海上油田輸油海底管線泄漏檢測系統研究

杜 剛，邵海龍，王志祥，李 季，王偉杰

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

隨著海上油田資源的開發，我國的海底石油天然氣管道鋪設里程越來越多。由于油氣介質具有易燃易爆特性，一旦泄漏，不僅會引發火災和爆炸等事故，還會對人員安全、財產、海洋環境產生極大的影響。經過相關數據統計發現，發生海底管道泄漏事故的主要原因是由于人為破壞、管道內外腐蝕、海床運動、管線懸空作用、地震或颶風等自然災害導致。

人為破壞：近海海域海上活動頻繁，尤其渤海水深20m左右，且海底管線埋設位置較淺，一般鋪設在海底2m左右的海床上，漁業作業的拋錨會對海底管道產生沖擊。2008年渤西天然氣管道因船舶拋錨導致外輸管道損傷泄漏，另外，還有近海工程施工、海上落物沖擊、海洋開發等其它活動，都有可能會導致海管損傷。海床運動：由于海洋自然環境的特性，海床受地殼或者洋流影響移動。由于海底管道架設在海床上，因而海床運動會對海底油氣管道產生影響。管線懸空：海底管道部分管段懸空，承受交變載荷的水流作用，從而導致管道疲勞損傷。管道腐蝕：海底管線有管內腐蝕和管外腐蝕，管內腐蝕是由于外輸油氣中含有氧氣（O2）、硫（S）、氮（N）等雜質，與金屬管道產生化學反應，如氫元素易使管線發生氫脆，導致開裂。管外腐蝕，則多由陰極保護失效導致防腐層失效。地震等自然災害：2005年，美國墨西哥灣受到卡特里娜颶風攻擊后，多條油氣管道破損。

海底油氣管道泄漏的原因是多方面的，為了保護海洋環境、人員安全等，對海底油氣管道的泄漏點的準確定位，是海洋油氣平臺安全運行的必要條件。

管道泄漏有不同的技術可供選擇，也有不同的分類方法，按照基于硬件與軟件的檢測法分為內部檢測法和外部檢測法兩類。內部法即基于管道內部參數計算的檢測方法，使用儀器來監測內部管道參數（壓力、流量、溫度等）作為輸入，通過一定的算法從而推斷出管道泄漏。外部法即基于管道外部的檢測方法，例如傳統的線路巡檢和基于光纖傳感的泄漏檢測。內部檢測法是通過連續監測壓力、溫度、流量、聲速、粘度、密度或其他管道參數的狀態，根據這些參數的變化量，通過特定的軟件算法推斷是否發生泄漏。主要的基于內部的方法有：瞬態模型法、負壓波法、壓力/流量的監測和分析法、次聲波方法等。外部檢測法是基于通過各種傳感設備或電纜，對泄漏介質所造成的管道外部環境參數改變的物理檢測方法。主要的外部檢測法有：光纖傳感技術、聲波檢測法、碳氫化合物蒸汽或液體感應管、紅外攝像機等。

主要的管道泄漏檢測方法從靈敏度、定位精度、評估能力、反應時間、有效性、誤報率、適應性、可維護性、費用等9個方面對比見表1。

表1 管道泄漏檢測方法性能對比表Table 1 Performance comparison of pipeline leak detection methods

海底管線是通過密閉的管道在海底連續地輸送大量油（氣）的管道，是海上油氣田開發生產系統的主要組成部分，由鋼管、保溫層、配重層、加熱系統、防腐系統組成的輸油、氣、化學藥劑的管路。本文結合項目海底油水混輸管線的特點，對管線泄漏檢測方法進行了選擇，從檢測原理、優點、缺點等多方面細述了泄漏檢測方法，并提出多方法融合算法，以便降低單一方法的誤報警概率，增加泄漏檢測的魯棒性能。

1 泄漏檢測方法研究

1.1 概述

渤海海域某平臺之間海底管線里程約50 km，水深10 m，由于為稠油平臺，為了保證流動性，降低壓損，通過使用加熱器加熱至80℃，并摻水混輸至另一平臺處理，輸送介質為油水混輸，含水量50%～70%左右，海管入口操作壓力為5.0 Mpa～7.0 Mpa，溫度80℃，海管出口操作壓力0.7 Mpa，溫度40℃～60℃。結合項目介質特點，從靈敏度、檢測精度、成本及方便維護等多方面考慮，結合目前較新的次聲波方法、負壓波方法、流量平衡方法、瞬態模型法的優缺點一一比較。

1.2 負壓波方法

當輸油管道發生泄漏時，其泄漏位置由于管內外壓力差，導致物質從管內向管外泄漏，引起物質損失。而同時，由于慣性作用，管道內的流體并不會立即改變流速。由于壓力差異，流體從上下游區域分別向泄漏點處填充，導致泄漏點相鄰的區域密度和壓力的降低，并在此處產生分別向上、下游傳播的負壓波。負壓波的傳播速度與管壁彈性和流體壓縮性有關，負壓波的傳播速度一般約為1000 m/s~1200 m/s。通過在管線入口和出口分別設置壓力傳感器對負壓波到傳感器的時間進行檢測，根據負壓波在不同介質中的速度，以及時間差，推算出泄漏點位置。

如圖1所示，在管道的入口側和出口側分別安裝負壓波壓力傳感器，在管線某位置泄漏后，兩側的負壓波傳感器分別在t1時刻和t2時刻接收到負壓波信號，從而判斷管道泄漏。另外，根據負壓波的傳播速度以及兩側負壓波傳感器接收到負壓波信號的時間差進行泄漏的定位。

圖1 負壓波泄漏檢測原理Fig.1 The principle of negative pressure wave leak detection

負壓波定位公式如下：

式（1）中：X為泄漏點距首端測壓點的距離，m；L為管道全長，m；v為管道中油品的流速，m/s；a為壓力波的傳播速度，m/s；Δt為上下游傳感器接收到壓力波的時間差，s。

由公式可以看出：負壓波定位的3個關鍵因素：①管道中負壓波速度；②負壓波信號分別傳到管道上下游負壓波壓力傳感器的時間差；③統一兩側負壓波壓力傳感器的時間基準，以保證負壓波傳輸到兩端負壓波壓力傳感器的精確的時間差。

負壓波方法利用高頻壓力傳感器檢測，成本低，檢測速度快，比較準確定位泄漏位置，但是由于漸進式泄漏不會產生特定的聲波，對漸進式泄漏檢測能力較差，受儀表精度和時間影響非常大，壓力傳感器采樣頻率較高，需經常校準。受噪音影響，壓力傳感器很難精確檢測到負壓波突降點，時間差計算精度有待提高。而且閥門正常操作，啟停外輸泵也會引起負壓波，造成誤報警。由于負壓波在天然氣管道中能量迅速衰減，并且泄漏產生的壓力波幅值水平與管道噪音較接近。所以，負壓波方法不適用于天然氣管道。

1.3 流量平衡法

流量平衡法是利用管道內流體的質量守恒原理，即管道未泄漏工況，管道內流體流入質量與流出質量必相等。通過管道入口和出口兩側的流量計實時測出管道出口與入口流量，有差值則表明管道內可能發生泄漏。但是，由于所測流量與流體的參數，如溫度、壓力、密度、黏度等參數以及流體的狀態有關，所以流量法對溫度、壓力、密度、黏度等流體性質的擾動或者流體動力學變化非常敏感，易造成誤檢，在實際應用中還需進行修正。

流量平衡法比較直觀，方法較可靠，但是智能檢測有較大的泄漏，且不能判斷泄漏位置。所以，流量平衡法適合作為一種輔助方法，與其它檢測方法配合使用，提高檢測效果。

1.4 次聲波方法

次聲波方法原理與負壓波方法類似，油氣管道的管壁一般為鋼鐵材質。在管道泄漏點處，流體與管壁摩擦產生震動聲波，聲波向管線上下游傳播，而且泄漏產生的聲波頻率一般分布在6 kHz～80 kHz之間。其中，低于20 Hz的低頻聲波傳播距離較遠，且與工況擾動所產生的聲波的信號特征不一樣。通過在管道入口和出口分別安裝低頻聲波傳感器，實時采集由于管線泄漏產生的低頻聲波信號，依據對泄漏信號特征的分析來監測是否發生泄漏。

泄漏點定位公式為：

式（2）中：X為泄漏點與上游監測點的距離，m；vb為波的傳播速度，m/s；Δt為GPS時間差，s；L為上、下游監測點的距離，m。

低頻聲波法管道泄漏監測系統的優點主要是傳播距離遠，價格適中，由于特征信號不一樣，可以識別工況擾動所帶來的干擾信號，克服了負壓波法的缺點，能夠探測到較小流量的泄漏。缺點是對小流量的泄漏和緩慢泄漏仍存在檢測靈敏度和定位精度不高的問題。

1.5 瞬態模型方法

實時瞬態模型法是通過對管線流體建立流體力學瞬時模型，模擬管道內的流體的流動以及壓力和溫度的變化，通過采用達西公式、能量平衡、動量平衡和狀態方程等，設定管道邊界條件，對動態特征進行模擬，將模擬計算的壓力、流量等數值與測量的數據進行比較。如果大于某一閾值，則判斷有泄漏發生。

為了設計特定管道的實時瞬態模型，需要包括管道的物理參數（管長、管徑、壁厚、管路構成、路由拓撲、粗糙度、外輸泵、閥門、設備位置）以及流體物性（精確的體積模量、黏度、密度等）。相比于其它方法，實時瞬態模型方法能夠模擬動態流體特性（流量、壓力、溫度），并考慮到廣泛配置的管道物理特性（長度、直徑、厚度等）及產品特性（密度、黏度等），有完整的流體動力學特性，可以測量泄漏的體積和位置，適用于瞬態工況，誤報率較低，但是實時瞬態模型法比較依靠儀表精度。

瞬態模型方法優點是進行連續監測，對泄漏敏感性高，缺點是對儀表精確度要求較高，建立模型計算的運算量較大，運維操作都需要專業的知識和技能，對流體的黏度和密度較為敏感，泄漏位置識別的準確性不是很好。瞬態模型方法較適合于天然氣管線泄漏計算，油水混輸管線由于油水比值不固定，水力模型和熱力模型建立較為困難。

2 融合算法

由于管道泄漏檢測的復雜性，目前尚無一種方法可以適用于所有管道泄漏檢測問題。結合本文所述項目海管及流體特點，從靈敏度、精確度、可靠性、穩定性、投資比等多方面評估，同時適當考慮泄漏大小，監測時間，易用性、安全性等諸多因素。結合上述因素，同時由于油水混輸，瞬態模型方法的水力、熱力模型的建立運算工作量較大，同時負壓波法和低頻聲波法有較強的互補性。本文將負壓波方法、次聲波方法、流量平衡法3種方法進行算法融合，同時對壓力變送器、次聲波傳感器信號發生泄漏信號進行一致性分析，以避免單一的負壓波或者次聲波法的算法局限性，從而提升泄漏檢測系統魯棒性及準確性。

海底管線兩側平臺各設置一套數據采集設備，海管入口和出口分別設置次聲波傳感器、壓力傳感器、質量流量計。海管兩側平臺的數采設備通過使用帶有光口的交換機，利用海底光纜進行數據傳輸，且兩側平臺都配置時鐘同步授時裝置，通過使用衛星向地面終端同時發射信號，地面終端可以同時接收到信號，對兩端系統時間進行校正，受時精度高，它滿足了泄漏監測系統對時間精度的要求，保證兩側傳感器數據采集時間的一致性。所有數據傳至泄漏監測系統上位機，進行計算分析，并對次聲波方法和負壓波方法得出的信息進行一致性對比，降低負壓波方法的誤報警概率。

系統架構圖如圖2。

圖2 多方法融合算法泄漏檢測系統架構圖Fig.2 Architecture of leak detection system with multi-method fusion algorithm

此外，由于泵速、調閥等正常的工況變化同樣會產生負壓波，可以將原油外輸泵的轉速、調節閥開度等信號傳至上位機，來排除工況變化所導致的誤報警。

3 結論

針對油水混輸海底管線，提出基于次聲波方法、負壓波方法、流量平衡方法多算法融合方法，通過一致性和互補性分析，提升管道泄漏檢測方法的魯棒性能，增強抗干擾能力，并提升定位精度，并可在軟件算法中引入小波變換、神經網絡等算法降低噪音對信號的影響，減少單一方法在擾動復雜頻繁情況下誤報率較高的問題。結合具體海上油氣平臺，設計了多算法融合海管泄漏檢測系統方案，方案成本較低，適于工程應用。