戴國華 張慶所 胡 江 馬志衛(wèi)

(1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452； 2. 天津億利科能源科技發(fā)展股份有限公司 天津 300384)

海底管道光纖傳感安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

戴國華1張慶所1胡 江1馬志衛(wèi)2

(1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452； 2. 天津億利科能源科技發(fā)展股份有限公司 天津 300384)

針對(duì)傳統(tǒng)的海底管道監(jiān)測技術(shù)存在效果較差、范圍有限、對(duì)于人力依賴較大、無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線連續(xù)性監(jiān)測等問題，開發(fā)了基于光纖傳感技術(shù)的安全監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了適用于海底管道的光纜鋪設(shè)工藝，并成功應(yīng)用于渤海某油田，結(jié)果表明：該安全監(jiān)測系統(tǒng)不僅能夠?qū)５坠艿佬孤┻M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和定位，而且還可以對(duì)管道周圍的振動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，從而有效防止因第三方破壞活動(dòng)引起的管道泄漏事故的發(fā)生；該施工工藝切實(shí)可行，不僅不影響現(xiàn)有海底管道鋪設(shè)時(shí)的施工周期和光纜監(jiān)測范圍，而且后挖溝作業(yè)也不會(huì)對(duì)光纜造成影響，其中預(yù)留光纜固定、水平段光纜布設(shè)、膨脹彎段光纜固定等方法屬于國內(nèi)首次提出，填補(bǔ)了相關(guān)領(lǐng)域的空白。

海底管道；光纖傳感技術(shù)；安全監(jiān)測系統(tǒng)；泄漏監(jiān)測；振動(dòng)監(jiān)測；光纜鋪設(shè)工藝

隨著海底管道的不斷建造以及服役時(shí)間不斷增長，腐蝕和第三方破壞等對(duì)海底管道造成損傷的可能性也在不斷增大。當(dāng)對(duì)海底管道的損傷達(dá)到一定程度后，會(huì)造成油氣泄漏事故的發(fā)生，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，污染海洋環(huán)境，而且往往會(huì)造成重大的社會(huì)影響。目前對(duì)海底管道數(shù)字化、實(shí)時(shí)連續(xù)、高效安全監(jiān)測的需求不斷加大，對(duì)于監(jiān)測手段也有了更高的要求，包括監(jiān)測效果、監(jiān)測范圍、監(jiān)測過程的安全性、監(jiān)測設(shè)備對(duì)于環(huán)境的耐受性和使用壽命等。傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)存在效果較差、范圍有限、對(duì)于人力依賴較大、無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線連續(xù)性監(jiān)測等問題，難以真正實(shí)現(xiàn)海底管道對(duì)高效安全監(jiān)測的要求。為解決這些問題，筆者開發(fā)了基于光纖傳感技術(shù)的安全監(jiān)測系統(tǒng)，提出了適用于海底管道的施工工藝，并成功地得到了應(yīng)用，填補(bǔ)了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的空白，實(shí)現(xiàn)了海底管道全面安全監(jiān)測，為海上油氣田的安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)提供了有力保障。

1 海底管道光纖傳感安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 管道泄漏監(jiān)測原理

光纖傳感技術(shù)是一種利用光信號(hào)感知和監(jiān)測外界信息的新型傳感技術(shù)，具有性能穩(wěn)定、抗腐蝕性和抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳感傳輸信息一體化等優(yōu)點(diǎn)，因此，利用該技術(shù)進(jìn)行海底管道監(jiān)測能夠在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)全光無電在線監(jiān)測，可充分滿足現(xiàn)場惡劣環(huán)境下的應(yīng)用和防火、防爆要求，并且可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和多路傳輸綜合光數(shù)據(jù)，在油氣生產(chǎn)過程中具有很大的優(yōu)越性，可以滿足當(dāng)前油氣監(jiān)測的要求。

不同于準(zhǔn)分布式的光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)[1-3]，海底管道光纖傳感安全監(jiān)測系統(tǒng)為全分布式，采用光纖作為傳感器，當(dāng)激光在光纖中發(fā)生散射時(shí)，通過對(duì)比與溫度變化有關(guān)的反斯托克斯波和與溫度變化無關(guān)的斯托克斯波，即可獲得溫度值，通過反射光的傳播時(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[4-6]。激光散射用于管道泄漏監(jiān)測原理如圖1所示。當(dāng)原油管道發(fā)生泄漏后，高溫高壓液體向外泄漏，導(dǎo)致泄漏點(diǎn)附近溫度升高，通過伴隨管道的光纜測量泄漏時(shí)的溫度變化來識(shí)別泄漏的發(fā)生并定位[7]。

1.2 管道振動(dòng)監(jiān)測原理

光時(shí)域反射技術(shù)的基本原理是，光源發(fā)出的光在沿光纖向前傳播的過程中產(chǎn)生背向瑞利散射，背向瑞利散射光強(qiáng)度在向后傳播過程中隨著距離增長而按一定規(guī)律衰減，在光速不變的情況下距離與時(shí)間成正比，根據(jù)探測器探測到的背向散射光強(qiáng)及其到達(dá)探測器的時(shí)間，就可以知道沿光纖路徑上任一點(diǎn)的初始背向散射光強(qiáng)度[8-9]。

圖1 管道泄漏監(jiān)測原理

光纖被外界物理場擾動(dòng)后，擾動(dòng)處的背向散射光強(qiáng)度降低，因此利用光時(shí)域反射技術(shù)，通過對(duì)比擾動(dòng)處背向散射光強(qiáng)度與初始背向散射光強(qiáng)度即可對(duì)外界物理場的擾動(dòng)位置進(jìn)行定位；同時(shí)，由于外界物理場擾動(dòng)越大，擾動(dòng)處的背向散射光強(qiáng)度越弱，因此可以通過測量初始背向散射光強(qiáng)度的改變量來反映外界物理場擾動(dòng)的大小。這樣既實(shí)現(xiàn)了對(duì)外界物理場的擾動(dòng)位置進(jìn)行定位，又確定了外界物理場擾動(dòng)的大小。

海底管道振動(dòng)監(jiān)測正是基于以上原理，通過測量綁縛在海底管道上光纜的瑞利散射光強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)對(duì)第三方破壞活動(dòng)監(jiān)測和定位。由于管道和綁縛在管道上的光纜已埋入海底，當(dāng)海底管道周圍存在第三方破壞活動(dòng)時(shí)(如船舶拋錨等)，主要通過2種途徑來影響光纜的瑞利散射光強(qiáng)度：①第三方破壞活動(dòng)直接通過海床將振動(dòng)傳至光纜處；②第三方破壞活動(dòng)首先通過海床將振動(dòng)傳至海管處，海管再將振動(dòng)傳至光纜處。不管光纜處的振動(dòng)來自哪種途徑，只要光纜某處的瑞利散射光強(qiáng)度發(fā)生變化，即可確定該位置附近存在振動(dòng)，同時(shí)外界振動(dòng)越大，瑞利散射光強(qiáng)度越弱。因此，通過監(jiān)測光纜的瑞利散射光強(qiáng)度即可實(shí)現(xiàn)對(duì)第三方破壞活動(dòng)的監(jiān)測，從而有效地防止因第三方破壞引起的管道泄漏事故的發(fā)生。管道振動(dòng)監(jiān)測原理如圖2所示。

圖2 管道振動(dòng)監(jiān)測原理

1.3 海底管道光纖傳感安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

本文設(shè)計(jì)的海底管道光纖傳感安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖3，該系統(tǒng)包括海底管道泄漏監(jiān)測和海底管道振動(dòng)監(jiān)測，主要由監(jiān)測主機(jī)、傳感光纜、監(jiān)測軟件和顯示器構(gòu)成。

1) 傳感光纜為伴隨海底管道鋪設(shè)的光纜，采用鎧裝結(jié)構(gòu)，具有較好的力學(xué)和熱傳導(dǎo)性能。該光纜響應(yīng)快、衰減小，可以提高系統(tǒng)的測量精度和測量范圍，主要負(fù)責(zé)信號(hào)采集和信號(hào)傳輸。

2) 監(jiān)測主機(jī)主要包括激光器、耦合器、濾波器、光電探測器、信號(hào)放大電路等，其中激光器的作用是給光纜提供光源，利用耦合器和濾波器給光纜輸入特定的激光。當(dāng)激光進(jìn)入光纜后，會(huì)發(fā)生拉曼散射和瑞利散射，再通過濾波器分別將反射回來的拉曼散射和瑞利散射信號(hào)提取出來，利用光電探測器將反射回來的拉曼散射和瑞利散射信號(hào)以及參考信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最后信號(hào)放大電路將上述電信號(hào)放大，便于后期監(jiān)測軟件處理。監(jiān)測主機(jī)具有多通道光電轉(zhuǎn)換功能,插損小、易擴(kuò)展，同時(shí)提供各種報(bào)警指示燈，方便了解運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 海底管道光纖傳感安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3) 監(jiān)測軟件負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測主機(jī)輸出的電信號(hào)進(jìn)行處理，提供監(jiān)測現(xiàn)場線路全程分區(qū)圖及其溫度、振動(dòng)分布曲線，有利于報(bào)警及時(shí)定位。其中，溫度監(jiān)測軟件通過處理拉曼散射信號(hào)得到溫度值和對(duì)應(yīng)的位置，振動(dòng)監(jiān)測軟件通過處理瑞利散射信號(hào)得到振動(dòng)大小和振動(dòng)位置。該監(jiān)測軟件至少有128個(gè)分區(qū)，各分區(qū)可獨(dú)立報(bào)警，方便定位；采用全中文友好界面，操作便捷，易于升級(jí)。

4) 顯示器采用高清液晶顯示器，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測結(jié)果及監(jiān)測曲線顯示。

經(jīng)分析，本文設(shè)計(jì)的海底管道光纖傳感安全監(jiān)測系統(tǒng)的測溫精度為1°，測溫分辨率為0.1°，測溫定位精度在±1 m以內(nèi)，振動(dòng)定位精度在±5 m以內(nèi)。該監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測管道泄漏情況和管道周圍振動(dòng)情況，可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)和泄漏位置，同時(shí)還可以避免因第三方破壞活動(dòng)引起的管道泄漏事故的發(fā)生，從而為海上油氣田安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)提供了有力保障。

2 光纜鋪設(shè)工藝設(shè)計(jì)

在光纜鋪設(shè)時(shí)，如果采用預(yù)制管法，即在陸地制作海管時(shí)在海管的保溫層或配重層預(yù)制一個(gè)內(nèi)徑大于光纜外徑的鋼管，然后再在海上鋪設(shè)時(shí)將光纜穿入到預(yù)制管中。該方法不僅影響海管在陸地的制作工藝，增加了海管在陸地的制作時(shí)間，而且在海上安裝光纜時(shí)需要將光纜分段穿入預(yù)制管中。如果每段光纜太長，就會(huì)影響穿入效率；如果每段光纜太短，又增加了光纜熔接次數(shù)。因此，不管分段光纜長短，都會(huì)影響正常海管鋪設(shè)，大大降低了海管鋪設(shè)效率。同時(shí)，該方法在水平段和膨脹彎對(duì)接處的光纜熔接具有較大難度，不宜采用。分析認(rèn)為，海底管道安全監(jiān)測光纜的鋪設(shè)方法需要考慮諸多因素，一方面不僅要滿足監(jiān)測要求，另一方面還要考慮預(yù)留光纜固定方法、水平段光纜布設(shè)工藝、膨脹彎段光纜固定方法、挖溝作業(yè)對(duì)光纜的影響、光纜牽拉登平臺(tái)方法等，同時(shí)還要考慮施工效率，不影響現(xiàn)有海底管道鋪設(shè)周期[10-11]。

本文以渤海A油田鋪管船作業(yè)線為例對(duì)所設(shè)計(jì)的光纜鋪設(shè)工藝進(jìn)行介紹。該油田管道長5.6 km，管道類型是帶水泥配重層的鋼套鋼雙層保溫管。鋪管船作業(yè)線是指鋪管過程中對(duì)待鋪設(shè)海管在鋪管船上進(jìn)行相應(yīng)作業(yè)的1條線路，該條作業(yè)線從船首方向到船尾方向一般分為若干個(gè)工作站，有的工作站沒有工作內(nèi)容，作業(yè)線的最后2～3站通常為防腐保溫站。待鋪設(shè)海管是從第1站依次經(jīng)過作業(yè)線的每1站，并在各個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)工作，當(dāng)待鋪設(shè)海管最后1站的工作內(nèi)容完成后，海管通過船尾方向的托管架進(jìn)入到海底。渤海A油田鋪管船總共分為11站，其中第9站和第10站為防腐保溫站，第11站(最后一站)沒有工作內(nèi)容，如圖4所示。根據(jù)海底管道鋪設(shè)程序，該油田海管光纜鋪設(shè)工藝具體實(shí)施分為4個(gè)階段：水平段光纜鋪設(shè)、膨脹彎段光纜鋪設(shè)、光纜登平臺(tái)、平臺(tái)上部走線。

圖4 渤海A油田鋪管船作業(yè)線布局

2.1 水平段光纜鋪設(shè)

2.1.1 起始端預(yù)留光纜固定

在起始端海管下水前，將預(yù)留光纜沿8字綁縛在海底管道12點(diǎn)鐘方向，同時(shí)為了方便光纜登平臺(tái)，在光纜端部穿入浮球，如圖5所示。

圖5 渤海A油田海底管道鋪設(shè)起始端預(yù)留光纜綁縛

2.1.2 水平段正常鋪設(shè)

1) 為了不影響管道防腐保溫工作，從第11站到第10站的光纜提前綁縛，待第10站發(fā)泡外殼安裝后，再對(duì)第10站的光纜綁縛，如圖6所示。

2) 正常鋪設(shè)的光纜綁縛采用鋼卡帶和橡膠墊塊組合的形式，其中橡膠墊塊用于增加光纜與海管之間的摩擦力，如圖7所示。

圖6 渤海A油田海底管道第10站光纜綁縛

圖7 渤海A油田海底管道正常鋪設(shè)光纜綁縛

3) 每根管道綁縛完成后，移船走管，通過管道自然牽引光纜放出到布設(shè)位置，重復(fù)第一步的工作直至水平段全部完成。

4) 光纜鋪設(shè)過程中，在光纜測試區(qū)將光纜終端插頭連接到光時(shí)域反射儀上，點(diǎn)擊測試按鈕測試光纜的總長和衰減情況。

2.2 膨脹彎段光纜鋪設(shè)

1) 在膨脹彎下水安裝前，在船上將帶外掛耳的柔性綁帶預(yù)制在膨脹彎上，間隔為3 m，彎頭處加綁一條，如圖8所示。

圖8 帶外掛耳的柔性綁帶預(yù)制渤海A油田海底管道

2) 潛水員下水將起始端預(yù)留光纜通過退扭輪牽拉至船甲板上。

3) 全部預(yù)留光纜都牽拉至船甲板上后，船上人員慢慢將預(yù)留光纜送入水中，保證水下光纜松弛，潛水員下水將部分預(yù)留光纜綁在膨脹彎上，剩余部分預(yù)留光纜用于登平臺(tái)。

2.3 光纜登平臺(tái)

1) 光纜登平臺(tái)前，將平臺(tái)下層甲板的海纜護(hù)管開槽，用于焊接光纜錨固件，如圖9所示。海纜護(hù)管是為海纜登平臺(tái)服務(wù)的，其主要作用是保護(hù)登平臺(tái)段海纜，并對(duì)海纜進(jìn)行錨固，它是平臺(tái)結(jié)構(gòu)的一部分。

2) 將帶有鋼球的繩索從下層甲板海纜護(hù)管口放至海纜護(hù)管喇叭口位置，繩索端部與船上絞車相連，如圖10所示。

圖9 渤海A油田海底管道鋪設(shè)時(shí)護(hù)管開槽

圖10 渤海A油田海底管道海纜護(hù)管示意圖

3) 潛水員下水將帶有拖纜網(wǎng)套的光纜連接到喇叭口位置的繩索上。

4) 通過船上絞車將光纜沿海纜護(hù)管牽拉上平臺(tái)，同時(shí)潛水員在喇叭口位置觀察水下光纜牽拉情況，并對(duì)光纜進(jìn)行臨時(shí)固定。

5) 光纜登平臺(tái)后，在海纜護(hù)管位置處將光纜錨固，如圖11所示。

2.4 平臺(tái)上部走線

1) 在光纜登平臺(tái)位置焊一接線箱，用于光纜熔接保護(hù)，如圖12所示。

2) 沿平臺(tái)走線橋架，將光纜從接線箱位置布設(shè)至中控室，如圖13所示。

圖11 渤海A油田海底管道光纜錨固

圖12 渤海A油田海底管道光纜接線箱

圖13 渤海A油田海底管道光纜平臺(tái)橋架走線

現(xiàn)場施工效果表明，本文設(shè)計(jì)的光纜鋪設(shè)工藝不僅不影響現(xiàn)有海底管道鋪設(shè)周期和光纜監(jiān)測范圍，而且后挖溝作業(yè)也不會(huì)對(duì)光纜造成影響，其中預(yù)留光纜固定、水平段光纜布設(shè)、膨脹彎段光纜固定、光纜牽拉登平臺(tái)等方法屬于國內(nèi)首次提出，填補(bǔ)了相關(guān)領(lǐng)域的空白。

3 現(xiàn)場測試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證光纖傳感安全監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，在渤海A油田進(jìn)行了現(xiàn)場測試實(shí)驗(yàn)，包括測溫實(shí)驗(yàn)和測振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

測溫實(shí)驗(yàn)是將局部光纜放入熱水中，觀察光纜溫度升高后的監(jiān)測結(jié)果，如圖14所示(為了觀察方便，圖中只顯示了前500 m光纜的測溫結(jié)果)。從圖14可以看出，對(duì)光纜加熱后，圓圈所示位置明顯出現(xiàn)一峰值，此處正是光纜加熱的位置，因此光纜溫度監(jiān)測效果明顯。另外，由于前200多米光纜在海面以上，其余光纜在海面以下，從圖14還可以看出，海面以上光纜的溫度明顯高于海面以下光纜的溫度，這是因?yàn)樵摐y溫實(shí)驗(yàn)是在夏天進(jìn)行的，也與實(shí)際相符。

圖14 海底管道安全監(jiān)測系統(tǒng)光纜加熱后測溫結(jié)果

測振動(dòng)實(shí)驗(yàn)是人為給光纜一振動(dòng)激勵(lì)，從監(jiān)測主機(jī)上觀察振動(dòng)情況，如圖15所示。由圖15可以看出，當(dāng)人員用腳踩光纜附件的地板時(shí)，該處光纜的振動(dòng)幅值明顯升高。

圖15 海底管道安全監(jiān)測系統(tǒng)光纜振動(dòng)測試結(jié)果

由測溫實(shí)驗(yàn)和測振動(dòng)實(shí)驗(yàn)可知，該監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)５坠艿赖臏囟群驼駝?dòng)進(jìn)行有效監(jiān)測。目前該油田安裝光線傳感安全檢測系統(tǒng)的海底管道處于正常運(yùn)行狀態(tài)，因管道沒有發(fā)生泄漏或第三方破壞活動(dòng)，其監(jiān)測結(jié)果為正常狀態(tài)曲線。

4 結(jié)論

本文開發(fā)設(shè)計(jì)的海底管道光纖傳感安全監(jiān)測系統(tǒng)已成功應(yīng)用于渤海A油田，它能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測海底管道運(yùn)行情況，可以第一時(shí)間判斷泄漏位置和第三方破壞活動(dòng)，為海洋油氣田安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)提供了有力保障?，F(xiàn)場實(shí)施表明，本文設(shè)計(jì)的適用于海底管道的光纜鋪設(shè)工藝不僅不影響現(xiàn)有海底管道鋪設(shè)時(shí)的施工周期和光纜監(jiān)測范圍，而且后挖溝作業(yè)也不會(huì)對(duì)光纜造成影響，其中預(yù)留光纜固定、水平段光纜布設(shè)、膨脹彎段光纜固定、光纜牽拉登平臺(tái)等方法均屬于國內(nèi)首次提出，填補(bǔ)了相關(guān)領(lǐng)域的空白。

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(編輯：葉秋敏)

Design and application of optical fiber safety sensing and monitoring systems for submarine pipelines

Dai Guohua1Zhang Qingsuo1Hu Jiang1Ma Zhiwei2

(1.TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300452,China;2.TianjinE-TechEnergyTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.,Tianjin300384,China)

Traditional monitoring technology for submarine pipelines has the problems of poor performance, limited range, and low automation, which make continuous monitoring impossible. Aiming at the problems, we developed a safety monitoring system based on optical fiber sensing technology, designed fiber laying technology for submarine pipelines, and successfully applied them in an oilfield in Bohai sea. The results show that the monitoring system can not only monitor and position subsea pipeline leakages, but also monitor vibrations around the pipeline, so as to effectively prevent the accidental occurrence of pipeline leakages caused by third party damage. The construction technology is feasible, and does not affect the construction period of submarine pipelines or the monitoring range; moreover, the trenching work will not affect the cable. The methods for fixing the standby cable, laying the cable in horizontal sections, and bending the expanding section are proposed for the first time in China, which have filled the gaps in the relevant disciplinary domains.

submarine pipeline; optical fiber sensing; safety monitoring system; monitoring of leakage; monitoring of vibration; construction technology for optic fiber cable

戴國華，男，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要負(fù)責(zé)渤海油田區(qū)域范圍內(nèi)由工程建設(shè)中心負(fù)責(zé)實(shí)施的開發(fā)工程項(xiàng)目、大型資本化項(xiàng)目、應(yīng)急搶修項(xiàng)目、平臺(tái)棄置項(xiàng)目等各專業(yè)技術(shù)管理以及新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用管理等工作。地址：天津市塘沽區(qū)閘北路濱海新村濱海寫字樓北樓207房間(郵編：300452)。E-mail:daigh@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)03-0137-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.03.022

TE973.6

A

2015-11-19 改回日期：2016-02-04

戴國華,張慶所,胡江，等.海底管道光纖傳感安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中國海上油氣，2016,28(3)：137-143.

Dai Guohua,Zhang Qingsuo,Hu Jiang,et al.Design and application of optical fiber safety sensing and monitoring systems for submarine pipelines[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(3):137-143.