李再春

摘 要：外輸漂浮軟管是海上油氣生產(chǎn)的重要設(shè)施，目前在海上周期性服役期間，尚無可靠的實時監(jiān)測方案和技術(shù)，因此存在相當?shù)氖эL險。本文結(jié)合大量實際案例與實踐分析，討論了光纖分布式監(jiān)測技術(shù)在管道泄漏監(jiān)測應(yīng)用的不同角度，從溫度、振動、聲波分別論證了在外輸漂浮軟管應(yīng)用的可行性。光纖技術(shù)與軟管的結(jié)合有多種方式可以嘗試。

關(guān)鍵詞：光纖分布式傳感;外輸漂浮軟管;安全監(jiān)測;應(yīng)用可行性

0 引言

隨著近十幾年海洋油氣生產(chǎn)的不斷發(fā)展，海洋油氣設(shè)施建設(shè)也隨之進入了高峰，而外輸漂浮軟管作為FPSO上常見的外輸設(shè)施，其關(guān)鍵程度是不言而喻的。而海上外輸作業(yè)工作量大、時間長，因此對于外輸漂浮軟管的狀態(tài)監(jiān)測一直以來是該領(lǐng)域工作的難點。隨著技術(shù)的發(fā)展，對于監(jiān)測技術(shù)尤其是在線自動監(jiān)測技術(shù)的需求日益明確，在此背景下，探索新型傳感技術(shù)在外輸漂浮軟管安全監(jiān)測中的應(yīng)用趨勢，是該領(lǐng)域工作者的研究方向之一。

1 外輸漂浮軟管概述及特點

外輸漂浮軟管主要承擔FPSO原油的外輸任務(wù)，整串完整的漂浮軟管其結(jié)構(gòu)一般由首管、主管、尾管以及弦管組成。目前所用的輸油漂浮軟管均為復(fù)合多層結(jié)構(gòu)，分別為內(nèi)膠層、鋼制骨架層、中膠層、漂浮層、外膠層。作為海上油氣田開采外輸?shù)年P(guān)鍵組成部分，外輸漂浮軟管已成為不可缺少的配套設(shè)備。海上漂浮外輸軟管所輸送的介質(zhì)多為處理過的原油或液態(tài)石油產(chǎn)品，其內(nèi)層為橡膠層，幾乎不存在因為腐蝕導致的內(nèi)部失效風險。

外輸漂浮軟管的失效風險主要源自在頻繁的外輸作業(yè)過程中，外輸軟管與船體本身接觸導致的失效，包括拖輪、FPSO的甲板，提油輪船舷在操作中的摩擦、剮蹭導致外膠層破損甚至整體管失效破損，小型漁船非法作業(yè)是直接碰撞導致管線受損。

目前國內(nèi)外越來越多的廠家為外輸漂浮軟管增加了雙層結(jié)構(gòu)管體，主要原理是一旦內(nèi)層管體破裂后，法蘭處有警示標識物，并且外層管體還可以保證其低壓運行一段時間，提高了外輸軟管的安全等級[1]。但是諸如長期漂浮式的軟管，如何去甄別法蘭處壓力警示，可操作性不大。隨著技術(shù)的不斷進步，外輸軟管領(lǐng)域也需要積極探索在線監(jiān)測智能化監(jiān)測的可行性。

2 光纖傳感技術(shù)在石化領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

光纖傳感技術(shù)憑借其監(jiān)測精度高、監(jiān)測可靠性高、不受電磁信號干擾、壽命長、監(jiān)測周期無需校準的特點，在航空、航天、高鐵、電力、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等諸多領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用。而光纖傳感器使用光信號進行監(jiān)測的優(yōu)勢，使得其傳感器具有本安特點，加上其壽命長、腐蝕耐受性好等特點，使其在石油石化領(lǐng)域備受青睞。

根據(jù)光學傳感器件的不同，光纖傳感技術(shù)可以基本分成點式監(jiān)測和分布式監(jiān)測兩個主要方向。點式傳感器多使用光柵式，即通過蝕刻將光纖纖芯按照一定間隔刻成隔柵，光信號在光纖內(nèi)部傳播時，只有特定波長的光可以通過柵區(qū)，而柵區(qū)對溫度、應(yīng)力等敏感，在外界環(huán)境變化時其柵區(qū)會發(fā)生相應(yīng)變化，光信號的波長也會發(fā)生相應(yīng)的變化，可以建立起對應(yīng)關(guān)系，從而實現(xiàn)對溫度、應(yīng)變、位移、壓力、應(yīng)力等物理量的測量。分布式監(jiān)測是利用光纖本身作為傳感器，光信號在光纖中傳播的過程中，會產(chǎn)生微弱的后向散射的光信號，以光信號的中心波長為中心分別在兩側(cè)對應(yīng)出現(xiàn)布里淵、拉曼、瑞利等信號，根據(jù)這些信號不同的響應(yīng)特征，通過相位、頻率、強度甚至偏振等分析，實現(xiàn)了沿光纖本身分布式對溫度變化、應(yīng)力、振動、聲音的監(jiān)測。

上述兩種不同類型光纖傳感技術(shù)各有特色，其在應(yīng)用上也各有側(cè)重，點式測量多用于重點位置、關(guān)鍵設(shè)備，分布式監(jiān)測由于其線性監(jiān)測的特點，越來越多的被應(yīng)用于隧道、管廊、鐵路、電力電纜以及油氣輸送管線。進入21世紀以來，逐漸將光纖伴管鋪設(shè)，一方面利用光纜進行通信，另一方面運用其中部分幾路光纖進行管道在線監(jiān)測。最初僅是運用拉曼原理進行溫度監(jiān)測，實現(xiàn)對于原油泄漏的監(jiān)測。隨著對布里淵信號和瑞利信號的解析能力不斷增強，越來越多的管線開展振動監(jiān)測及周界安防監(jiān)測，監(jiān)測覆蓋更加全面。

對于海上油田而言，使用光纖監(jiān)測已達到了國內(nèi)同行業(yè)先進水平，其中包括導管架關(guān)鍵節(jié)點監(jiān)測分析導管架設(shè)施在臺風過程中所積累的疲勞荷載等關(guān)鍵信息;變控電柜溫度在線監(jiān)測為電力組網(wǎng)安全提供了有力保障;海管上安裝了基于溫度和振動兩種模式識別的海管泄漏監(jiān)測系統(tǒng)為管道安全運行提供保障。

3 光纖傳感技術(shù)在海上油氣漂浮輸油軟管安全監(jiān)測應(yīng)用展望

無論是氣體介質(zhì)還是液體介質(zhì)，其泄漏現(xiàn)象與其泄漏過程之間具備極強的相關(guān)性。管道在輸送高壓流體時如果出現(xiàn)破裂或微孔，由于管道內(nèi)外巨大的壓力差，流體介質(zhì)必然會在漏孔內(nèi)產(chǎn)生高速流動。當流體介質(zhì)高速通過狹小的孔隙時，會出現(xiàn)擴張、減速、碰撞以及振動等現(xiàn)象，從而產(chǎn)生雷諾應(yīng)力或者剪切力形成湍流，流體快速膨脹并出現(xiàn)紊流現(xiàn)象[2]。該現(xiàn)象使得泄漏時會伴隨聲音、振動等特征信號。此外，由于內(nèi)部介質(zhì)泄漏所導致的外部溫度場的變化也是顯而易見的。

綜合以上結(jié)論，我們可以推測，只要驗證光纖分布式監(jiān)測技術(shù)對于溫度場、聲場或者振動其中一項或幾項的可行性，那么光纖技術(shù)在外輸漂浮軟管安全監(jiān)測上的應(yīng)用將具有極強的可行性。

通過大量的實際案例可以看到，分布式光纖傳感技術(shù)對線性目標監(jiān)測效果極佳[3]，對于油田而言，無論是陸地輸油管線亦或者是海底管線均有大量的應(yīng)用先例。針對光纖分布式監(jiān)測所涉及到的后向散射信號，主要包含了對聲音信號敏感的瑞利信號、對溫度敏感的拉曼信號以及對溫度和應(yīng)力場雙向敏感的布里淵信號。

以拉曼散射現(xiàn)象為例，逆斯托克斯信號與斯托克斯信號強度比滿足公式：

其中，v是激光頻率，vj是振動頻率，h是普朗克常量，K是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度。由此易得出，二者的比值是溫度值，因此光纖分布式傳感器監(jiān)測到由于泄漏導致的溫度場變化是可行的。類似，瑞利信號對聲音信號的診斷和定位以及布里淵信號對振動事件的診斷和定位，已經(jīng)經(jīng)過了充分的理論證明和大量的工程實踐的考驗。

4 應(yīng)用挑戰(zhàn)

光纖對于漂浮輸油軟管安全監(jiān)測從理論角度而言，具備充分的可行性，但是進入工程應(yīng)用階段之前，尚需大量工作開展。筆者試從幾個角度出發(fā)討論：

4.1 噪聲問題

溫度場的變化由于收到海水浪流作用，泄露介質(zhì)的溫度場極容易擴散，在微量泄漏的時期，其溫度場不穩(wěn)定，因此會導致較大信號噪聲;對于聲音信號，優(yōu)點是其監(jiān)測距離較短，一般只需要200～300m距離即可實現(xiàn)對外輸漂浮軟管的監(jiān)測，因此光纖本身的噪聲信號較小，但是在海水漂浮中，受潮汐力作用，是否會引入新的背景噪音還不可知。

4.2 安裝工藝問題

安裝工藝一貫是光纖監(jiān)測類項目的關(guān)鍵點，以中海油實施的成功案例舉例，都涉及到大量的工程化轉(zhuǎn)化的研究工作，大到定制特殊光纜、小到設(shè)計專用插接頭。對于漂浮軟管而言，其本身就具有多層結(jié)構(gòu)，尤其是內(nèi)外層承壓的雙層結(jié)構(gòu)，因此，光纖可以從尋求辦法從雙層結(jié)構(gòu)之間穿越布設(shè)，在法蘭頭進行連接保護。該種方案安裝過程需要涉及到吹纖工藝，即從狹小空間內(nèi)將光纖通過高壓氣吹至對面。除了直接安裝的形式之外，還可以考慮利用漂浮軟管纏繞式生產(chǎn)的工藝，將光纖與尼龍水膠布或者外膠層一起纏繞，普通光纖耐溫可做到200攝氏度乃至更高，足以滿足硫化要求。

除了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，光纖監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用到外輸漂浮軟管泄漏監(jiān)測上還有大量的實踐工作需要開展，但是從監(jiān)測可行性以及監(jiān)測必要性而言，使用光纖技術(shù)開展類似研究將具有極大的實際意義。

參考文獻：

[1]王平，吳平，王維相.國內(nèi)外近海停泊以及海上輸油膠管的應(yīng)用與發(fā)展概況[J].中國橡膠，2012，028（001）：41-45.

[2]畢琨.高壓管道泄漏的CFD仿真分析與試驗研究[D].北京：華北電力大學，2017.

[3]鄒建.分布式光纖溫度測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學，2005.