海底管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能指標(biāo)的思考

劉洋

中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司 （天津 300452）

1998—2012年，國(guó)內(nèi)公開(kāi)發(fā)表和報(bào)道的海底管道泄漏事故共19起[1]，其中渤海海域發(fā)生10起，黃海海域發(fā)生6起，東海海域3起；天然氣泄漏4起，油品泄漏15起。海底管道擔(dān)負(fù)著海洋原油、凝析油、天然氣、水的輸送任務(wù)，一旦發(fā)生泄漏，會(huì)造成直接經(jīng)濟(jì)損失，以及對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成污染和破壞。因此有必要建立泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖不能減小海底管道發(fā)生泄漏的概率，但是可以降低泄漏的后果，進(jìn)而將海底管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

我國(guó)海底管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)還處于研究階段，暫未大規(guī)模應(yīng)用。目前存在多種海底管道泄漏監(jiān)測(cè)方法，各自具有一定的優(yōu)缺點(diǎn)，然而對(duì)于各種監(jiān)測(cè)方法沒(méi)有統(tǒng)一的指標(biāo)規(guī)范。筆者提出關(guān)于海底管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能指標(biāo)的探討，期望對(duì)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的選用起到一定的借鑒作用。

1 主要性能指標(biāo)

海底管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是發(fā)生泄漏時(shí)及時(shí)報(bào)警；二是泄漏位置準(zhǔn)確定位。在海底管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方面，對(duì)于借助傳感器的外部監(jiān)測(cè)技術(shù)，目前無(wú)統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算類泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)相對(duì)成熟。

由于管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)尚處于研究階段，現(xiàn)在能夠參考的就是美國(guó)石油學(xué)會(huì)API 1130—2012、API 1149—2015、API 1155—1995這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。從API 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以知道，管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不是簡(jiǎn)單重復(fù)生產(chǎn)就可以制造出來(lái)的產(chǎn)品，也不是一次研發(fā)完成就可以大量復(fù)制使用的軟件產(chǎn)品。

API 1130—2012標(biāo)準(zhǔn)中液體管道計(jì)算監(jiān)測(cè)系統(tǒng)明確提出可靠性，準(zhǔn)確性，靈敏性和穩(wěn)健性4項(xiàng)主要性能指標(biāo)[2]，下面就標(biāo)準(zhǔn)中涉及的內(nèi)容進(jìn)行說(shuō)明。

1.1 可靠性

可靠性一般是指泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于管道可能存在泄漏做出準(zhǔn)確判斷的一種能力。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性一般依靠一系列參數(shù)值設(shè)定實(shí)現(xiàn)（如閾值、過(guò)濾特征等），通常管道運(yùn)營(yíng)方需要在誤報(bào)警和漏報(bào)警之間進(jìn)行權(quán)衡?？煽啃砸笙到y(tǒng)對(duì)實(shí)際泄漏做出準(zhǔn)確判斷，不允許出現(xiàn)泄漏而漏報(bào)。

1.2 準(zhǔn)確性

準(zhǔn)確性是指預(yù)測(cè)和報(bào)警之間的一種平衡，即少產(chǎn)生錯(cuò)誤報(bào)警。由于環(huán)境因素的干擾或者評(píng)判閾值的選取不當(dāng)，泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在一定的誤報(bào)率。如果系統(tǒng)誤報(bào)過(guò)于頻繁，會(huì)讓使用人員高度緊張、疲勞，久而久之就會(huì)對(duì)系統(tǒng)棄之不用。因此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的年誤報(bào)率最好保持在個(gè)位數(shù)，能做到每年3～4次誤報(bào)以內(nèi)算是比較滿意的結(jié)果。

1.3 靈敏性

靈敏性主要表征系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)到泄漏的最小量度以及出現(xiàn)泄漏時(shí)報(bào)警的響應(yīng)時(shí)間。

目前對(duì)于小泄漏量，特別是滲漏的監(jiān)測(cè)是比較難突破的技術(shù)難題，也是工程技術(shù)人員亟待解決的問(wèn)題。一般通過(guò)監(jiān)測(cè)方法結(jié)合運(yùn)行參數(shù)綜合分析，要求在泄漏量達(dá)到3%時(shí)，能夠準(zhǔn)確報(bào)警。

海底管道，特別是輸油管道發(fā)生泄漏以后，介質(zhì)會(huì)對(duì)海洋環(huán)境產(chǎn)生破壞。因此要求響應(yīng)時(shí)間盡可能短，最快時(shí)間內(nèi)采取有效措施，將泄漏產(chǎn)生的不良后果降到最低。

1.4 穩(wěn)健性

穩(wěn)健性是指在數(shù)據(jù)丟失或者管道運(yùn)行環(huán)境改變情況下，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠持續(xù)發(fā)揮作用并提供有用信息的能力。海底管道運(yùn)行環(huán)境惡劣，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，維修困難、成本高，因此泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠保持長(zhǎng)期有效是一個(gè)基本要求。

2 次要性能指標(biāo)

除海底管道泄漏監(jiān)測(cè)主要性能指標(biāo)外，一些次要性能指標(biāo)亦對(duì)系統(tǒng)的使用具有舉足輕重的作用，制約著系統(tǒng)的使用[3-4]。

2.1 定位精度

泄漏報(bào)警后，需要準(zhǔn)確定位泄漏位置，海底管道短則幾千米，長(zhǎng)則幾百千米，給找尋泄漏位置帶來(lái)困難。若無(wú)法準(zhǔn)確定位，則延誤維修時(shí)間，造成停產(chǎn)時(shí)間增加，增大損失。

定位精度一般采用兩種計(jì)量方法，一種為固定值，即精度不受管道長(zhǎng)度的影響，僅與監(jiān)測(cè)方法自身有關(guān)，定位精度±500 m為宜；另一種為取管道長(zhǎng)度的百分?jǐn)?shù)值計(jì)，一般取±1%。

2.2 安裝維護(hù)

海底管道平管部分均位于海底，且經(jīng)過(guò)后挖溝處理，掩埋在海床以下。泄漏檢測(cè)系統(tǒng)分析處理一般安裝在平臺(tái)和陸地接收終端，一些傳感器會(huì)沿管道安裝。平臺(tái)位置有限，泄漏監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)占地較小，同時(shí)安裝較為簡(jiǎn)便，不影響正常的海底管道安裝施工工期。

2.3 海洋適用性

某些泄漏監(jiān)測(cè)方法在陸地管道上使用效果很好，但是應(yīng)用到海底管道時(shí)卻起不到作用。一方面是海洋環(huán)境和陸地差別巨大，音波類方法無(wú)法很好地解決噪聲的影響；另一方面海底管道安裝施工方式制約了光纖類方法的應(yīng)用，施工難度高，光纖一旦發(fā)生損壞，維修費(fèi)用難以接受。

2.4 作用范圍

與陸地管道不同的是，海底管道中繼困難，一般都是考慮在管道兩端安裝泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前超過(guò)100 km的海底管道有9條，占比2.68%；超過(guò)50 km的海底管道19條，占比5.65%。50 km長(zhǎng)度以內(nèi)的海底管道占到整體管道的91%以上，首要關(guān)注這類管道能夠覆蓋絕大部分的海底管道。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效作用范圍達(dá)到50 km能夠滿足目前我國(guó)海底管道的最低要求。

2.5 成本費(fèi)用

泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相對(duì)于海底管道建設(shè)本身來(lái)說(shuō)，費(fèi)用占比較小，但是經(jīng)濟(jì)性也是一項(xiàng)重要的考量指標(biāo)。系統(tǒng)費(fèi)用成本需綜合考慮系統(tǒng)建設(shè)、維護(hù)的成本，相對(duì)而言，不額外增加傳感器或監(jiān)測(cè)硬件設(shè)備的監(jiān)測(cè)方法成本較低。光纖監(jiān)測(cè)類方法因?yàn)橐獎(jiǎng)佑么暗荣Y源，對(duì)施工工期也有不同程度的影響，因而費(fèi)用較高。

2.6 使用便捷性

泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否使用方便，或操作復(fù)雜也會(huì)給系統(tǒng)的推廣應(yīng)用帶來(lái)很大的影響。軟件系統(tǒng)盡量做到操作簡(jiǎn)單，同時(shí)不需要借助太多的硬件設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)人員經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的培訓(xùn)就能掌握。

此外，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠覆蓋的海底管道水深范圍、能夠監(jiān)測(cè)的介質(zhì)類型等也是需要考慮的性能指標(biāo)。

3 性能指標(biāo)分析研究

針對(duì)上述10種性能指標(biāo)進(jìn)行分析討論，每種性能指標(biāo)設(shè)定5種等級(jí)，數(shù)值5表示最適合，數(shù)值1表示不適合。參考國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究成果以及海底管道運(yùn)行工況，嘗試給海底管道泄漏監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行初步的評(píng)分分級(jí)[5-8]，見(jiàn)表1，為海底管道泄漏監(jiān)測(cè)方法的選取和應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值和借鑒作用。

經(jīng)過(guò)多年的研究和探索，目前，海底管道泄漏監(jiān)測(cè)方法繁多，總體可以分為內(nèi)部監(jiān)測(cè)法和外部監(jiān)測(cè)法兩大類，下面選取序貫概率法[9]、次聲波法[10]作為其中的代表進(jìn)行詳細(xì)描述。

序貫概率法是一種統(tǒng)計(jì)方法，它是在平衡監(jiān)測(cè)法以及壓力監(jiān)測(cè)法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是目前海底管道應(yīng)用最多的內(nèi)部泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（圖1）。英國(guó)ATMOS公司在這方面處于行業(yè)前列。

次聲波法是依據(jù)管道發(fā)生泄漏時(shí)產(chǎn)生的聲波信號(hào)，通過(guò)次聲波傳感器探測(cè)特定頻率的信號(hào)，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算得到泄漏報(bào)警和定位（圖1）。國(guó)外ASI公司應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)，國(guó)內(nèi)亦有不少企業(yè)開(kāi)展此項(xiàng)技術(shù)的研究工作。

表1 管道泄漏監(jiān)測(cè)性能指標(biāo)研究

圖1 海底管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝

根據(jù)表1中的分析判斷，將泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及到的10項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行打分處理，得到表2所示結(jié)果。

從表2各項(xiàng)性能指標(biāo)的得分可以看出，在現(xiàn)階段，以序貫概率法為代表的內(nèi)部泄漏監(jiān)測(cè)法在作用范圍、成本以及海洋適用性方面具有一定優(yōu)勢(shì)，但是無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確定位，同時(shí)誤報(bào)率較高。而對(duì)于以次聲波法為代表的外部泄漏監(jiān)測(cè)方法，在準(zhǔn)確性和可靠性方面有一定的長(zhǎng)處，但是維護(hù)起來(lái)難度高，作用范圍有限，成本相對(duì)高。綜合比較，計(jì)算類的內(nèi)部泄漏監(jiān)測(cè)方法目前更適合海底管道使用。

表2 不同泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能指標(biāo) /分

4 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了海底管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法，并詳細(xì)分析了各性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的含義及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。分別選取內(nèi)外泄漏監(jiān)測(cè)方法的典型代表進(jìn)行分析研究，為海底管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜合性能指標(biāo)的評(píng)判提供了一定的幫助。

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