劉健
(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)
原油(天然氣)輸送管道是油氣田生產(chǎn)的生命線,如果管道發(fā)生穿孔,將會導致環(huán)境污染等一系列不良后果,同時巡線、停產(chǎn)、搶險、補漏,需花費大量的人力、物力、時間,因此造成的經(jīng)濟損失巨大。如果采取先進的科技手段,對輸油(氣)管道進行實時監(jiān)測,迅速準確地判斷出泄漏位置,就能使突發(fā)事件得到及時處理,使損失降到最低限度,并對不法分子形成強大的震懾和遏制作用,從而確保國家財產(chǎn)免受損失,對保障油田生產(chǎn)的正常運行具有重大意義。
管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)主要分為三種類型: 基于內(nèi)部參數(shù)的監(jiān)測方法、基于外部探測的監(jiān)測方法、定期泄漏測試的監(jiān)測方法。這三種類型中均存在連續(xù)監(jiān)測與非連續(xù)監(jiān)測的方法,本文將主要研究實時連續(xù)監(jiān)測的管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)?,F(xiàn)有的管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)具有以下特性:
1)管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)只適用于某范圍內(nèi)的泄漏量的監(jiān)測,對于滲漏工況不適用,對于爆裂工況也不適用。
2)管道所處的地理位置不同、輸送的介質(zhì)不同,都可以進行泄漏監(jiān)測,只是泄漏監(jiān)測系統(tǒng)應用的原理不同。
3)沒有一種泄漏監(jiān)測方法可適用于所有管道,為有效地監(jiān)測管道在各種工作狀態(tài)下的泄漏,建議使用內(nèi)部或外部相結(jié)合的監(jiān)測技術(shù)手段。
4)由于監(jiān)測的原理不同、泄漏監(jiān)測的方法不同、選取參數(shù)不同、管道工況也不同,因此不同管道適用的泄漏監(jiān)測的上、下限也不同,目前沒有統(tǒng)一的界定范圍。
2.1.1 API 1175—2015PipelineLeakDetection—ProgramManagement
API 1175—2015PipelineLeakDetection—ProgramManagement的6.4節(jié)和6.5節(jié)中指出,管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)需要考慮管道的特性、泄漏量等級以及流體介質(zhì)等因素,從而判別泄漏監(jiān)測系統(tǒng)能否適用于該管道。該標準關(guān)于泄漏等級的分類見表1所列。
表1 泄漏等級分類
注: √—很可能探測;○—可能探測;×—不可能探測。
根據(jù)表1的描述,每種泄漏監(jiān)測方法并不能覆蓋所有時刻、所有類型的泄漏監(jiān)測。設計管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)之前,首先應明確可接受的泄漏等級,而泄漏監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的泄漏等級,通常為中等泄漏或者微小泄漏。
2.1.2 SY/T 6826—2011《液體管道的計算監(jiān)測》
該標準附錄A中規(guī)定:“管道計算監(jiān)測(CPM)是一個在其能力范圍內(nèi)用來探測泄漏的管道工具。它能探測到管輸物漏失或者疑似泄漏的水力異?,F(xiàn)象。同其他工具相似,CPM系統(tǒng)只能用于特定用途,并且也有被限制的地方。限制是多方面的因素”。該標準中關(guān)于CPM的閾值劃分如圖1所示。
圖1 CPM閾值劃分示意
圖1所示的管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)有效范圍存在規(guī)定上限和規(guī)定下限,高于規(guī)定上限的泄漏量對于有經(jīng)驗的操作人員可直接發(fā)現(xiàn),而低于規(guī)定下限的泄漏量則無法被監(jiān)測。
1)油管道。API 1130—2002ComputationalPipelineMonitoringforLiquidPipelines與SY/T 6826—2011中,均明確了泄漏監(jiān)測系統(tǒng)可以適用于單相液體管道,但流體應是完全液相或同質(zhì)混合相。
2)氣管道。CSA Z662—2007OilandGasPipelineSystem與API 1149—2015PipelineVariableUncertaintiesandTheirEffectsonLeakDetectability中,也分別定義了泄漏監(jiān)測系統(tǒng)可以應用于氣體管道。
1)SY/T 6826—2011中1.4節(jié)指明了泄漏監(jiān)測系統(tǒng)所在管道的地理位置,該標準主要用于陸上和海洋干線管道系統(tǒng)。
2)API 1130—2002中1.4節(jié)注明了泄漏監(jiān)測系統(tǒng)所在管道可以位于陸地或海洋,也可適用于其他管道系統(tǒng)。
3)CSA Z662—2007中1.2節(jié)規(guī)定了泄漏監(jiān)測系統(tǒng)應用范圍,包括石油工業(yè)流體、海上管道、陸上管道、油庫和泵站等。
海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設計,應滿足以下監(jiān)測性能:
1)靈敏性。當海底管道發(fā)生泄漏時,能及時做出響應。
2)準確性。當海底管道發(fā)生泄漏時,能準確地找到泄漏源。
3)可靠性。應能適用于海洋環(huán)境或海底工況,系統(tǒng)出現(xiàn)誤報警的概率要低于標準規(guī)定的數(shù)值。
4)魯棒性。當通信信號出現(xiàn)中斷或在數(shù)據(jù)丟失的情況下,系統(tǒng)能保存數(shù)據(jù)并提供有用的信息。
5)實時性。當數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)受限或傳輸帶寬不高時,泄漏監(jiān)測系統(tǒng)應能做到實時監(jiān)測分析。
6)連續(xù)性。在管道輸送介質(zhì)過程中或管道停工狀態(tài)下,泄漏監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)監(jiān)測管道的運行狀態(tài)。
管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)目前是比較成熟的監(jiān)測技術(shù),但考慮到海洋環(huán)境或海底工況的特殊性,通過查閱收集到的海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)應用案例,對適用于海底油氣管道實時在線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的原理方法進行歸類、總結(jié)。
3.2.1 基于外部的泄漏監(jiān)測方法
1)分布式光纖傳感監(jiān)測法。該方法適用于新建管道,當激光在光纖中發(fā)生散射時,通過對比與溫度變化有關(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,并通過反射光的傳播時間和折射率可以計算出距離,從而實現(xiàn)準確定位。
2)傳感器電纜法。該方法也適用于新建管道,電纜與管道平行鋪設時,當泄漏的物質(zhì)滲入電纜后會引起電纜特性的變化;液態(tài)天然氣管道以及黏油、海底等加熱輸送管道的泄漏,會引起周圍環(huán)境溫度的變化,但對于“快速”泄漏,檢測受制于電纜的電壓、電流,該方法對于管道總長度的限制為15 km以內(nèi)、管道埋深限制在15 m以內(nèi)。在國內(nèi),該監(jiān)測方法相對應用較少,尚無成熟案例。
3)聲波/負壓波法。該方法適用于海底管道上岸部分,當管道發(fā)生泄漏時,泄漏處物質(zhì)損失造成壓力突然下降,壓降由泄漏處向上、下游傳播,稱之為負壓波。利用負壓波,通過上、下游測量點的時間差,以及負壓波在管道中的傳播速度可以確定泄漏位置。在國內(nèi)成品油管道項目中,該監(jiān)測方法已有多個實際應用案例
3.2.2 基于內(nèi)部的泄漏監(jiān)測方法
1)管道平衡法。監(jiān)測方法基于輸入和輸出測量值之間的不平衡,該種不平衡在1個選定的時間間隔內(nèi)(如15 min~24 h)與預先設定的報警閾值不一致,從而探測不同大小的管輸物漏失。
2)實時瞬態(tài)模型法。通過模型軟件,將模擬結(jié)果與測量數(shù)據(jù)進行比較,先將管道的(管長、管徑、走向、內(nèi)部粗糙度等)物理參數(shù)、流體物性(流量、黏度)、溫度壓力等預先輸入到模型軟件中,根據(jù)軟件中管道的配置,以及主要輸入和輸出點的現(xiàn)場流量、壓力、溫度和密度輸入數(shù)據(jù),通過軟件建立實時瞬態(tài)水利模型。該模型可在系統(tǒng)瞬態(tài)變化過程中,對整個管道系統(tǒng)的流體動態(tài)特征值進行模擬,最后再將相應的模擬結(jié)果與管道的測量數(shù)據(jù)進行比較,判別是否發(fā)生了泄漏,該監(jiān)測方法已在南海西部某氣田投入使用。
3)壓力/流量監(jiān)測法。依靠質(zhì)量守恒定律,沒有泄漏時進入管道的質(zhì)量流量和流出管道的質(zhì)量流量是相等的,如果出現(xiàn)進入流量大于流出流量,就可以判斷出管道中間有泄漏點。壓力/流量泄漏監(jiān)測原理如圖2所示,目前該監(jiān)測方法已在南海東部某油田取得了良好的應用效果。
圖2 壓力/流量泄漏監(jiān)測原理示意
管道所處的地理位置不同、輸送的介質(zhì)不同,泄漏監(jiān)測應用的原理也不同,但采用不同監(jiān)測原理的海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)各有其特點,海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的對比見表2所列。
表2 海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)對比
本文主要介紹了泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的類型,并重點說明了海底管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的選型設計方法。本文不僅為后續(xù)海底管道建設項目提供了工程設計指導,同時還為生產(chǎn)作業(yè)人員對管道的運行狀態(tài)與維護提供了可借鑒的指導方法:
1)泄漏監(jiān)測方法應考慮結(jié)合兩種及以上方法,實現(xiàn)優(yōu)勢互補、相互印證的作用,減少誤報。
2)對于海底管道,應優(yōu)先選用基于內(nèi)部的CPM方法,其次選基于外部的CPM方法。
3)對于多進、多出的管道,壓力/流量監(jiān)測法與聲波/負壓波法不完全適用,推薦使用實時瞬態(tài)模型法。
4)對于純液體管道,壓力/流量監(jiān)測法與聲波/負壓波法相對可靠,但音波測漏系統(tǒng)存在固有的監(jiān)測距離短等缺點,不適用于長輸管道。
5)對于輸氣管道,音波測漏系統(tǒng)易受環(huán)境噪聲干擾,不推薦使用。
6)對于小于1%的泄漏,管道平衡法與壓力/流量監(jiān)測法一般無法監(jiān)測。
7)對于超過40 km的管道,聲波/負壓波法測量精度隨著管道長度的增加而降低。
8)對于超過15 km的管道,傳感器電纜法不適用。
9)對于超過50 km的管道,分布式光纖傳感監(jiān)測法需要布置多個光纖傳感單元。
10)對于超長管道,實時瞬態(tài)模型法監(jiān)測精度隨著管道長度的增加而降低。