陳同彥，劉錦昆，譚勇，王保計(jì)，郭海濤

1.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營(yíng)257026

2.中石化勝利油田分公司海洋采油廠，山東東營(yíng)257237

埕島油田海底管道監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)研究

陳同彥1，劉錦昆1，譚勇2，王保計(jì)1，郭海濤1

1.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營(yíng)257026

2.中石化勝利油田分公司海洋采油廠，山東東營(yíng)257237

埕島油田地處黃河口灘海交界地帶，部分海底管道底部周?chē)粵_刷淘空，給管道的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患，是埕島油田安全生產(chǎn)的潛在威脅。為了解決海底管道運(yùn)行期在位安全狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警問(wèn)題，提高埕島油田海底管道安全可靠性，針對(duì)埕島油田海底管道的服役環(huán)境和退化特點(diǎn)，通過(guò)系統(tǒng)集成、安裝工藝、配套軟件的研究，初步形成了基于分布式光纖傳感器的埕島油田海底管道在位狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)埕島油田新建海底管道的在位狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警；提出了建立海底管道在位狀態(tài)安全管理的新思路，對(duì)提高埕島油田海底管道的安全具有參考意義。

埕島油田；海底管道；在位狀態(tài)；分布式光纖；監(jiān)測(cè)與預(yù)警

埕島油田地處黃河口灘海交界地帶，其環(huán)境條件、海底地質(zhì)是世界上最惡劣的海區(qū)之一，海底不穩(wěn)定，大沖大淤，存在相對(duì)滑移變遷的趨勢(shì)，這些現(xiàn)象造成海底管道底部周?chē)鷽_刷淘空，給管道的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。中石化埕島油田采用中心平臺(tái)結(jié)合衛(wèi)星平臺(tái)、海底管道的半海半陸油田開(kāi)發(fā)方式，海底管道在海底星羅棋布，是埕島油田安全生產(chǎn)的神經(jīng)及動(dòng)脈。

海底管道處于海底，無(wú)法像陸地管道一樣進(jìn)行巡檢。如果海底管道安全隱患不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，一旦遭遇惡劣海況，可能導(dǎo)致管道的泄漏或斷裂，造成停產(chǎn)、海洋環(huán)境污染等嚴(yán)重后果，另外，管道破壞后的清污費(fèi)用、后續(xù)修復(fù)工程、恢復(fù)海洋生態(tài)平衡等費(fèi)用更是極其昂貴[1-4]。為提高管道安全性，結(jié)合埕島油田海底管道設(shè)計(jì)施工特點(diǎn)，對(duì)海底輸油管道在位狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，主要研究包括三部分：其一，海底管道在位狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)海底管道在位狀態(tài)的分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；其二，海底管道在位健康狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)研究，開(kāi)發(fā)海底管道損傷識(shí)別和健康狀況診斷軟件；其三，海底管道在位健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝工藝研究，解決在位狀態(tài)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝問(wèn)題。研究成果在CB25A與CB25B平臺(tái)之間的海底管道上進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，取得了良好效果，表明在埕島油田海底管道上安裝安全隱患預(yù)警系統(tǒng)是可行的。

1 海底管道在位狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

通過(guò)對(duì)埕島油田海底管道的隱患特點(diǎn)研究發(fā)現(xiàn)，威脅埕島油田海底管道安全運(yùn)行的因素主要來(lái)自三個(gè)方面：第一，海底管道懸空，管道自身承受較大的彎曲變形，同時(shí)易因渦激振動(dòng)導(dǎo)致疲勞破壞；第二，海底管道裸露，裸露的海底管道因海床崎嶇等因素，易在內(nèi)壓和溫度共同作用下誘發(fā)管道整體屈曲；第三，海底管道腐蝕，局部減薄效應(yīng)造成應(yīng)力集中，可以引起管壁的強(qiáng)度失效，也可能在外壓作用下因局部屈曲而出現(xiàn)“褶皺”等現(xiàn)象。

海底管道懸空、裸露以及腐蝕等可以通過(guò)管道的應(yīng)變響應(yīng)表現(xiàn)出某種特殊規(guī)律。如果通過(guò)分布式技術(shù)監(jiān)測(cè)到管道應(yīng)變響應(yīng)的變化及其特殊模式，即可實(shí)現(xiàn)管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和失效行為的預(yù)警。光纖傳感技術(shù)目前被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，尤其是分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)，具有天然適應(yīng)海底管道長(zhǎng)距離線性布設(shè)的特點(diǎn)，在管道應(yīng)變和泄漏的分布式監(jiān)測(cè)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。分布式光纖傳感器可以完成如下監(jiān)測(cè)任務(wù)：其一，分布式溫度監(jiān)測(cè)；其二，滲漏監(jiān)測(cè)；其三，外部侵入監(jiān)測(cè)；其四，分布式應(yīng)變和變形監(jiān)測(cè)。分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)利用光纖布里淵散射原理實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的分布式測(cè)量，已經(jīng)在大跨橋梁、長(zhǎng)輸管道的結(jié)構(gòu)性態(tài)監(jiān)測(cè)中得到大量應(yīng)用[5-10]。本研究利用分布式光纖傳感技術(shù)，建立了海底管道在位狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1.1 海底管道在位狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

埕島油田海底輸油管道在位狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括四個(gè)子系統(tǒng)：傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)和海底管道狀態(tài)評(píng)價(jià)與實(shí)時(shí)安全預(yù)警子系統(tǒng)。其工作流程如圖1所示。

圖1 海底管道在位狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程示意

四個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行于四個(gè)層次：第一層次，通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元采集傳感器子系統(tǒng)拾取信號(hào)；第二層次，將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并通過(guò)光纖寬帶或無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)輸送到數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)；第三層次，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的后處理、歸檔、顯示及存儲(chǔ)，并根據(jù)系統(tǒng)的指令為其提供特定格式和內(nèi)容的數(shù)據(jù)以及處理結(jié)果；第四層次，將采集分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)估，并進(jìn)行預(yù)警處理。

1.2 海底管道在位狀態(tài)監(jiān)測(cè)的分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

海底管道狀態(tài)識(shí)別與評(píng)定是通過(guò)對(duì)管道彎曲應(yīng)變的分布式監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)的，在位狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施基礎(chǔ)是布設(shè)于海底管道上的分布式光纖傳感器。海底管道表面的分布式光纖傳感器測(cè)量的是海底管道的縱向應(yīng)變，是海底管道彎曲應(yīng)變與軸壓應(yīng)變的組合，因此海底管道在位狀態(tài)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為如何利用可觀測(cè)的縱向應(yīng)變獲得海底管道的彎曲應(yīng)變。通過(guò)對(duì)海底管道任意截面上的應(yīng)變狀態(tài)分析可知，管道縱向應(yīng)變是彎曲應(yīng)變和軸壓應(yīng)變的疊加，因此在管道截面上每相隔120°布設(shè)一條分布式光纖傳感器，即可構(gòu)成一個(gè)分布式的傳感網(wǎng)絡(luò)（見(jiàn)圖2）當(dāng)任意截面上三個(gè)分布式光纖傳感器獲得管道縱向應(yīng)變后，由海底管道在位狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析得到管道的彎曲和軸壓應(yīng)變以及中性軸位置，根據(jù)海底管道失效模式和安全評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)海底管道的狀態(tài)進(jìn)行判斷和預(yù)警。

圖2 管道截面與傳感器位置

2 海底管道在位健康狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)研究

建立監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與海底管道安全問(wèn)題之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)海底管道健康狀況診斷，形成海底管道在位健康狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目研究目標(biāo)的關(guān)鍵。

2.1 海底管道狀態(tài)光纖識(shí)別技術(shù)研究

海底管道在位狀態(tài)光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)施基礎(chǔ)，就是對(duì)海底管道應(yīng)變響應(yīng)的變化及其特殊模式的準(zhǔn)確測(cè)量。利用管道荷載模擬試驗(yàn)箱和管道復(fù)雜荷載試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行原型海底管道在典型荷載作用下的分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)基于分布式應(yīng)變的海底管道狀態(tài)識(shí)別研究。主要進(jìn)行4類試驗(yàn)：第一，橫向荷載應(yīng)變監(jiān)測(cè)（模擬水動(dòng)力荷載效應(yīng)）；第二，基礎(chǔ)沉降應(yīng)變監(jiān)測(cè)；第三，內(nèi)壓、軸力應(yīng)變監(jiān)測(cè)（模擬工作荷載）；第四，管道屈曲監(jiān)測(cè)。第一、第二和第四類試驗(yàn)在荷載模擬試驗(yàn)箱中進(jìn)行，第三類試驗(yàn)在管道復(fù)雜荷載試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)中，針對(duì)不同荷載工況采用分布式光纖傳感器監(jiān)測(cè)管道應(yīng)變分布，并與傳統(tǒng)離散測(cè)試技術(shù)（電阻應(yīng)變片）的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以評(píng)估分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的有效性，形成了與之對(duì)應(yīng)的橫向荷載效應(yīng)監(jiān)測(cè)識(shí)別技術(shù)，基礎(chǔ)沉降效應(yīng)監(jiān)測(cè)識(shí)別技術(shù)，內(nèi)壓、軸力效應(yīng)監(jiān)測(cè)識(shí)別技術(shù)和整體屈曲監(jiān)測(cè)識(shí)別技術(shù)。

2.2 海底管道泄漏光纖識(shí)別技術(shù)

泄漏問(wèn)題一直是海底管道安全運(yùn)行所涉及的一個(gè)重要問(wèn)題。在海底管道服役過(guò)程中可能出現(xiàn)各種形式的泄漏，比如腐蝕泄漏、疲勞裂紋等。管道泄漏監(jiān)測(cè)的技術(shù)挑戰(zhàn)在于泄漏在管道全長(zhǎng)任意位置均可發(fā)生，并且初期泄漏量較小不易探測(cè)。

利用光纖傳感器的分布式探測(cè)能力，將管道泄漏監(jiān)測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為管道沿途的溫度監(jiān)測(cè)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)泄漏所引起的管道周邊環(huán)境的溫度異常實(shí)現(xiàn)管道泄漏的探測(cè)?；诜植际綔y(cè)溫的管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：其一，分布式探測(cè)，可實(shí)現(xiàn)管道全長(zhǎng)任意位置的泄漏監(jiān)測(cè)；其二，間接測(cè)量，分布式光纖傳感器對(duì)外管表面溫度進(jìn)行測(cè)量，無(wú)需附著在內(nèi)管結(jié)構(gòu)上，大大降低了施工的技術(shù)難度和成本，提高了傳感器布設(shè)的效率。

海底管道的分布式泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括四個(gè)單元（見(jiàn)圖3），即分布式光纖傳感器、主動(dòng)加熱單元、分布式光纖溫度采集單元和管道泄漏評(píng)價(jià)單元。

圖3 海底管道分布式泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意

通過(guò)管道泄漏模擬試驗(yàn)，對(duì)管道泄漏監(jiān)測(cè)的敏感性和關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究。研究表明：當(dāng)泄漏液體溫度高于管道周?chē)馏w溫度3℃時(shí)，采用分布式測(cè)溫技術(shù)可以準(zhǔn)確探測(cè)到管道泄漏事件及其位置。

3 海底管道在位健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝工藝研究

海底管道特殊的施工工藝和運(yùn)行過(guò)程需要承受的風(fēng)、浪、流、海冰、意外荷載沖擊、土體滑移、沖刷等都會(huì)對(duì)分布式光纖傳感器在海底管道上的安裝造成很大困難，在位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝問(wèn)題是建立海底管道在線健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最難解決的問(wèn)題，決定著監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可否實(shí)際應(yīng)用。結(jié)合埕島油田拖管法施工特點(diǎn)，研制了新型光纖傳感器和三步法海上施工方案，解決了光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在雙壁管海底管道上的安裝問(wèn)題。

3.1 海底管道狀態(tài)監(jiān)測(cè)的分布式光纖傳感器研制

光纖本身具有傳感和傳輸?shù)墓δ?，但是本身脆弱易損，作為傳感器需一定的抗外界損壞作用的能力。當(dāng)海底管道施工時(shí)，分布式光纖傳感器需在管道上進(jìn)行預(yù)裝，在拖管施工過(guò)程中會(huì)受到一定的荷載作用，要求傳感器具有一定的抗沖擊的能力。同時(shí)傳感器應(yīng)具有較小的截面，容易與管道結(jié)合。為了滿足以上要求，需要對(duì)光纖進(jìn)行全尺度的封裝保護(hù)。

新型光纖傳感器通過(guò)多股鋼絞線加強(qiáng)保護(hù)，使得表面強(qiáng)度得到提高。鋼絞線封裝分布式光纖傳感器包括三個(gè)部分，即光纖、鋼絞線和聚合物外保護(hù)層。光纖是傳感器的感知單元，感受外部力學(xué)和熱學(xué)作用；鋼絞線是加強(qiáng)保護(hù)單元，通過(guò)螺旋纏繞與光纖之間產(chǎn)生較大的摩擦力，保證光纖與鋼絞線協(xié)同變形；聚合物外保護(hù)層采用與鋼絞線彈性模量呈相類似的聚彈性材料制作，包裹在鋼絞線的外部，既起到傳感器成型的作用，同時(shí)也起到防腐和保護(hù)的作用。鋼絞線和聚合物保護(hù)層構(gòu)成了分布式光纖傳感器的封裝層。傳感器結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖4所示。

3.2 分布式光纖傳感器布設(shè)技術(shù)

3.2.1 平管段分布式光纖布設(shè)

針對(duì)浮拖法施工特點(diǎn)，分布式光纖傳感器的布設(shè)在浮拖管段預(yù)裝、焊接完成后進(jìn)行。經(jīng)過(guò)對(duì)比，采用外管表面粘貼法進(jìn)行布設(shè)，施工較為簡(jiǎn)便，粘結(jié)劑經(jīng)過(guò)篩選采用國(guó)產(chǎn)鳳凰牌WSR6101粘結(jié)劑。為了保證海底管道在浮拖和鋪設(shè)過(guò)程中免受損壞，對(duì)施工過(guò)程中可能承受較大荷載的區(qū)域，對(duì)傳感器采用閉孔泡沫板進(jìn)行防護(hù)。

3.2.2 立管段分布式光纖布設(shè)

立管是海底管道承受環(huán)境荷載較大的區(qū)域之一，特別是浪濺區(qū)附近，經(jīng)受的波浪、海冰荷載的沖擊要遠(yuǎn)大于其他管段，立管區(qū)域的分布式光纖的保護(hù)尤為重要。

埕島油田屬于冰區(qū)，因此海底管道立管都設(shè)有抗冰護(hù)管，實(shí)際是由兩片半瓦式鋼板焊接到海底管道外管外側(cè)。根據(jù)這一特點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)修改，將海底管道外側(cè)的抗冰護(hù)管由2片結(jié)構(gòu)改為多片結(jié)構(gòu)，在兩片護(hù)管瓦片之間的接縫區(qū)域埋深光纖保護(hù)套管，可有效保護(hù)光纖不受冰、波浪等荷載的直接作用，示意圖見(jiàn)5。對(duì)于立管其他區(qū)域，采用與平管段相同的粘貼法將分布式光纖布設(shè)到立管外側(cè)，并進(jìn)行閉孔泡沫板防護(hù)，見(jiàn)圖5。

圖4 鋼絞線封裝分布式光纖傳感器

圖5 立管段分布式光纖布設(shè)

3.3 外管分布式傳感器的三步法海上施工方案

海底管道的海上施工非常復(fù)雜，作業(yè)窗口期短，分布式光纖傳感器的安裝布設(shè)須盡可能不影響海底管道的正常施工。

分布式光纖傳感器的三步法施工方案為：第一步，采用表面粘貼法將分布式光纖傳感器布設(shè)在水平管外表面；第二步，采用表面粘貼法和套管保護(hù)法將分布式光纖傳感器布設(shè)在立管的外表面，同時(shí)布設(shè)水平段傳感器的導(dǎo)引套管；第三步，在水平管和立管吊裝焊接操作完成后，將水平管分布式光纖傳感器的預(yù)留段穿入導(dǎo)引套管，并對(duì)傳感器與套管連接部位進(jìn)行封裝保護(hù)。在整個(gè)海底管道的吊裝和對(duì)接施工中，無(wú)需對(duì)分布式光纖傳感器進(jìn)行任何布設(shè)和熔接操作。

4 海底管道在位健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)海上試驗(yàn)

項(xiàng)目依托埕島油田CB25A-CB25B平臺(tái)間海底管道設(shè)置分布式光纖傳感器，進(jìn)行了海上現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，對(duì)海底管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。圖6為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的CB25A-CB25B平臺(tái)間海底管道的分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。需要說(shuō)明的是數(shù)據(jù)兩端較大的跳躍是由傳感器與導(dǎo)引光纖焊接所導(dǎo)致的光損造成的，與被測(cè)海底管道的結(jié)構(gòu)狀態(tài)無(wú)關(guān)。

圖6 分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)顯示在傳感器所對(duì)應(yīng)的150～460 m的范圍內(nèi)，海底管道應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，且隨著位置的增加，拉應(yīng)變也逐漸增大，最大拉應(yīng)變?yōu)?50με；監(jiān)測(cè)段的其余位置基本受到壓應(yīng)變的作用，壓應(yīng)變的最大值為100μ ε。監(jiān)測(cè)段的拉、壓應(yīng)變數(shù)值均較小，結(jié)構(gòu)安全度較高。試驗(yàn)表明研發(fā)成果達(dá)到預(yù)期效果，在埕島油田浮拖法海底管道上實(shí)施海底管道在位健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)及預(yù)警可行有效。

5 結(jié)論

海底管道在位狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警對(duì)保證海底管道安全運(yùn)行具有重要意義，多年來(lái)一直是世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)之一。但由于受海底管道施工工藝等各種因素影響，其在鋼制海底管道上的應(yīng)用成果較少。

埕島油田海底管道在位監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)研究針對(duì)埕島油田海底管道的服役環(huán)境和退化特點(diǎn)，通過(guò)系統(tǒng)集成、安裝工藝、配套軟件及產(chǎn)品的研究與開(kāi)發(fā)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)埕島油田新建海底管道的在位狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，提出了建立海底管道在位狀態(tài)安全管理的新思路，對(duì)提高埕島油田海底管道的安全具有參考意義。

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Research on monitoring and early warning technology of submarine pipeline in Chengdao Oilfield

CHEN Tongyan1，LIU Jinkun1，TAN Yong1，WANG Baoji1，GUO Haitao1
1.Sinopec Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Dongying 257026，China
2.Offshore OilProduction Plant，Sinopec ShengliOilfield Branch Company，Dongying 257237，China

Chengdao Oilfield is located at the boundary of the Yellow River Estuary and the sea.Partial submarine pipelines surfer from scouring and become hanging which leads to serious pipeline safety hazard.It is a potential threat to the safe production of Chengdao Oilfield.In order to real-time monitor the submarine pipeline and provide the early warning for safety operation，Chengdao Oilfield online monitoring and early warning system based on the distributed optic fiber sensor technique is primarily developed by means of researches on system integrity，installation process，matched software，and successfully applied in new built submarine pipeline.The application results demonstrate that the proposed system can provide online monitoring and early warning for the submarine pipelines.

Chengdao Oilfield；submarine pipeline；online state；distributed optic fiber；monitoring and early warning

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.018

陳同彥（1976-），男，山東平度人，高級(jí)工程師，1999年畢業(yè)于青島海洋大學(xué)工程學(xué)院，主要從事海上石油工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。Email：t-chentongyan.slyt@sinopec.com；dycty@126.com

2016-10-21