基于次声波的海底输油管道泄漏监测系统实施

施晓东

摘要：通过次声波传感器，数据采集处理器以及GPS/北斗卫星同步接收装置安装，服务器以及监控主机部署。在服务器上安装服务器主站软件，监控主机上安装监测软件。针对不同孔径模拟泄放测试获取数据，对系统算法进行优化。最终采用12mm和6mm泄放孔径进行测试表明，次声波泄漏监测系统能够有效进行报警，响应时间小于120s，定位精度可达±50m。

关键词：次声波泄漏监测 输油管道 实施

中图分类号：TP216文献标识码：A        文章编号：1672-3791（2022）06（a）-0000-00

Application of Leak Detection System on Submarine Oil Pipeline Based on Infrasound Wave

SHI Xiaodong

（Tianjin Branch of CNOOC （China） Co.，Ltd.， Tianjin，300450 China）

Abstract：Through the installation of infrasound sensor， data acquisition processor and GPS / Beidou satellite synchronous receiving device， the deployment of server and monitoring host. Install the server master software on the server and the monitoring software on the monitoring host. The system algorithm is optimized according to the data obtained from the simulated discharge test with different apertures. Finally， 12 mm and 6 mm drain holes are used to test the results. The results show that the infrasonic leak detection system can effectively alarm， the response time is less than 120 s， and the positioning accuracy can reach ± 50 m.

Key Words： Infrasound wave; Leak detection; Oil pipeline;Application

海底管道是海洋油氣资源输送的生命线，承担着原油、天然气以及水的输送重任。海底管道在服役过程中，由于腐蚀、工程质量、第三方破坏和自然与地质灾害等多方面原因，时常发生事故。海底管道一旦泄漏，轻则造成停产，引起经济损失;重则产生环境污染，破坏海洋生态[1-2]。

海底输油管道采用管中管形式，光纤类泄漏监测方法无法实施。次声波泄漏监测技术由于仅在管道两端安装传感器和分析处理装置，同时次声波波长长，传播距离远，因此可以用于在役海底输油管道的泄漏监测。

1 硬件设施安装

某海底输油管道，长度约69 km，平台端输送压力3MPa，登陆终端压力0.5MPa。通过现场调研，进行系统安装设计。次声波泄漏监测系统由一个负责数据处理的主站和一个负责数据采集的分站组成。主站一般布置在用户的中心控制室，它由一台高品质的数据服务器、专业的控制软件和信号处理软件、报警系统和通信系统组成，分站是系统的现场单元，它由高精度次声波传感器、音波放大器、信号采集分析系统和通信系统组成[3]。

实施过程中进行如下安装工作。

对于平台端：

（1）安装次声波测漏传感器，并将电缆连接到数据采集分析器。

（2）中控室安装分站数据采集处理器，包括：数据采集系统、数据处理系统、通信系统等部分。

（3）在中甲板安装GPS/北斗卫星同步接收设备，并将GPS信号电缆铺设至分站数据采集处理器。

对于登陆终端：

（1）安装两支次声波传感器，分别使用电缆连接到中控室内数据采集处理器;

（2）中控室安装分站数据采集处理器，包括：数据采集系统、数据处理系统、通信系统等部分。

（3）在中控室内安装次声波泄漏监测系统主站（包括：数据采集器、监控终端、数据服务器软件等）;

（4）在中控屋顶安装GPS/北斗卫星同步接收设备，对安装的GPS/北斗卫星同步接收设备铺设GPS信号电缆至主站。

其中传感器安装在压力变送器针阀处。

数据采集处理器分别安装在平台中控室和终端中控室，其中平台端进行挂墙安装，终端放置在机柜内。

2 软件系统开发

主站系统由数据服务器、软件系统、专家数据库、报警设备和通信系统组成[4]。

软件系统可以划分为主界面控制模块、通信模块、用户登录模块、数据处理模块、软件升级模块、数据库模块、报警模块、通信数据显示模块和波形数据显示模块9个功能模块[5-6]。

主界面控制模块负责为主站软件提供可视化操作接口，如菜单等;解析从通信模块发送来的分站数据和信息;直接调用其他功能模块实现与分站的数据通信、参数管理、数据处理、报警等功能;显示实时数据波形。

通信模块主要负责通过设定的通信规约和接口与现场设备进行通信，获取现场设备所采集的数据或向现场设备发送数据和指令。

用户登录模块为不同类型的用户登录主站系统提供接口，用户可以通过改模块修改密码。58CBF12F-BFC1-4DD9-9E82-CCD3283EB80E

数据处理模块负责将通信软件得到的原始数据按现场采集点的类型进行转换、判断是否需要产生报警及数据存储管理。

软件升级模块用于实现主站软件和分站软件的远程升级。

数据库模块是将操作日志、分站数据和报警信息保存到数据库中，具有查阅和打印记录的功能。

报警模块根据报警位置和报警类型，实现电子地图定位动画报警和短信报警。

通信数据显示模块是一个可选择的功能模块，主要完成主站发送和接收数据的实时显示。

波形数据显示模块完成主站发送和接收数据的实时显示。

专家数据库是由系统存储管道的各种音波数据，通过对这些数据进行分析和归纳而构成的，可以对信号的判别提供数据支持。

分站系统由信号采集分析系统及配套设备组成。

信号采集分析系统不仅要完成对各种音波信号采集工作，同时还要对实时信号进行初步分析处理。信号初步分析是通过分析所记录的信号时频域波形来获取音波信号中所蕴涵信息的一种方法，它能提供更全面、更詳尽的音波信号特征信息，可实现对音波信号的初级处理判别。

系统首先从信号的时域和频域角度来排除一些噪声信号;其次根据不同管道的结构参数，建立不同的管道信号模型提取信号特征。经过信号处理分析后，将可疑管道泄漏信号，通过无线通信系统传到数据服务器中再进行二次信号处理判别。该系统采用多核技术进行设计开发，充分保证了设备的稳定性、可靠性和数据处理的实时性。系统还配备了大容量的现场数据存储单元，保证系统在出现通信故障时仍然能够将数据存储起来，保证数据不丢失。

3 软件系统调试

通过将平台以及终端处理厂采集分析处理器的数据传入服务器，监控主机调用服务器数据。在服务器上安装服务器主站软件，监控主机上安装监测软件。如图1、图2所示。

从图1、图2可以看出，3支传感器占用3个通道，监控软件中显示平台端和终端的波形。

在处理厂端原油取样口进行模拟泄放试验，通过安装加工完成的泄放头，分别安装6mm、8mm、10mm和12mm孔径泄放头。采用下列原油泄放方式：

（1）关闭原油取样处球阀。

（2）拆除原油取样处的软管。

（3）将要测试孔径的泄放堵头安装到泄放控制球阀上，安装的时候注意缠绕密封用的生料。

（4）将油料泄放管一端连接到泄放堵头，安装的时候注意缠绕密封用的生料带，将油料泄放管的另一端插入原油收纳容器中。此步骤泄放装置安装完成，可以进行泄放操作。

（5）单次泄放开始操作：在泄放操作员确认记录员、泄放操作员、时间控制员都准备好的情况下，泄放指挥员发出泄放开始指令，泄放操作员将泄放控制阀门快速打开，打开过程中需注意原油喷射;记录员记录泄放操作开始时间;泄放时间控制员按下计时工具（秒表），开始计时。

（6）单次泄放结束操作：在泄放指挥员确认泄放时间达到预定要求，发出泄放停止指令，泄放操作员快速将泄放控制阀门关闭;同时，泄放记录员记下泄放结束时间和泄放时长，泄放时间控制员按下计时工具（秒表），停止计时。

（7）如果按照泄放测试计划，下一步的泄放测试的孔径需要更换，则泄放操作员将原油泄放管从泄放堵头上拆下，然后再拆下泄放堵头，按照第（3）（4）步骤的操作安装新的泄放堵头，再安装泄放导油管;如果下一步的泄放测试孔径不需要更换，该步骤省略。

（8）泄放指挥员确认上次泄放测试后已经超过5min，则可以进行下一次的泄放操作，操作流程重复（5）（6）（7）。如果泄放指挥员确认整个泄放实验已经完成，这需要进行泄放装置拆除工作，进入下一步操作流程。

（9）关闭取样口球阀，需要确保阀门完全关闭。

（10） 按照油料泄放管、泄放堵头顺序拆除装置，拆除过程中需要注意油料喷射。

（11） 现场所有物料都需要妥善收纳，特别是泄放出来的原油。

（12） 模拟测试完成后，进行现场的清理工作。

其中，图3是10mm泄放头测试结果。

从模拟泄放记录表记录和波形显示分析来看，数据匹配良好。其中8mm、10mm以及12mm泄放模拟信号明显。6mm泄放口径信号稍弱一些，需要进行特征分析，算法改进。

4 系统测试

经过算法完善后，最终进行系统的测试，泄放孔径为12mm和6mm，其中平台端泄放2次，终端泄放6次。测试结果如表1所示。

从表1可以看出，次声波泄漏监测系统能够有效进行泄漏模拟报警，响应时间小于120s，定位精度可达±50m。

5 结论

通过海底输油管道次声波泄漏监测系统实施，模拟泄放测试表明次声波是一种有效的海底管道泄漏监测手段。

（1）海底输油管道次声波泄漏监测技术响应时间短，误报率低，无漏报，定位精度达±50m。

（2）随着系统运行时间增加，运行数据的收集分析，数据库的完善，可以逐步优化次声波泄漏监测系统算法，扩大系统的推广应用。

参考文献

[1] 李中.中国海油深水钻井技术进展及发展展望[J].中国海上油气，2021，33（3）：114-120.

[2] 陈涛，李学楠.水下软管连接形式优化[J].中国石油和化工标准与质量，2021，41（6）：115-117.

[3] 张智慧.和睦系统控制站输出允许功能研制与应用[J].自动化仪表，2021（Z1）：139-142，147.

[4] 蒋晓斌，张晓灵，闫化云，等. 海底管道泄漏监测系统可行性分析[J].石油工程建设.2017，43（1）：76-79.

[5] 朱卫东，蒋晓斌.管道泄漏次声波监测系统开发[J].石油工程建设，2020，46（2）：29-32.

[6] 刘健.海底管道泄漏监测系统设计应用[J].石油化工自动化，2020，56（1）：39-42.58CBF12F-BFC1-4DD9-9E82-CCD3283EB80E