施曉東，宋玉萍

1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450

2.中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452

1986—2016年，中國海油在中國海域共鋪設(shè)了315條海底管道，30年間共發(fā)生了51起事故，事故原因主要包括腐蝕、工程質(zhì)量、第三方破壞和自然地質(zhì)災(zāi)害4個(gè)方面[1]。海底管道發(fā)生事故導(dǎo)致的最典型后果就是管道泄漏，如果沒有安裝泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，很難發(fā)現(xiàn)泄漏事故的發(fā)生，更無法定位泄漏發(fā)生的位置。

隨著國家對(duì)環(huán)境保護(hù)的逐步重視，近些年為降低管道泄漏造成的損失，一直致力于開發(fā)海底管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)。為驗(yàn)證泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)的性能和達(dá)到預(yù)期的效果，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)工作。

1 海底管道泄漏監(jiān)測(cè)的理論研究

目前，管道泄漏監(jiān)測(cè)方法可以分為內(nèi)部監(jiān)測(cè)法和外部監(jiān)測(cè)法兩大類。內(nèi)部監(jiān)測(cè)法主要包括基于模型的方法、壓力梯度法、壓力點(diǎn)分析法、負(fù)壓波法、流量平衡法、次聲波法等，外部監(jiān)測(cè)方法主要包括光纖監(jiān)測(cè)法、氣體成像法、氣體監(jiān)測(cè)法等。其中，泄漏次聲波監(jiān)測(cè)方法是一種能夠較好適用于海底管道的技術(shù)[2]。

海底管道泄漏次聲波監(jiān)測(cè)方法的原理是：當(dāng)管道發(fā)生泄漏（腐蝕造成的小滲漏除外）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度較大的次聲波信號(hào)，管道泄漏次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正是通過采集、分析管道泄漏時(shí)產(chǎn)生的次聲波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)泄漏報(bào)警和泄漏點(diǎn)的定位[3]。因此，基于泄漏次聲波的監(jiān)測(cè)方法在長輸管道的泄漏監(jiān)測(cè)方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，將基于次聲波的泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于管道泄漏監(jiān)測(cè)及泄漏點(diǎn)定位具有很好的發(fā)展前景[4]。

泄漏點(diǎn)的具體定位方法如下：設(shè)首站傳感器所在的位置為A，末站傳感器所在的位置為B，其間的距離為L，泄漏點(diǎn)位置為C，A與C之間的間距為x，同一泄漏的次聲波信號(hào)從C點(diǎn)傳到A點(diǎn)用時(shí)為t1，從C點(diǎn)傳到B點(diǎn)用時(shí)為t2，v為次聲波在管道中的傳播速度，則可得到以下關(guān)系式：

式中：Δt是同一泄漏次聲波到達(dá)首、末站傳感器的時(shí)間差值，則泄漏點(diǎn)C的位置表達(dá)式為：

2 模擬管道泄漏試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證次聲波泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)的性能指標(biāo)，分別在室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)道、大尺寸環(huán)道以及實(shí)際海底管道上進(jìn)行模擬泄漏試驗(yàn)。

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)道試驗(yàn)

選用某高校的試驗(yàn)環(huán)道，其中小管徑試驗(yàn)環(huán)道規(guī)格為Φ14 mm×2 mm，總長251.5 m，測(cè)試管段全長199.85 m，設(shè)計(jì)運(yùn)行最高壓力8 MPa，允許最高壓力6.4 MPa，該試驗(yàn)管段沿線共設(shè)計(jì)3個(gè)泄漏點(diǎn)，分別距起點(diǎn)音波傳感器40.34 m、88.33 m和149.02 m。小管徑試驗(yàn)環(huán)道主要模擬輸油管道的泄漏。

大管徑試驗(yàn)環(huán)道（見圖1）規(guī)格為Φ48 mm×3 mm，總長250.5 m，測(cè)試管段全長201.5 m，最高運(yùn)行壓力1.6 MPa，在環(huán)道沿途設(shè)置了8個(gè)可拆卸傳感器的安裝點(diǎn)。

圖1 室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)道

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集模塊由2支次聲波傳感器、2個(gè)前置放大器、2個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換器以及2個(gè)防爆套管組成，數(shù)據(jù)傳輸模塊由3個(gè)信號(hào)收發(fā)器構(gòu)成，數(shù)據(jù)處理模塊由1個(gè)終端服務(wù)器以及泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件構(gòu)成。

管道泄漏是通過球閥和帶泄漏孔板的法蘭共同實(shí)現(xiàn)的，球閥開啟控制泄漏發(fā)生，泄漏孔板控制泄漏孔徑，設(shè)置的孔徑規(guī)格有0.1、0.5、0.7、0.8、1.0、2.0 mm等。泄漏位置模擬6點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘以及12點(diǎn)鐘3個(gè)方向。

泄漏測(cè)試試驗(yàn)分為兩大部分進(jìn)行，分別是管輸介質(zhì)為液體介質(zhì)下的試驗(yàn)和管輸介質(zhì)為氣體狀態(tài)下的試驗(yàn)。在不同介質(zhì)條件下，按照孔徑由大到小的順序選取泄放擋板（見圖2），側(cè)球閥搭配不同泄漏孔徑的擋板（見圖3）進(jìn)行試驗(yàn)，分別在管道首端、中部和末端的3個(gè)泄放口進(jìn)行測(cè)試，目的是檢測(cè)泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能否及時(shí)發(fā)出泄漏報(bào)警并判斷出泄漏點(diǎn)的位置。

圖2 泄放擋板

圖3 側(cè)球閥搭配泄放擋板實(shí)物照片

對(duì)于空氣介質(zhì)而言，在1.4、0.8、0.4 MPa穩(wěn)定壓力條件下以及0.2～0.4 MPa動(dòng)態(tài)壓力條件下，依次試驗(yàn)泄放孔徑為2、1、0.5、0.1 mm時(shí)的報(bào)警情況。泄漏位置均能報(bào)警，其中，壓力1.4 MPa、泄漏孔徑0.5 mm工況下的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，0.2～0.4 MPa、1 mm泄漏孔徑試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。穩(wěn)定壓力條件下定位精度±20 m；動(dòng)態(tài)壓力條件下，定位精度略有下降，為±40 m。

圖4 1.4 MPa、0.5 mm泄漏孔徑試驗(yàn)結(jié)果

圖5 0.2～0.4 MPa、1 mm泄漏孔徑試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于水介質(zhì)而言，0.8 MPa、1 mm泄漏孔徑時(shí)，部分報(bào)警；0.4 MPa、1 mm泄漏孔徑時(shí)，無明顯信號(hào)；0.2 MPa、3 mm泄漏孔徑時(shí)，無明顯信號(hào)。為了保證管道壓力接近實(shí)際工況，使用水泵供水的方式同時(shí)也引入了明顯的噪聲，水泵產(chǎn)生的噪聲信號(hào)會(huì)在試驗(yàn)進(jìn)行過程中沿管壁傳至聲波傳感器，這與實(shí)際工程應(yīng)用環(huán)境有較大的出入；水泵產(chǎn)生的噪聲為高幅值的寬頻噪聲，泄漏產(chǎn)生的低頻信號(hào)極容易被淹沒，且噪聲信號(hào)與泄漏信號(hào)在頻域具有相同的頻譜特征，不易通過濾波處理掉噪聲信號(hào)。

在試驗(yàn)中模擬兩處及兩處以上泄漏情況時(shí)能夠報(bào)警，但無法定位。

2.2 大尺寸環(huán)道試驗(yàn)

采用10 in（1 in=25.4 mm）試驗(yàn)環(huán)道（見圖6），規(guī)格為Φ273.1 mm×12.7 mm，總長251.5 m，測(cè)試管段全長700 m，設(shè)計(jì)運(yùn)行最高壓力3 MPa，該試驗(yàn)管段沿線共設(shè)有兩個(gè)泄漏點(diǎn)，分別距起點(diǎn)音波傳感器100 m、500 m。

圖6 大尺寸試驗(yàn)環(huán)道

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集模塊由2個(gè)次聲波傳感器、2個(gè)前置放大器、2個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換器組成，數(shù)據(jù)傳輸模塊由2個(gè)信號(hào)收發(fā)器構(gòu)成，數(shù)據(jù)處理模塊由1個(gè)終端服務(wù)器以及泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件構(gòu)成。

因?yàn)樵囼?yàn)環(huán)道安裝條件限制，次聲波傳感器安裝在9點(diǎn)鐘方向，按一定的角度傾斜向上安裝。

試驗(yàn)介質(zhì)采用水和空氣，試驗(yàn)測(cè)試壓力分別為3、2、1 MPa，采用的模擬泄放孔徑分別為7、6、5、4、3 mm。

在首、末站測(cè)試，測(cè)試信號(hào)經(jīng)小波濾波、集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解處理后信噪比很明顯，經(jīng)支持向量機(jī)、樸素貝葉斯分類器對(duì)信號(hào)識(shí)別，可以有效判別、篩選出所有測(cè)試信號(hào)。測(cè)試信號(hào)強(qiáng)度隨測(cè)試孔徑減?。?、6、5、4、3 mm）而逐步減弱，孔徑越小，泄漏能量越小。定位精度±20 m。

信噪比越高定位精度越高，泄漏孔徑為3 mm時(shí)相對(duì)其他孔的徑信噪比較低，泄漏孔徑為3 mm的泄漏信號(hào)處理后（見圖7），定位效果不理想。

圖7 3 mm泄放孔徑信號(hào)處理圖

2.3 海底管道模擬泄漏試驗(yàn)

采用某海底管道進(jìn)行模擬泄漏試驗(yàn)，管道長度約30 km，內(nèi)管直徑406.4 mm，內(nèi)管壁厚12.7 mm。輸送介質(zhì)為原油，首站壓力約為1.8 MPa，末站壓力約為0.5 MPa。

中數(shù)據(jù)采集模塊由3個(gè)次聲波傳感器、2個(gè)前置放大器、2個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換器組成，數(shù)據(jù)傳輸模塊由2個(gè)信號(hào)收發(fā)器構(gòu)成，數(shù)據(jù)處理模塊由1個(gè)終端服務(wù)器以及泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件構(gòu)成。

隨機(jī)進(jìn)行10次模擬泄漏，泄漏孔徑12 mm，其中處理廠報(bào)警準(zhǔn)確，定位精度±100 m。平臺(tái)系統(tǒng)沒有正常報(bào)警，通過人工輔助判斷完成報(bào)警。

海底管道含氣3 000 m3/h以上，流動(dòng)呈現(xiàn)段塞流。泄漏信號(hào)在不同介質(zhì)間傳播時(shí)衰減明顯，說明次聲波泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)于氣液混輸管道效果較差。對(duì)于在役管道，傳感器的安裝位置、安裝方向以及泄漏點(diǎn)的選取都只能根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)影響最小的方案進(jìn)行，并未能體現(xiàn)出系統(tǒng)的最佳性能。

識(shí)別算法需要長時(shí)間學(xué)習(xí)，獲取管道更多的特征參數(shù)才能更精準(zhǔn)識(shí)別,短時(shí)間的測(cè)試不能完全體現(xiàn)算法能力，特別是平臺(tái)端的工況多變且極不穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

次聲波泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)于單相介質(zhì)管道適用性優(yōu)于氣液混輸介質(zhì)管道，單相氣體介質(zhì)管道又優(yōu)于單相液體介質(zhì)管道，與實(shí)際工程應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)基本一致。

試驗(yàn)管徑越小，壓力越大，泄放孔徑越大，泄漏監(jiān)測(cè)效果越好；在試驗(yàn)條件下，系統(tǒng)可以在壓力最小0.5 MPa、泄放孔徑最小3 mm時(shí)，及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)出泄漏報(bào)警，并能夠定位泄漏發(fā)生的位置，且平均定位誤差小于50 m。

實(shí)驗(yàn)室條件下，工況相對(duì)簡(jiǎn)單，管道長度較短，數(shù)據(jù)分析處理簡(jiǎn)單。對(duì)于實(shí)際海底管道來說，工況復(fù)雜，管道距離長，應(yīng)在安裝位置設(shè)計(jì)、硬件選型、軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行完善，以進(jìn)一步提升海底管道泄漏次聲波監(jiān)測(cè)技術(shù)的適用性。