海上油田输油海底管线泄漏检测系统研究

杜 刚，邵海龙，王志祥，李 季，王伟杰

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

随着海上油田资源的开发，我国的海底石油天然气管道铺设里程越来越多。由于油气介质具有易燃易爆特性，一旦泄漏，不仅会引发火灾和爆炸等事故，还会对人员安全、财产、海洋环境产生极大的影响。经过相关数据统计发现，发生海底管道泄漏事故的主要原因是由于人为破坏、管道内外腐蚀、海床运动、管线悬空作用、地震或飓风等自然灾害导致。

人为破坏：近海海域海上活动频繁，尤其渤海水深20m左右，且海底管线埋设位置较浅，一般铺设在海底2m左右的海床上，渔业作业的抛锚会对海底管道产生冲击。2008年渤西天然气管道因船舶抛锚导致外输管道损伤泄漏，另外，还有近海工程施工、海上落物冲击、海洋开发等其它活动，都有可能会导致海管损伤。海床运动：由于海洋自然环境的特性，海床受地壳或者洋流影响移动。由于海底管道架设在海床上，因而海床运动会对海底油气管道产生影响。管线悬空：海底管道部分管段悬空，承受交变载荷的水流作用，从而导致管道疲劳损伤。管道腐蚀：海底管线有管内腐蚀和管外腐蚀，管内腐蚀是由于外输油气中含有氧气（O2）、硫（S）、氮（N）等杂质，与金属管道产生化学反应，如氢元素易使管线发生氢脆，导致开裂。管外腐蚀，则多由阴极保护失效导致防腐层失效。地震等自然灾害：2005年，美国墨西哥湾受到卡特里娜飓风攻击后，多条油气管道破损。

海底油气管道泄漏的原因是多方面的，为了保护海洋环境、人员安全等，对海底油气管道的泄漏点的准确定位，是海洋油气平台安全运行的必要条件。

管道泄漏有不同的技术可供选择，也有不同的分类方法，按照基于硬件与软件的检测法分为内部检测法和外部检测法两类。内部法即基于管道内部参数计算的检测方法，使用仪器来监测内部管道参数（压力、流量、温度等）作为输入，通过一定的算法从而推断出管道泄漏。外部法即基于管道外部的检测方法，例如传统的线路巡检和基于光纤传感的泄漏检测。内部检测法是通过连续监测压力、温度、流量、声速、粘度、密度或其他管道参数的状态，根据这些参数的变化量，通过特定的软件算法推断是否发生泄漏。主要的基于内部的方法有：瞬态模型法、负压波法、压力/流量的监测和分析法、次声波方法等。外部检测法是基于通过各种传感设备或电缆，对泄漏介质所造成的管道外部环境参数改变的物理检测方法。主要的外部检测法有：光纤传感技术、声波检测法、碳氢化合物蒸汽或液体感应管、红外摄像机等。

主要的管道泄漏检测方法从灵敏度、定位精度、评估能力、反应时间、有效性、误报率、适应性、可维护性、费用等9个方面对比见表1。

表1 管道泄漏检测方法性能对比表Table 1 Performance comparison of pipeline leak detection methods

海底管线是通过密闭的管道在海底连续地输送大量油（气）的管道，是海上油气田开发生产系统的主要组成部分，由钢管、保温层、配重层、加热系统、防腐系统组成的输油、气、化学药剂的管路。本文结合项目海底油水混输管线的特点，对管线泄漏检测方法进行了选择，从检测原理、优点、缺点等多方面细述了泄漏检测方法，并提出多方法融合算法，以便降低单一方法的误报警概率，增加泄漏检测的鲁棒性能。

1 泄漏检测方法研究

1.1 概述

渤海海域某平台之间海底管线里程约50 km，水深10 m，由于为稠油平台，为了保证流动性，降低压损，通过使用加热器加热至80℃，并掺水混输至另一平台处理，输送介质为油水混输，含水量50%～70%左右，海管入口操作压力为5.0 Mpa～7.0 Mpa，温度80℃，海管出口操作压力0.7 Mpa，温度40℃～60℃。结合项目介质特点，从灵敏度、检测精度、成本及方便维护等多方面考虑，结合目前较新的次声波方法、负压波方法、流量平衡方法、瞬态模型法的优缺点一一比较。

1.2 负压波方法

当输油管道发生泄漏时，其泄漏位置由于管内外压力差，导致物质从管内向管外泄漏，引起物质损失。而同时，由于惯性作用，管道内的流体并不会立即改变流速。由于压力差异，流体从上下游区域分别向泄漏点处填充，导致泄漏点相邻的区域密度和压力的降低，并在此处产生分别向上、下游传播的负压波。负压波的传播速度与管壁弹性和流体压缩性有关，负压波的传播速度一般约为1000 m/s~1200 m/s。通过在管线入口和出口分别设置压力传感器对负压波到传感器的时间进行检测，根据负压波在不同介质中的速度，以及时间差，推算出泄漏点位置。

如图1所示，在管道的入口侧和出口侧分别安装负压波压力传感器，在管线某位置泄漏后，两侧的负压波传感器分别在t1时刻和t2时刻接收到负压波信号，从而判断管道泄漏。另外，根据负压波的传播速度以及两侧负压波传感器接收到负压波信号的时间差进行泄漏的定位。

图1 负压波泄漏检测原理Fig.1 The principle of negative pressure wave leak detection

负压波定位公式如下：

式（1）中：X为泄漏点距首端测压点的距离，m；L为管道全长，m；v为管道中油品的流速，m/s；a为压力波的传播速度，m/s；Δt为上下游传感器接收到压力波的时间差，s。

由公式可以看出：负压波定位的3个关键因素：①管道中负压波速度；②负压波信号分别传到管道上下游负压波压力传感器的时间差；③统一两侧负压波压力传感器的时间基准，以保证负压波传输到两端负压波压力传感器的精确的时间差。

负压波方法利用高频压力传感器检测，成本低，检测速度快，比较准确定位泄漏位置，但是由于渐进式泄漏不会产生特定的声波，对渐进式泄漏检测能力较差，受仪表精度和时间影响非常大，压力传感器采样频率较高，需经常校准。受噪音影响，压力传感器很难精确检测到负压波突降点，时间差计算精度有待提高。而且阀门正常操作，启停外输泵也会引起负压波，造成误报警。由于负压波在天然气管道中能量迅速衰减，并且泄漏产生的压力波幅值水平与管道噪音较接近。所以，负压波方法不适用于天然气管道。

1.3 流量平衡法

流量平衡法是利用管道内流体的质量守恒原理，即管道未泄漏工况，管道内流体流入质量与流出质量必相等。通过管道入口和出口两侧的流量计实时测出管道出口与入口流量，有差值则表明管道内可能发生泄漏。但是，由于所测流量与流体的参数，如温度、压力、密度、黏度等参数以及流体的状态有关，所以流量法对温度、压力、密度、黏度等流体性质的扰动或者流体动力学变化非常敏感，易造成误检，在实际应用中还需进行修正。

流量平衡法比较直观，方法较可靠，但是智能检测有较大的泄漏，且不能判断泄漏位置。所以，流量平衡法适合作为一种辅助方法，与其它检测方法配合使用，提高检测效果。

1.4 次声波方法

次声波方法原理与负压波方法类似，油气管道的管壁一般为钢铁材质。在管道泄漏点处，流体与管壁摩擦产生震动声波，声波向管线上下游传播，而且泄漏产生的声波频率一般分布在6 kHz～80 kHz之间。其中，低于20 Hz的低频声波传播距离较远，且与工况扰动所产生的声波的信号特征不一样。通过在管道入口和出口分别安装低频声波传感器，实时采集由于管线泄漏产生的低频声波信号，依据对泄漏信号特征的分析来监测是否发生泄漏。

泄漏点定位公式为：

式（2）中：X为泄漏点与上游监测点的距离，m；vb为波的传播速度，m/s；Δt为GPS时间差，s；L为上、下游监测点的距离，m。

低频声波法管道泄漏监测系统的优点主要是传播距离远，价格适中，由于特征信号不一样，可以识别工况扰动所带来的干扰信号，克服了负压波法的缺点，能够探测到较小流量的泄漏。缺点是对小流量的泄漏和缓慢泄漏仍存在检测灵敏度和定位精度不高的问题。

1.5 瞬态模型方法

实时瞬态模型法是通过对管线流体建立流体力学瞬时模型，模拟管道内的流体的流动以及压力和温度的变化，通过采用达西公式、能量平衡、动量平衡和状态方程等，设定管道边界条件，对动态特征进行模拟，将模拟计算的压力、流量等数值与测量的数据进行比较。如果大于某一阈值，则判断有泄漏发生。

为了设计特定管道的实时瞬态模型，需要包括管道的物理参数（管长、管径、壁厚、管路构成、路由拓扑、粗糙度、外输泵、阀门、设备位置）以及流体物性（精确的体积模量、黏度、密度等）。相比于其它方法，实时瞬态模型方法能够模拟动态流体特性（流量、压力、温度），并考虑到广泛配置的管道物理特性（长度、直径、厚度等）及产品特性（密度、黏度等），有完整的流体动力学特性，可以测量泄漏的体积和位置，适用于瞬态工况，误报率较低，但是实时瞬态模型法比较依靠仪表精度。

瞬态模型方法优点是进行连续监测，对泄漏敏感性高，缺点是对仪表精确度要求较高，建立模型计算的运算量较大，运维操作都需要专业的知识和技能，对流体的黏度和密度较为敏感，泄漏位置识别的准确性不是很好。瞬态模型方法较适合于天然气管线泄漏计算，油水混输管线由于油水比值不固定，水力模型和热力模型建立较为困难。

2 融合算法

由于管道泄漏检测的复杂性，目前尚无一种方法可以适用于所有管道泄漏检测问题。结合本文所述项目海管及流体特点，从灵敏度、精确度、可靠性、稳定性、投资比等多方面评估，同时适当考虑泄漏大小，监测时间，易用性、安全性等诸多因素。结合上述因素，同时由于油水混输，瞬态模型方法的水力、热力模型的建立运算工作量较大，同时负压波法和低频声波法有较强的互补性。本文将负压波方法、次声波方法、流量平衡法3种方法进行算法融合，同时对压力变送器、次声波传感器信号发生泄漏信号进行一致性分析，以避免单一的负压波或者次声波法的算法局限性，从而提升泄漏检测系统鲁棒性及准确性。

海底管线两侧平台各设置一套数据采集设备，海管入口和出口分别设置次声波传感器、压力传感器、质量流量计。海管两侧平台的数采设备通过使用带有光口的交换机，利用海底光缆进行数据传输，且两侧平台都配置时钟同步授时装置，通过使用卫星向地面终端同时发射信号，地面终端可以同时接收到信号，对两端系统时间进行校正，受时精度高，它满足了泄漏监测系统对时间精度的要求，保证两侧传感器数据采集时间的一致性。所有数据传至泄漏监测系统上位机，进行计算分析，并对次声波方法和负压波方法得出的信息进行一致性对比，降低负压波方法的误报警概率。

系统架构图如图2。

图2 多方法融合算法泄漏检测系统架构图Fig.2 Architecture of leak detection system with multi-method fusion algorithm

此外，由于泵速、调阀等正常的工况变化同样会产生负压波，可以将原油外输泵的转速、调节阀开度等信号传至上位机，来排除工况变化所导致的误报警。

3 结论

针对油水混输海底管线，提出基于次声波方法、负压波方法、流量平衡方法多算法融合方法，通过一致性和互补性分析，提升管道泄漏检测方法的鲁棒性能，增强抗干扰能力，并提升定位精度，并可在软件算法中引入小波变换、神经网络等算法降低噪音对信号的影响，减少单一方法在扰动复杂频繁情况下误报率较高的问题。结合具体海上油气平台，设计了多算法融合海管泄漏检测系统方案，方案成本较低，适于工程应用。