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(chǎn)的生命線，如果管道發(fā)生穿孔，將會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染等一系列不良后果，同時(shí)巡線、停產(chǎn)、搶險(xiǎn)、補(bǔ)漏，需花費(fèi)大量的人力、物力、時(shí)間，因此造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大。如果采取先進(jìn)的科技手段，對(duì)輸油(氣)管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，迅速準(zhǔn)確地判斷出泄漏位置，就能使突發(fā)事件得到及時(shí)處理，使損失降到最低限度，并對(duì)不法分子形成強(qiáng)大的震懾和遏制作用，從而確保國(guó)家財(cái)產(chǎn)免受損失，對(duì)保障油田生產(chǎn)的正常運(yùn)行具有重大意義。

1 泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)類(lèi)型

管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為三種類(lèi)型： 基于內(nèi)部參數(shù)的監(jiān)測(cè)方法、基于外部探測(cè)的監(jiān)測(cè)方法、定期泄漏測(cè)試的監(jiān)測(cè)方法。這三種類(lèi)型中均存在連續(xù)監(jiān)測(cè)與非連續(xù)監(jiān)測(cè)的方法，本文將主要研究實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)的管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。現(xiàn)有的管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下特性：

1)管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只適用于某范圍內(nèi)的泄漏量的監(jiān)測(cè)，對(duì)于滲漏工況不適用，對(duì)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(zhì)不同，都可以進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)，只是泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的原理不同。

3)沒(méi)有一種泄漏監(jiān)測(cè)方法可適用于所有管道，為有效地監(jiān)測(cè)管道在各種工作狀態(tài)下的泄漏，建議使用內(nèi)部或外部相結(jié)合的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段。

4)由于監(jiān)測(cè)的原理不同、泄漏監(jiān)測(cè)的方法不同、選取參數(shù)不同、管道工況也不同，因此不同管道適用的泄漏監(jiān)測(cè)的上、下限也不同，目前沒(méi)有統(tǒng)一的界定范圍。

2 管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適用范圍

2.1 按泄漏等級(jí)劃分

2.1.1 API 1175—2015PipelineLeakDetection—ProgramManagement

API 1175—2015PipelineLeakDetection—ProgramManagement的6.4節(jié)和6.5節(jié)中指出，管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要考慮管道的特性、泄漏量等級(jí)以及流體介質(zhì)等因素，從而判別泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能否適用于該管道。該標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于泄漏等級(jí)的分類(lèi)見(jiàn)表1所列。

表1 泄漏等級(jí)分類(lèi)

注： √—很可能探測(cè)；○—可能探測(cè)；×—不可能探測(cè)。

根據(jù)表1的描述，每種泄漏監(jiān)測(cè)方法并不能覆蓋所有時(shí)刻、所有類(lèi)型的泄漏監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之前，首先應(yīng)明確可接受的泄漏等級(jí)，而泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的泄漏等級(jí)，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(jì)算監(jiān)測(cè)》

該標(biāo)準(zhǔn)附錄A中規(guī)定：“管道計(jì)算監(jiān)測(cè)(CPM)是一個(gè)在其能力范圍內(nèi)用來(lái)探測(cè)泄漏的管道工具。它能探測(cè)到管輸物漏失或者疑似泄漏的水力異?，F(xiàn)象。同其他工具相似，CPM系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)中關(guān)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效范圍存在規(guī)定上限和規(guī)定下限，高于規(guī)定上限的泄漏量對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的操作人員可直接發(fā)現(xiàn)，而低于規(guī)定下限的泄漏量則無(wú)法被監(jiān)測(cè)。

2.2 按管道內(nèi)介質(zhì)劃分

1)油管道。API 1130—2002ComputationalPipelineMonitoringforLiquidPipelines與SY/T 6826—2011中，均明確了泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以適用于單相液體管道，但流體應(yīng)是完全液相或同質(zhì)混合相。

2)氣管道。CSA Z662—2007OilandGasPipelineSystem與API 1149—2015PipelineVariableUncertaintiesandTheirEffectsonLeakDetectability中，也分別定義了泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以應(yīng)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(jié)指明了泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所在管道的地理位置，該標(biāo)準(zhǔn)主要用于陸上和海洋干線管道系統(tǒng)。

2)API 1130—2002中1.4節(jié)注明了泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所在管道可以位于陸地或海洋，也可適用于其他管道系統(tǒng)。

3)CSA Z662—2007中1.2節(jié)規(guī)定了泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用范圍，包括石油工業(yè)流體、海上管道、陸上管道、油庫(kù)和泵站等。

3 海底管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 海底管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)

海底管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足以下監(jiān)測(cè)性能：

1)靈敏性。當(dāng)海底管道發(fā)生泄漏時(shí)，能及時(shí)做出響應(yīng)。

2)準(zhǔn)確性。當(dāng)海底管道發(fā)生泄漏時(shí)，能準(zhǔn)確地找到泄漏源。

3)可靠性。應(yīng)能適用于海洋環(huán)境或海底工況，系統(tǒng)出現(xiàn)誤報(bào)警的概率要低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值。

4)魯棒性。當(dāng)通信信號(hào)出現(xiàn)中斷或在數(shù)據(jù)丟失的情況下，系統(tǒng)能保存數(shù)據(jù)并提供有用的信息。

5)實(shí)時(shí)性。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)受限或傳輸帶寬不高時(shí)，泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析。

6)連續(xù)性。在管道輸送介質(zhì)過(guò)程中或管道停工狀態(tài)下，泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)管道的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 海底管道泄漏監(jiān)測(cè)方法

管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前是比較成熟的監(jiān)測(cè)技術(shù)，但考慮到海洋環(huán)境或海底工況的特殊性，通過(guò)查閱收集到的海底管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用案例，對(duì)適用于海底油氣管道實(shí)時(shí)在線泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理方法進(jìn)行歸類(lèi)、總結(jié)。

3.2.1 基于外部的泄漏監(jiān)測(cè)方法

1)分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)法。該方法適用于新建管道，當(dāng)激光在光纖中發(fā)生散射時(shí)，通過(guò)對(duì)比與溫度變化有關(guān)的反斯托克斯波和與溫度變化無(wú)關(guān)的斯托克斯波，即可獲得溫度值，并通過(guò)反射光的傳播時(shí)間和折射率可以計(jì)算出距離，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)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(shè)時(shí)，當(dāng)泄漏的物質(zhì)滲入電纜后會(huì)引起電纜特性的變化；液態(tài)天然氣管道以及黏油、海底等加熱輸送管道的泄漏，會(huì)引起周?chē)h(huán)境溫度的變化，但對(duì)于“快速”泄漏，檢測(cè)受制于電纜的電壓、電流，該方法對(duì)于管道總長(zhǎng)度的限制為15 km以?xún)?nèi)、管道埋深限制在15 m以?xún)?nèi)。在國(guó)內(nèi)，該監(jiān)測(cè)方法相對(duì)應(yīng)用較少，尚無(wú)成熟案例。

3)聲波/負(fù)壓波法。該方法適用于海底管道上岸部分，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏處物質(zhì)損失造成壓力突然下降，壓降由泄漏處向上、下游傳播，稱(chēng)之為負(fù)壓波。利用負(fù)壓波，通過(guò)上、下游測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間差，以及負(fù)壓波在管道中的傳播速度可以確定泄漏位置。在國(guó)內(nèi)成品油管道項(xiàng)目中，該監(jiān)測(cè)方法已有多個(gè)實(shí)際應(yīng)用案例

3.2.2 基于內(nèi)部的泄漏監(jiān)測(cè)方法

1)管道平衡法。監(jiān)測(cè)方法基于輸入和輸出測(cè)量值之間的不平衡，該種不平衡在1個(gè)選定的時(shí)間間隔內(nèi)(如15 min～24 h)與預(yù)先設(shè)定的報(bào)警閾值不一致，從而探測(cè)不同大小的管輸物漏失。

2)實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型法。通過(guò)模型軟件，將模擬結(jié)果與測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，先將管道的(管長(zhǎng)、管徑、走向、內(nèi)部粗糙度等)物理參數(shù)、流體物性(流量、黏度)、溫度壓力等預(yù)先輸入到模型軟件中，根據(jù)軟件中管道的配置，以及主要輸入和輸出點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)流量、壓力、溫度和密度輸入數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件建立實(shí)時(shí)瞬態(tài)水利模型。該模型可在系統(tǒng)瞬態(tài)變化過(guò)程中，對(duì)整個(gè)管道系統(tǒng)的流體動(dòng)態(tài)特征值進(jìn)行模擬，最后再將相應(yīng)的模擬結(jié)果與管道的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判別是否發(fā)生了泄漏，該監(jiān)測(cè)方法已在南海西部某氣田投入使用。

3)壓力/流量監(jiān)測(cè)法。依靠質(zhì)量守恒定律，沒(méi)有泄漏時(shí)進(jìn)入管道的質(zhì)量流量和流出管道的質(zhì)量流量是相等的，如果出現(xiàn)進(jìn)入流量大于流出流量，就可以判斷出管道中間有泄漏點(diǎn)。壓力/流量泄漏監(jiān)測(cè)原理如圖2所示，目前該監(jiān)測(cè)方法已在南海東部某油田取得了良好的應(yīng)用效果。

圖2 壓力/流量泄漏監(jiān)測(cè)原理示意

3.3 海底管道不同泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的比較

管道所處的地理位置不同、輸送的介質(zhì)不同，泄漏監(jiān)測(cè)應(yīng)用的原理也不同，但采用不同監(jiān)測(cè)原理的海底管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各有其特點(diǎn)，海底管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的對(duì)比見(jiàn)表2所列。

表2 海底管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的類(lèi)型，并重點(diǎn)說(shuō)明了海底管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)方法。本文不僅為后續(xù)海底管道建設(shè)項(xiàng)目提供了工程設(shè)計(jì)指導(dǎo)，同時(shí)還為生產(chǎn)作業(yè)人員對(duì)管道的運(yùn)行狀態(tài)與維護(hù)提供了可借鑒的指導(dǎo)方法：

1)泄漏監(jiān)測(cè)方法應(yīng)考慮結(jié)合兩種及以上方法，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相互印證的作用，減少誤報(bào)。

2)對(duì)于海底管道，應(yīng)優(yōu)先選用基于內(nèi)部的CPM方法，其次選基于外部的CPM方法。

3)對(duì)于多進(jìn)、多出的管道，壓力/流量監(jiān)測(cè)法與聲波/負(fù)壓波法不完全適用，推薦使用實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型法。

4)對(duì)于純液體管道，壓力/流量監(jiān)測(cè)法與聲波/負(fù)壓波法相對(duì)可靠，但音波測(cè)漏系統(tǒng)存在固有的監(jiān)測(cè)距離短等缺點(diǎn)，不適用于長(zhǎng)輸管道。

5)對(duì)于輸氣管道，音波測(cè)漏系統(tǒng)易受環(huán)境噪聲干擾，不推薦使用。

6)對(duì)于小于1%的泄漏，管道平衡法與壓力/流量監(jiān)測(cè)法一般無(wú)法監(jiān)測(cè)。

7)對(duì)于超過(guò)40 km的管道，聲波/負(fù)壓波法測(cè)量精度隨著管道長(zhǎng)度的增加而降低。

8)對(duì)于超過(guò)15 km的管道，傳感器電纜法不適用。

9)對(duì)于超過(guò)50 km的管道，分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)法需要布置多個(gè)光纖傳感單元。

10)對(duì)于超長(zhǎng)管道，實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型法監(jiān)測(cè)精度隨著管道長(zhǎng)度的增加而降低。