海底管道泄漏监测系统性能指标的思考

刘洋

中海石油（中国）有限公司天津分公司 （天津 300452）

1998—2012年，国内公开发表和报道的海底管道泄漏事故共19起[1]，其中渤海海域发生10起，黄海海域发生6起，东海海域3起；天然气泄漏4起，油品泄漏15起。海底管道担负着海洋原油、凝析油、天然气、水的输送任务，一旦发生泄漏，会造成直接经济损失，以及对海洋生态环境造成污染和破坏。因此有必要建立泄漏监测系统，泄漏监测系统虽不能减小海底管道发生泄漏的概率，但是可以降低泄漏的后果，进而将海底管道泄漏风险降到最低。

我国海底管道泄漏检测系统还处于研究阶段，暂未大规模应用。目前存在多种海底管道泄漏监测方法，各自具有一定的优缺点，然而对于各种监测方法没有统一的指标规范。笔者提出关于海底管道泄漏监测系统性能指标的探讨，期望对于监测系统的选用起到一定的借鉴作用。

1 主要性能指标

海底管道泄漏监测系统首要解决两个问题：一是发生泄漏时及时报警；二是泄漏位置准确定位。在海底管道泄漏监测系统标准方面，对于借助传感器的外部监测技术，目前无统一技术标准，计算类泄漏监测技术相对成熟。

由于管道泄漏监测技术尚处于研究阶段，现在能够参考的就是美国石油学会API 1130—2012、API 1149—2015、API 1155—1995这3个标准。从API 3个标准可以知道，管道泄漏监测系统不是简单重复生产就可以制造出来的产品，也不是一次研发完成就可以大量复制使用的软件产品。

API 1130—2012标准中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项主要性能指标[2]，下面就标准中涉及的内容进行说明。

1.1 可靠性

可靠性一般是指泄漏监测系统对于管道可能存在泄漏做出准确判断的一种能力。监测系统的可靠性一般依靠一系列参数值设定实现（如阈值、过滤特征等），通常管道运营方需要在误报警和漏报警之间进行权衡。可靠性要求系统对实际泄漏做出准确判断，不允许出现泄漏而漏报。

1.2 准确性

准确性是指预测和报警之间的一种平衡，即少产生错误报警。由于环境因素的干扰或者评判阈值的选取不当，泄漏监测系统存在一定的误报率。如果系统误报过于频繁，会让使用人员高度紧张、疲劳，久而久之就会对系统弃之不用。因此，监测系统的年误报率最好保持在个位数，能做到每年3～4次误报以内算是比较满意的结果。

1.3 灵敏性

灵敏性主要表征系统能够监测到泄漏的最小量度以及出现泄漏时报警的响应时间。

目前对于小泄漏量，特别是渗漏的监测是比较难突破的技术难题，也是工程技术人员亟待解决的问题。一般通过监测方法结合运行参数综合分析，要求在泄漏量达到3%时，能够准确报警。

海底管道，特别是输油管道发生泄漏以后，介质会对海洋环境产生破坏。因此要求响应时间尽可能短，最快时间内采取有效措施，将泄漏产生的不良后果降到最低。

1.4 稳健性

稳健性是指在数据丢失或者管道运行环境改变情况下，监测系统能够持续发挥作用并提供有用信息的能力。海底管道运行环境恶劣，监测系统一旦发生故障，维修困难、成本高，因此泄漏监测系统能够保持长期有效是一个基本要求。

2 次要性能指标

除海底管道泄漏监测主要性能指标外，一些次要性能指标亦对系统的使用具有举足轻重的作用，制约着系统的使用[3-4]。

2.1 定位精度

泄漏报警后，需要准确定位泄漏位置，海底管道短则几千米，长则几百千米，给找寻泄漏位置带来困难。若无法准确定位，则延误维修时间，造成停产时间增加，增大损失。

定位精度一般采用两种计量方法，一种为固定值，即精度不受管道长度的影响，仅与监测方法自身有关，定位精度±500 m为宜；另一种为取管道长度的百分数值计，一般取±1%。

2.2 安装维护

海底管道平管部分均位于海底，且经过后挖沟处理，掩埋在海床以下。泄漏检测系统分析处理一般安装在平台和陆地接收终端，一些传感器会沿管道安装。平台位置有限，泄漏监测装置应占地较小，同时安装较为简便，不影响正常的海底管道安装施工工期。

2.3 海洋适用性

某些泄漏监测方法在陆地管道上使用效果很好，但是应用到海底管道时却起不到作用。一方面是海洋环境和陆地差别巨大，音波类方法无法很好地解决噪声的影响；另一方面海底管道安装施工方式制约了光纤类方法的应用，施工难度高，光纤一旦发生损坏，维修费用难以接受。

2.4 作用范围

与陆地管道不同的是，海底管道中继困难，一般都是考虑在管道两端安装泄漏监测系统。据统计，目前超过100 km的海底管道有9条，占比2.68%；超过50 km的海底管道19条，占比5.65%。50 km长度以内的海底管道占到整体管道的91%以上，首要关注这类管道能够覆盖绝大部分的海底管道。监测系统有效作用范围达到50 km能够满足目前我国海底管道的最低要求。

2.5 成本费用

泄漏监测系统相对于海底管道建设本身来说，费用占比较小，但是经济性也是一项重要的考量指标。系统费用成本需综合考虑系统建设、维护的成本，相对而言，不额外增加传感器或监测硬件设备的监测方法成本较低。光纤监测类方法因为要动用船舶等资源，对施工工期也有不同程度的影响，因而费用较高。

2.6 使用便捷性

泄漏监测系统是否使用方便，或操作复杂也会给系统的推广应用带来很大的影响。软件系统尽量做到操作简单，同时不需要借助太多的硬件设备，现场人员经过简单的培训就能掌握。

此外，监测系统能够覆盖的海底管道水深范围、能够监测的介质类型等也是需要考虑的性能指标。

3 性能指标分析研究

针对上述10种性能指标进行分析讨论，每种性能指标设定5种等级，数值5表示最适合，数值1表示不适合。参考国内外学者研究成果以及海底管道运行工况，尝试给海底管道泄漏监测方法进行初步的评分分级[5-8]，见表1，为海底管道泄漏监测方法的选取和应用提供一定的参考价值和借鉴作用。

经过多年的研究和探索，目前，海底管道泄漏监测方法繁多，总体可以分为内部监测法和外部监测法两大类，下面选取序贯概率法[9]、次声波法[10]作为其中的代表进行详细描述。

序贯概率法是一种统计方法，它是在平衡监测法以及压力监测法基础上发展起来的，是目前海底管道应用最多的内部泄漏监测系统（图1）。英国ATMOS公司在这方面处于行业前列。

次声波法是依据管道发生泄漏时产生的声波信号，通过次声波传感器探测特定频率的信号，经过分析计算得到泄漏报警和定位（图1）。国外ASI公司应用此项技术，国内亦有不少企业开展此项技术的研究工作。

表1 管道泄漏监测性能指标研究

图1 海底管道泄漏监测系统现场安装

根据表1中的分析判断，将泄漏监测系统涉及到的10项指标进行打分处理，得到表2所示结果。

从表2各项性能指标的得分可以看出，在现阶段，以序贯概率法为代表的内部泄漏监测法在作用范围、成本以及海洋适用性方面具有一定优势，但是无法进行准确定位，同时误报率较高。而对于以次声波法为代表的外部泄漏监测方法，在准确性和可靠性方面有一定的长处，但是维护起来难度高，作用范围有限，成本相对高。综合比较，计算类的内部泄漏监测方法目前更适合海底管道使用。

表2 不同泄漏监测系统性能指标 /分

4 结束语

本文建立了海底管道泄漏监测系统的性能指标体系和评价方法，并详细分析了各性能评价指标的含义及评分标准。分别选取内外泄漏监测方法的典型代表进行分析研究，为海底管道泄漏监测系统综合性能指标的评判提供了一定的帮助。

参考文献：

[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]Computational Pipeline Monitoring for Liquids:API RP 1130—2007[S].

[3]Mohan G.Kulkarni,Jaime Buitrago.Offshore Pipeline leak De⁃tection System Concepts and Feasibility Study[C].Internation⁃al Society of Offshore and Polar Engineers,2012:381-388.

[4]Sulaima M F,Bukhari W M.Oil and Gas Offshore Pipeline Leak Detection System:A Feasibility[J].Applied Mechanics and Materials,2015(699)：891-896.

[5]Siebenaler Shane P.Evaluation of External Leak Detection Systems for liquid Pipelines[R].Pipeline Research Council International,2009.

[6]张 宇.输油管道泄漏检测新方法与关键技术研究[D].天津:天津大学,2009.

[7]吴家勇,李海娜,王立坤,等.管道泄漏监测系统的性能评价指标[J].油气储运,2017,36(2):209-213.

[8]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.

[9]公彦蒙,翁晓霞,白 勇,等.基于SPRT的海底管道泄漏监测系统研究[J].中国海洋平台,2016,31(3):42-49.

[10]田 野.基于次声波的输气管道泄漏监测系统[J].油气田地面工程,2017,35(10):67-70.