的质量流量是相等的，如果出现进入流量大于流出流量，就可以判断出管道中间有泄漏点。压力/流量泄漏监测原理如图2所示，目前该监测方法已在南海东部某油田取得了良好的应用效果。

图2 压力/流量泄漏监测原理示意

3.3 海底管道不同泄漏监测系统的比较

管道所处的地理位置不同、输送的介质不同，泄漏监测应用的原理也不同，但采用不同监测原理的海底管道泄漏监测系统各有其特点，海底管道泄漏监测系统的对比见表2所列。

表2 海底管道泄漏监测系统对比

4 结束语

本文主要介绍了泄漏监测系统的类型，并重点说明了海底管道泄漏监测系统的选型设计方法。本文不仅为后续海底管道建设项目提供了工程设计指导，同时还为生产作业人员对管道的运行状态与维护提供了可借鉴的指导方法：

1)泄漏监测方法应考虑结合两种及以上方法，实现优势互补、相互印证的作用，减少误报。

2)对于海底管道，应优先选用基于内部的CPM方法，其次选基于外部的CPM方法。

3)对于多进、多出的管道，压力/流量监测法与声波/负压波法不完全适用，推荐使用实时瞬态模型法。

4)对于纯液体管道，压力/流量监测法与声波/负压波法相对可靠，但音波测漏系统存在固有的监测距离短等缺点，不适用于长输管道。

5)对于输气管道，音波测漏系统易受环境噪声干扰，不推荐使用。

6)对于小于1%的泄漏，管道平衡法与压力/流量监测法一般无法监测。

7)对于超过40 km的管道，声波/负压波法测量精度随着管道长度的增加而降低。

8)对于超过15 km的管道，传感器电缆法不适用。

9)对于超过50 km的管道，分布式光纤传感监测法需要布置多个光纤传感单元。

10)对于超长管道，实时瞬态模型法监测精度随着管道长度的增加而降低。