基于海底管道泄漏次聲波監(jiān)測技術(shù)的試驗研究

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)測技術(shù)。為驗證泄漏監(jiān)測技術(shù)的性能和達(dá)到預(yù)期的效果，需要進(jìn)行大量的試驗工作。

1 海底管道泄漏監(jiān)測的理論研究

目前，管道泄漏監(jiān)測方法可以分為內(nèi)部監(jiān)測法和外部監(jiān)測法兩大類。內(nèi)部監(jiān)測法主要包括基于模型的方法、壓力梯度法、壓力點分析法、負(fù)壓波法、流量平衡法、次聲波法等，外部監(jiān)測方法主要包括光纖監(jiān)測法、氣體成像法、氣體監(jiān)測法等。其中，泄漏次聲波監(jiān)測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，會產(chǎn)生強(qiáng)度較大的次聲波信號，管道泄漏次聲波監(jiān)測系統(tǒng)正是通過采集、分析管道泄漏時產(chǎn)生的次聲波信號，實現(xiàn)泄漏報警和泄漏點的定位[3]。因此，基于泄漏次聲波的監(jiān)測方法在長輸管道的泄漏監(jiān)測方面有其獨特的優(yōu)勢，將基于次聲波的泄漏監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于管道泄漏監(jiān)測及泄漏點定位具有很好的發(fā)展前景[4]。

泄漏點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，泄漏點位置為C，A與C之間的間距為x，同一泄漏的次聲波信號從C點傳到A點用時為t1，從C點傳到B點用時為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、末站傳感器的時間差值，則泄漏點C的位置表達(dá)式為：

2 模擬管道泄漏試驗研究

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

2.1 室內(nèi)試驗環(huán)道試驗

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

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

圖1 室內(nèi)試驗環(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個前置放大器、2個信號轉(zhuǎn)換器以及2個防爆套管組成，數(shù)據(jù)傳輸模塊由3個信號收發(fā)器構(gòu)成，數(shù)據(jù)處理模塊由1個終端服務(wù)器以及泄漏監(jiān)測系統(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點鐘、9點鐘以及12點鐘3個方向。

泄漏測試試驗分為兩大部分進(jìn)行，分別是管輸介質(zhì)為液體介質(zhì)下的試驗和管輸介質(zhì)為氣體狀態(tài)下的試驗。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，分別在管道首端、中部和末端的3個泄放口進(jìn)行測試，目的是檢測泄漏監(jiān)測系統(tǒng)能否及時發(fā)出泄漏報警并判斷出泄漏點的位置。

圖2 泄放擋板

圖3 側(cè)球閥搭配泄放擋板實物照片

對于空氣介質(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動態(tài)壓力條件下，依次試驗泄放孔徑為2、1、0.5、0.1 mm時的報警情況。泄漏位置均能報警，其中，壓力1.4 MPa、泄漏孔徑0.5 mm工況下的試驗結(jié)果如圖4所示，0.2～0.4 MPa、1 mm泄漏孔徑試驗結(jié)果如圖5所示。穩(wěn)定壓力條件下定位精度±20 m；動態(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泄漏孔徑試驗結(jié)果

圖5 0.2～0.4 MPa、1 mm泄漏孔徑試驗結(jié)果

對于水介質(zhì)而言，0.8 MPa、1 mm泄漏孔徑時，部分報警；0.4 MPa、1 mm泄漏孔徑時，無明顯信號；0.2 MPa、3 mm泄漏孔徑時，無明顯信號。為了保證管道壓力接近實際工況，使用水泵供水的方式同時也引入了明顯的噪聲，水泵產(chǎn)生的噪聲信號會在試驗進(jìn)行過程中沿管壁傳至聲波傳感器，這與實際工程應(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)生的低頻信號極容易被淹沒，且噪聲信號與泄漏信號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。

在試驗中模擬兩處及兩處以上泄漏情況時能夠報警，但無法定位。

2.2 大尺寸環(huán)道試驗

采用10 in（1 in=25.4 mm）試驗環(huán)道（見圖6），規(guī)格為Φ273.1 mm×12.7 mm，總長251.5 m，測試管段全長700 m，設(shè)計運行最高壓力3 MPa，該試驗管段沿線共設(shè)有兩個泄漏點，分別距起點音波傳感器100 m、500 m。

圖6 大尺寸試驗環(huán)道

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

因為試驗環(huán)道安裝條件限制，次聲波傳感器安裝在9點鐘方向，按一定的角度傾斜向上安裝。

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

在首、末站測試，測試信號經(jīng)小波濾波、集合經(jīng)驗?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信號識別，可以有效判別、篩選出所有測試信號。測試信號強(qiáng)度隨測試孔徑減小（7、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時相對其他孔的徑信噪比較低，泄漏孔徑為3 mm的泄漏信號處理后（見圖7），定位效果不理想。

圖7 3 mm泄放孔徑信號處理圖

2.3 海底管道模擬泄漏試驗

采用某海底管道進(jìn)行模擬泄漏試驗，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個次聲波傳感器、2個前置放大器、2個信號轉(zhuǎn)換器組成，數(shù)據(jù)傳輸模塊由2個信號收發(fā)器構(gòu)成，數(shù)據(jù)處理模塊由1個終端服務(wù)器以及泄漏監(jiān)測系統(tǒng)軟件構(gòu)成。

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

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

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

3 結(jié)束語

次聲波泄漏監(jiān)測技術(shù)對于單相介質(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，與實際工程應(yīng)用的經(jīng)驗基本一致。

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

實驗室條件下，工況相對簡單，管道長度較短，數(shù)據(jù)分析處理簡單。對于實際海底管道來說，工況復(fù)雜，管道距離長，應(yīng)在安裝位置設(shè)計、硬件選型、軟件設(shè)計等方面進(jìn)行完善，以進(jìn)一步提升海底管道泄漏次聲波監(jiān)測技術(shù)的適用性。