羅 松 莊 瑞 張恩勇 朱春麗 曲 杰
(1. 中船重工(昆明)靈湖科技發(fā)展有限公司 云南昆明 650051; 2. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028;3. 中海石油技術(shù)檢測有限公司 天津 300450)
水下管匯、管道、閥門、連接設(shè)備、跨接管等水下結(jié)構(gòu)在長期服役過程中會面臨外部損傷、電化學(xué)腐蝕及內(nèi)部腐蝕等風(fēng)險(xiǎn)因素。隨著運(yùn)行時(shí)間增加,以上因素必然會導(dǎo)致水下結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)增加,須定期或長期在線對水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理微滲漏、慢泄漏等故障隱患,保障水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
本文針對油氣生產(chǎn)系統(tǒng)水下結(jié)構(gòu)在海床集中安裝及智能化管理的新要求,以及水下結(jié)構(gòu)對油氣微滲漏和慢泄漏檢測裝備的市場需求,對現(xiàn)有常用的(主要是管道方面)泄漏檢測技術(shù)機(jī)理進(jìn)行了分析,并對相關(guān)技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。在此基礎(chǔ)上,針對水下結(jié)構(gòu)油氣泄漏檢測新需求和應(yīng)用環(huán)境,以及水下結(jié)構(gòu)泄漏檢測裝備可靠性差及維修難、遠(yuǎn)程供電難、擴(kuò)展能力弱和水下安裝施工難等問題,提出了水下結(jié)構(gòu)油氣檢測多技術(shù)融合應(yīng)用設(shè)想,對今后水下結(jié)構(gòu)油氣泄漏檢測技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展具有一定的參考價(jià)值。
國內(nèi)外對水下結(jié)構(gòu)油氣泄漏檢測方法的實(shí)際應(yīng)用較少見諸報(bào)道,而技術(shù)相近的陸上管道油氣泄漏檢測方法較多,因此本節(jié)主要就管道泄漏檢測方法進(jìn)行總結(jié)和分析。
利用管道內(nèi)、外部參數(shù)或其他特征的變化對管道的運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測,是目前管道油氣泄漏檢測技術(shù)應(yīng)用的主要方式[1-2],目前對管道泄漏進(jìn)行檢測和預(yù)報(bào)的主要技術(shù)方法見圖1。
圖1 管道油氣泄漏檢測的主要技術(shù)方法Fig .1 Main technical methods for oil and gas leakage detection of pipeline
1) 基于瞬變壓力信號的檢測方法。
該方法利用管道兩端檢測到的壓力變化進(jìn)行泄漏檢測和定位,根據(jù)管道內(nèi)部壓力分布和變化特征不同,又可細(xì)分為壓力點(diǎn)分析法、負(fù)壓波法、管內(nèi)聲波法和激勵(lì)響應(yīng)法。
1988年,F(xiàn)armer提出壓力點(diǎn)分析法[3-4],該方法根據(jù)管道上某點(diǎn)壓力是否偏離正常值來判斷是否發(fā)生了泄漏,響應(yīng)速度較快,但只能進(jìn)行泄漏檢測,無法精確定位,受管道工況影響敏感。負(fù)壓波法[5-7]利用壓力波傳遞到管道兩點(diǎn)的時(shí)間差進(jìn)行泄漏定位,由于早期流量計(jì)使用不多,負(fù)壓波法是早期泄漏檢測的主流方法。該方法易受管道工況等因素影響,檢測能力較差。管內(nèi)聲波法[8-10]是在管道內(nèi)發(fā)射已知形式的聲信號,聲信號的傳播會發(fā)生衰減,管道發(fā)生泄漏后也會導(dǎo)致聲信號發(fā)生畸變,通過檢測畸變信號的特征實(shí)現(xiàn)泄漏檢測和定位。針對管內(nèi)聲波法,國內(nèi)外已推出有關(guān)裝備,并已得到了不斷應(yīng)用和改進(jìn)[11-15]。激勵(lì)響應(yīng)法[16]需要在管道上持續(xù)施加特征明確的連續(xù)激勵(lì)信號,在某固定位置實(shí)施檢測,分析持續(xù)信號特征的變化,并與激勵(lì)信號的變化特征進(jìn)行比較,從時(shí)域和頻域來辨別管道結(jié)構(gòu)泄漏并定位。該方法將持續(xù)信號作用于管道上,易受管道工況和環(huán)境介質(zhì)等因素的干擾[17-19]。
2) 基于流量平衡的檢測方法。
根據(jù)管道流量檢測處理方式的不同,基于流量平衡的檢測方法可分為流量差值法和統(tǒng)計(jì)泄漏監(jiān)測法。不同位置的流量差是表征管道泄漏最明顯的標(biāo)志。流量差值法[20-21]直接根據(jù)管道2個(gè)檢測點(diǎn)流量的情況來判斷管道是否發(fā)生泄漏以及泄漏的嚴(yán)重情況,并可對泄漏進(jìn)行粗略定位。該方法具有較高的可靠性,是早期管道泄漏檢測技術(shù)中普遍研究和應(yīng)用的主要方向,目前國內(nèi)外均已有大量的研究成果[22-24]。統(tǒng)計(jì)泄漏監(jiān)測法利用統(tǒng)計(jì)的方法,涉及有序列概率比檢驗(yàn)[25]、Kullback信息度法[26]和貝葉斯法[27]等,主要根據(jù)管道流量和壓力等信息,連續(xù)計(jì)算它們之間的關(guān)系變化,當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí),預(yù)測曲線就會發(fā)生畸變,可以粗略定位泄漏位置。
3) 基于模型的檢測方法。
基于模型的檢測方法包括辨識模型法、穩(wěn)態(tài)模型法、瞬態(tài)模型法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法。辨識模型法[28]利用過程測量的信息,在某種準(zhǔn)則指導(dǎo)下,估計(jì)出模型的未知參數(shù),可以確定一定工況下管道參數(shù)之間的數(shù)值關(guān)系,計(jì)算速度較快,但工況有變化時(shí),不能適應(yīng)工況變化進(jìn)行檢測。穩(wěn)態(tài)模型法[29]通過建立管道壓力和流量與管道線路上壓力梯度分布之間的關(guān)系,基于管道兩端壓力或流量的改變對管道線上的壓力梯度進(jìn)行估算,從而判斷泄漏并定位漏點(diǎn)。由于該方法基于穩(wěn)態(tài)特征建模,因此對瞬態(tài)變化無法進(jìn)行定位計(jì)算。瞬態(tài)模型法[30-31]根據(jù)管道兩點(diǎn)間的壓力和流量信號變化對管道的參數(shù)分布進(jìn)行估算,判斷泄漏發(fā)生并定位。計(jì)算復(fù)雜,檢測能力有限,精度較低。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法[32]是基于管道模型的復(fù)雜性和非線性以及管內(nèi)介質(zhì)和工況因素等而采用的一種非線性和不確定性的系統(tǒng)模型。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,該方法研究較為熱門,國內(nèi)外已在管道泄漏檢測和定位方面開展了大量的研究工作,但實(shí)際應(yīng)用報(bào)道較少。
4) 其他檢測方法。
對于水下管道泄漏問題而言,利用水聲學(xué)技術(shù)的泄漏檢測技術(shù)報(bào)道也不少。如挪威NAXYS公司(現(xiàn)已被GE公司收購)的聲納泄漏檢測系統(tǒng)利用被動聲納檢測管道泄漏的射流噪聲,從而判斷是否存在泄漏。英國Sonardyne公司的聲學(xué)泄漏檢測系統(tǒng)及瑞士Weathford公司的Didson聲學(xué)泄漏檢測系統(tǒng)是利用主動聲納檢測水下管道泄漏的成熟產(chǎn)品。光圖像觀察法通過在水下管道結(jié)構(gòu)重要位置安裝光學(xué)圖像觀察裝備,觀察油氣泄漏,直觀準(zhǔn)確、可靠性高,但觀察窗口易受水下環(huán)境影響。分布式光纖探測方法則是通過敏感溫度和振動變化檢測油氣泄漏,定位精度高,但在水下敷設(shè)管道上安裝時(shí),受敷設(shè)管道時(shí)的焊接活動和夾管器動作等影響,實(shí)施困難,難以推廣應(yīng)用。利用管線電導(dǎo)率變化進(jìn)行探測的方法,可檢測并估計(jì)管線腐蝕的狀態(tài)變化。管道加載信號法(類似夾鉗法)可檢測管道裸露點(diǎn)位置及路由變化,檢測效果好,定位精度高,但需要有配合檢測的裝備,如自主式水下航行器(AUV)巡查或管道旁側(cè)的傳感器陣等。
1) 采用平衡法的檢測技術(shù)。如管內(nèi)瞬變壓力信號法、流量平衡法。通過比較管道不同位置點(diǎn)的壓力變化、流量變化、聲波到達(dá)時(shí)間等,分析是否存在管道泄漏并定位,是應(yīng)用較成熟和普及的方法。該類方法只能檢測管道結(jié)構(gòu)較大的泄漏,無法精確定位,對工況變化影響敏感。
2) 采用模型檢測分析的方法。如基于辨識模型、穩(wěn)態(tài)模型的管道泄漏檢測方法。該類方法漏點(diǎn)定位困難,對管道工況等環(huán)境變化因素影響較敏感,如分布式管道管壁沉積物厚度變化,管徑、管閥影響等均對檢測造成較大影響。
3) 管內(nèi)外低頻聲波檢測法。該類方法通過在管道或閥門等重要位置附近布置水聽器或水聽器陣列線纜監(jiān)聽油氣泄漏聲音信號,達(dá)到檢測油氣泄漏的目的。成本相對較高,水聽器易受環(huán)境及海生物附著影響,可以定位,但不能用于管道微滲漏和慢泄漏檢測。
4) 基于分布式光纖的檢測方法和光圖像觀察方法。分布式光纖的檢測方法是現(xiàn)代技術(shù)的水下應(yīng)用,其內(nèi)有多根光纖(如3根)沿管道側(cè)布設(shè),可以實(shí)時(shí)檢測管道結(jié)構(gòu)形變參數(shù)、溫度變化、振動等,從而分析管道路由形變并定位。由于隨管道敷設(shè)的工程實(shí)施困難(夾管器及焊接等工藝流程影響),該檢測方法未普及應(yīng)用。光圖像觀察方式下,圖像觀察直觀準(zhǔn)確、可靠性高,但觀察窗口易受水下附著物和水質(zhì)影響。
5) 基于漏磁分析的方法。該方法基于管道與海水絕緣,可通過管道與海水構(gòu)成的閉合回路,加入特征脈沖信號,利用專有裝備沿管道檢測水下的電磁空間分布。通過比較分析,可得到管道與水下線纜的相對位置變化或泄漏可疑位置,從而分析是否存在管道路由形變、裸露或泄漏情況。
以上幾種現(xiàn)有的管道結(jié)構(gòu)泄漏檢測技術(shù)只能檢測管道結(jié)構(gòu)存在明顯泄漏的情況,受工況和環(huán)境影響較大,難以實(shí)現(xiàn)長期對管道結(jié)構(gòu)的油氣微滲漏和慢泄漏的檢測。
針對淺水環(huán)境水下結(jié)構(gòu)集中安裝于沉埋密閉腔體內(nèi)以及外輸水下管道與海纜沉埋并行敷設(shè)的應(yīng)用趨勢,為水下結(jié)構(gòu)油氣泄漏檢測技術(shù)應(yīng)用提供了新的環(huán)境條件和需求。迫切需要安全可靠,供電及維修方便且水下安裝方便的水下結(jié)構(gòu)油氣泄漏在線檢測模塊化裝備,特別是對微滲漏和慢泄漏的在線檢測技術(shù)和裝備。
深水環(huán)境時(shí),海底裝備安全風(fēng)險(xiǎn)較小,水下結(jié)構(gòu)在海床安裝較集中,油氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)主要集中在管匯、閥門和采油樹等關(guān)鍵部位。外輸管道和海纜一般采取直接在海床安裝敷設(shè)的方式,輸送管道的安全風(fēng)險(xiǎn)主要集中在陸坡管道和立管。
針對淺水密閉腔體內(nèi)安裝的水下結(jié)構(gòu)和深水海床安裝的管匯、采油樹、閥門等重要位置的水下結(jié)構(gòu),當(dāng)前常用的油氣泄漏檢測技術(shù)不能滿足對水下結(jié)構(gòu)微滲漏和慢泄漏的長期在線檢測需求,泄漏檢測能力和定位能力不足,對水下長輸管線還缺乏有效的在線檢測技術(shù)手段。針對新的檢測、識別和定位需求,須開展聲、磁、光、電等多技術(shù)融合的檢測技術(shù)和方法研究,開展淺水并行敷設(shè)及沉埋管纜路由在線檢測和泄漏檢測技術(shù)的研究和裝備研發(fā),同時(shí)利用現(xiàn)代信號智能識別技術(shù)、控制技術(shù)等開展綜合性的油氣泄漏檢測目標(biāo)識別,從而解決當(dāng)前水下結(jié)構(gòu)油氣泄漏在線檢測的難題。
針對淺水密閉腔體內(nèi)或深水重要位置的水下結(jié)構(gòu)油氣泄漏檢測問題,應(yīng)解決以下2方面的關(guān)鍵技術(shù)及裝備問題。
1) 水下高頻圖像聲吶檢測技術(shù)及裝備。針對微滲漏和慢泄漏檢測問題及聲吶檢測距離情況,選擇合適的圖像聲吶工作頻率(如670 kHz、2 MHz頻率),開展油氣微滲漏和慢泄漏檢測和聲圖像目標(biāo)識別技術(shù)研究,同時(shí)開展水下結(jié)構(gòu)防除海生物方法及工藝措施研究,對抗海生物附著對水下聲吶基陣性能的影響。以多組圖像聲吶近程探測水下結(jié)構(gòu)微滲漏和慢泄漏,開發(fā)聲吶目標(biāo)特征識別軟件以滿足水下結(jié)構(gòu)油氣微滲漏和慢泄漏檢測需求,其檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。
圖2 水下結(jié)構(gòu)油氣泄漏聲-光圖像檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig .2 Sound and light image detection system structure for oil and gas leakage in underwater structure
2) 水下長期光學(xué)圖像觀察方法及裝備?,F(xiàn)有的水下光學(xué)圖像觀察裝備沒有采取觀察窗口清理措施,只適用于短時(shí)間的水下觀察應(yīng)用,對長期水下固定安裝的水下光學(xué)圖像觀察裝備,須開發(fā)具有光學(xué)窗口程控清理功能的裝備,解決裝備的水下海生物附著和光學(xué)窗口沉積物堆積的影響問題,保證水下光學(xué)圖像觀察裝備長期穩(wěn)定的觀察功能,用多組光學(xué)觀察裝備近程觀察水下結(jié)構(gòu)微滲漏和慢泄漏。
針對淺水海床沉埋長輸管道及海底管和纜并行敷設(shè)檢測問題,應(yīng)加強(qiáng)管道和線纜路由變化檢測及泄漏檢測,開展技術(shù)研究和裝備研發(fā)。有關(guān)的檢測裝備應(yīng)容易水下安裝并方便供電、通訊、故障定位、維修和技術(shù)升級,降低運(yùn)營成本。應(yīng)解決以下3方面的關(guān)鍵技術(shù)及裝備問題。
1) 淺水區(qū)水下長輸管纜并行敷設(shè)檢測技術(shù)和裝備。針對并行敷設(shè)的海底沉埋管纜路由,利用管纜并行敷設(shè)條件,開展水下并行管纜在線互探測技術(shù)研究和裝備研發(fā),實(shí)現(xiàn)水下管道泄漏實(shí)時(shí)探測、路由變化檢測和犧牲陽極腐蝕變化檢測,從而滿足新條件下水下管纜并行敷設(shè)在線互檢需求。如可在并行敷設(shè)線纜上增加敷設(shè)檢測線纜,并在檢測線纜上布置高靈敏度的電磁傳感器和水聽器。檢測線纜每間隔100 km左右設(shè)置一個(gè)海底固定基點(diǎn),基點(diǎn)上安裝信號轉(zhuǎn)換及驅(qū)動、供電等裝備,方便檢測維修(圖3)。檢測線纜可隨水下鎧裝海纜敷設(shè),也可單獨(dú)敷設(shè),但不能隨管道敷設(shè)(管道敷設(shè)時(shí)有焊接活動和夾管器影響,隨管道敷設(shè)存在較大難度,實(shí)施可行性較低)。用于管道電磁信號檢測的電磁傳感器選用三軸傳感器,按一定間隔布置(如300 m,復(fù)雜環(huán)境可減小相鄰布置間隔);用于敷設(shè)管道泄漏信號檢測的水聽器,由于數(shù)量較多,可采用光纖水聽器,并按一定間隔布置(如500 m,復(fù)雜環(huán)境可減小相鄰間隔布置),從而降低供電要求和裝備成本。對于加載信號,可采用夾鉗法在管道上加載一定頻率的CW電流脈沖信號(信號頻率1 000 Hz以下),利用海水構(gòu)成通電回路,沿管道檢測信號變化情況,并通過電磁傳感器檢測分析管道路由變化及裸露點(diǎn)。上述操作的優(yōu)點(diǎn)包括:①檢測線纜可實(shí)時(shí)檢測環(huán)境電磁分布變化,分析管和纜的相對位置變化(位置分辨能力優(yōu)于0.5 m);②可檢測電力線和磁力線強(qiáng)度變化,分析犧牲陽極的腐蝕變化;③可通過電、磁檢測數(shù)據(jù)分析水面是否有停船,從而預(yù)警管纜面臨的風(fēng)險(xiǎn);④方案成本低,方便供電,施工較簡單。
圖3 淺水并行敷設(shè)管和纜檢測裝置布置示意圖Fig .3 Schematic of device for detecting parallel laying pipes and cables in shallow water
2) 水下在線固定檢測裝備自供電、網(wǎng)絡(luò)鏈接、定位及通訊技術(shù)和裝備。水下長輸管線長度可達(dá)1 000 km量級,水下檢測裝備供電、通訊和安裝十分困難。針對建設(shè)后期有海底敷設(shè)管和纜檢測需求時(shí),可以設(shè)置海底固定基點(diǎn),在固定基點(diǎn)上柔性構(gòu)建相應(yīng)的檢測系統(tǒng)。因此,需要解決檢測裝備模塊化和水下自供電、柔性連接等問題。水下自供電可采用電池組+外連無線充電耦合連接器+補(bǔ)充供電裝備的綜合措施解決,從而方便電池組更換或無線充電,而補(bǔ)充供電裝備可以利用輸送管與海水形成的溫差研制水下熱電轉(zhuǎn)換發(fā)電裝備,或是海底微海流發(fā)電裝備等。柔性連接可采用無線耦合供電通訊連接器,通過連接水下模塊化裝備柔性構(gòu)建需要的檢測系統(tǒng)。無線耦合供電通訊連接器與硬連接器相比,對接要求低,無對接水密問題,有利于降低施工要求。水下無線耦合充電器方面,國內(nèi)已有3 000 W級的產(chǎn)品;而無線耦合供電通訊連接器方面,國內(nèi)已有100 W供電功率、100 Mbps通訊速率的成熟產(chǎn)品。
3) AUV搭載檢測技術(shù)和裝備。自主式水下航行器AUV的航行探測速度低(如5 kn以下),可采用濕式框架結(jié)構(gòu),其重心低于浮心較多,穩(wěn)定性好,水下機(jī)動性和抗側(cè)流能力強(qiáng),對控制要求較低,定位精度高,如0.3%內(nèi)定位誤差。AUV為模塊化結(jié)構(gòu),可基于搭載探測任務(wù)模塊的尺寸和質(zhì)量適當(dāng)調(diào)整AUV的尺寸、質(zhì)量和浮心位置,從而適應(yīng)搭載需求。采用AUV搭載探測任務(wù)模塊執(zhí)行水下管和纜探測任務(wù)時(shí),先在水面平臺吊放AUV入水,識別并定位水下管纜,用探測結(jié)果導(dǎo)引AUV執(zhí)行水下探測及巡檢任務(wù)。由多普勒計(jì)程儀測量AUV的航行距離,到達(dá)目的地附近時(shí),通過應(yīng)答式聲吶呼喚目標(biāo)平臺值班人員準(zhǔn)備回收AUV。采用AUV開展水下管纜路由變化及泄漏、犧牲陽極腐蝕情況自動巡查與檢測工作,獲取海底敷設(shè)管和纜路由參數(shù),抵近識別并觀察核實(shí)是否有懸跨、泄漏等,可減少出船量和人工出勤成本。
目前,水下固定電子系統(tǒng)裝備普遍存在維修難、供電難、水下安裝難和網(wǎng)絡(luò)化能力弱等問題。解決上述問題的有效途徑是通過裝備模塊化、網(wǎng)絡(luò)化以及柔性連接方式構(gòu)建水下電子系統(tǒng),通過管控中心實(shí)現(xiàn)水下檢測裝備智能化和一體化管理,降低水下安裝及運(yùn)營成本。
1) 水下泄漏檢測裝備應(yīng)具有維修方便、水下安裝方便及功能擴(kuò)展能力。需要研究開發(fā)水下無線耦合供電通訊連接器,開發(fā)水下模塊化裝備、網(wǎng)絡(luò)連接器等,研究應(yīng)用油氣泄漏目標(biāo)智能識別技術(shù),從而有助于簡化水下檢測裝備的安裝流程并實(shí)現(xiàn)裝備的快速維修或更換。
2) 遙控式無人潛水器(Remote Operated Vehicle,ROV)機(jī)具開發(fā)。水下電子檢測裝備安裝在水下固定基點(diǎn)平臺上,含有應(yīng)答式信標(biāo),安裝和維修時(shí)可以導(dǎo)引水下機(jī)器人ROV等接近。須開發(fā)相應(yīng)的ROV操作專用機(jī)具,由小型ROV搭載使用,用于水下模塊化組件狀態(tài)檢測和更換維修,或用于水下電池組在線對接充電、數(shù)據(jù)通訊,適應(yīng)水下電子裝備固定安裝流程簡化及能量補(bǔ)給等需要,提高維修快速反應(yīng)保障能力,進(jìn)一步降低施工及運(yùn)營成本,促進(jìn)水下系統(tǒng)檢測裝備的應(yīng)用和發(fā)展。
針對水下油氣生產(chǎn)設(shè)施深淺水海底安裝方式和智能化管理的發(fā)展趨勢,從水下結(jié)構(gòu)泄漏檢測技術(shù)、裝備智能化和降成本角度,總結(jié)了當(dāng)前急需解決的一些關(guān)鍵技術(shù)問題。目前水下生產(chǎn)設(shè)施油氣泄漏檢測須柔性構(gòu)建多技術(shù)綜合的、網(wǎng)絡(luò)化的泄漏檢測系統(tǒng),融合多類檢測技術(shù),并利用現(xiàn)代信號處理、控制技術(shù)和智能識別技術(shù),解決當(dāng)前裝備檢測能力不足、供電難、維修難及安裝難等問題,從而滿足水下結(jié)構(gòu)油氣泄漏檢測及精確定位要求,適應(yīng)水下結(jié)構(gòu)油氣泄漏檢測系統(tǒng)無人化管理需要。本文成果為后期的泄漏檢測技術(shù)研究及裝備研發(fā)提供了技術(shù)思路和應(yīng)用設(shè)想,有利于降低水下結(jié)構(gòu)油氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)和海洋環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。