输油管线安全运行监测
解决方案
上海光子光电传感设备有限公司
1系统设计简析
1.1项目背景
翻阅最近出版的管道科技刊物和国际管道会议文件，可以发现“管道完整性管理”已成为一个“热门话题”。由于保持管道完好，以避免对人身安全和财产造成重大威胁乃至保护生态环境具有重要意义，管道安全越来越引起世界各国石化行业的重视。
管道的完整性管理PIM（Pipeline Integriy Management）定义为：管道公司通过根据不断变化的管道因素，对油气管道运营中面临的风险因素的识别和技术评价，制定相应的风险控制对策，不断改善识别到的不利影响因素，从而将管道运营的风险水平控制在合理的、可接受的范围内，建立以通过监测、检测、检验等各种方式，获取与专业管理相结合的管道完整性的信息，对可能使管道失效的主要威胁因素进行检测、检验，据此对管道的适应性进行评估，最终达到持续改进、减少和预防管道事故发生、经济合理地保证管道安全运行的目的。
管道完整性管理涉及内在和外在两方面的诸多问题。内在问题涉及管道自身老化（设计寿命一般为30年），年久失修，致使管壁因腐蚀、磨蚀而变薄；或因存在诸如屈曲、擦伤、压痕和焊缝烧穿及环向裂纹等缺陷；或因气体含硫化氢和二氧化碳等腐蚀性成分；或因疲劳腐蚀和氢致裂纹腐蚀，都可引发管子破裂。氢致裂纹最为可怕，国外文献称之为管道上的“艾滋病”。外在因素是指因第三方施工而导致的管道破坏，以及人为的恶意破坏，我国某些地方甚至出现了“打孔盗油盗气”的案例。
以美国主要成品油管道公司柯罗尼尔管道公司的管道重大柴油泄漏事件为例，96年直径36英寸成品油管道破裂，成百万加仑的柴油倾泻到南卡罗来纳州的里德河中，虽然其后进行了大规模的回收工作，但除去巨大的经济损失外，还给人们心理和周围生态环境留下了巨大的创伤和无法弥补的教训。
作为管线完整性管理最基础的一环就是要对管线完整性进行实时在线的监测，及时发现管线裂纹等故障，并给出告警信号。众所周知，管线一旦发生腐蚀
或者裂纹，其应变必然发生变化，以管线应变为监测对象，可以实现管线完整性的监测。
对于结构应变的测量，传统上广泛采用的是应变片技术。但由于石油天然气管道短则几十公里，长则数百、上千公里，它们或者被埋在地下，或者经过气候恶劣的无人区，地下潮湿的环境，以及周围环境湿度、温度的无常变化都对应变片采集的电信号产生极大的干扰，甚至提供错误的信息。更糟的是，应变片只有一厘米左右长（我们称为“点”式传感器），它只能探测及其狭窄一段（点）油气管道的应变变化，相对于数百、上千公里的油气管道，要么只探测少数几段油气管道，而漏掉绝大多数油气管道的检测；要么安装成千上万个应变片，这在经济上会极其昂贵，技术上也不可行。
最新的分布式光纤应变监测系统，提供了几近完美的探测性能。光纤分布式应变监测系统相比其他探测手段，这一新兴的线型应变监测手段正逐渐为各个领域的用户广为接受，石化油气管道由于其易燃易爆、线性结构的特点就更为适用。
1.2系统目标
石化油气管线完整性监测——分布式光纤监测系统必须保证：
(1)油气管道应变的实时监测；
(2)根据实际需要情况，在管道布设传感光纤，实现全方位分布式监测；
(3)准确定位应变异常点位置，显示异常或者事故时的应变状态；
(4)通过辅助软件分析光纤分布式监测系统所探测到整条管线的应变分布，并提供存储、查询等功能。
通过对油气管线应变在线进行监测可以及时解决问题，避免事故的发生，是实现“管道完整性管理”的重要工作之一。
2系统总体设计方案
2.1系统主要应用
分布式光纤应变/温度监测系统（DSTS）对油气管线完整性监测的应用主要
体现在以下几个方面：
一．对油气管道腐蚀的检测。当用油气管道对原油进行输送时，原油中的泥沙对油气管道的内壁磨损是不可避免的，油气中的化学成分加速了对磨损的金属管壁的腐蚀。当管壁腐蚀到一定程度，油气管道中的内压就会导致薄壁处的爆裂。OZ公司中报道了用DSTS成功地检测出管壁腐蚀面积小至1.3厘米x10厘米、腐蚀深度为管壁的50%和60%的结构缺陷，并可以鉴别出它们的差别（见参考文献1）。
二．对油气管道屈曲的检测。由于油气管道埋于地下，并经常通过气候恶劣的地段。气候的变化无常引起地层的移动，增加了埋于地下的油气管道随之移动的可能性。再则，过去的几十年间，石油和天然气管道的工作温度和内压急剧增加。这种变化，连同使用大口径管道的趋势，已经增加了这些管道因更大的轴向载荷产生屈曲的机率。如果管道因为磨擦受到抑制而无法自由扩展，则管道将承受一个轴向压缩载荷。如果由此而引起的管道施加在土被上的作用力超过了由于管道地下部分的重量、管道抗弯刚度和土被重量而产生的抑制力，则管道将趋于移动，随之而来的是管道可能出现相当大的位移。管道移位将对轴向力沿管道进行再分布，这将导致管道的某些位置张力增大，某些位置压力增大。同样地，这还会导致管道的弯曲增大。管道的弯曲增大将使得管道横截面的一半部分出现张应变，而另一半则出现压应变。过大的张应变将导致管道断裂，尤其是在管道的焊缝处。大的压应变可能导致屈曲，通常伴随有皱纹，这些皱纹会因为材料疲劳或过度屈服而破裂。参考文献2报道了用DSTS成功地预测出油气管道屈曲将要发生的准确位置，随后发生的肉眼可见的油气管道屈曲与他的预测完全吻合。
三．对油气管道人为破坏的检测。这里针对两种可能情况，有两种不同的解决方案。第一种方案：由于油气管道短则几十公里，长则数百、上千公里，因此通常是沿着管道纵向铺设一根或数根光纤。如果人为破坏处正好就在光纤所在处，光纤必然断裂。OZ公司的DSTS最快在毫秒量级就能准确地检测到油气管道的人为破坏处。第二种方案，如果人为破坏处不在光纤所在处，光纤完好无损，这样DSTS仍能工作。油气管道人为破坏引起的油气泄漏，必然引起管道应变和温度的微小变化。
2.2现场设备布置
传感光缆的布置必须结合油气管线的特点，根据实际工程需要、从全方位监测、安装便利上通盘考虑。
本方案所采用的光纤分布式应变监测系统，能将油气管线轴向任意位置的应变实时显示出来，并连接到管线完整性管理信息网，做到预防为主。一旦发现所测量的油气管线应变值超过标准设定报警应变时，DSTS把实时报警信号送到报警主机，报警控制主机随后将发出声光报警并显示，同时把报警信号上传至管线完整性管理中心。
图1给出了一个利用DSTS对油气管线完整性进行实时监测的系统布置示意图。DSTS 主机放置在控制室，同时原始的温度数据可以在本机或远程提取与查看。DSTS通过多种输出方式将所探测的管线应变信号反馈给管线管理中心，传感光缆可进行分区，分别设置报警应变。
图1 系统布置示意图
