光纤预警系统在长输管道完整性管理中的应用
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第 31 卷 第 1 期
石油规划设计
文章编号：1004-2970（2020）01-0009-04
2020 年 1 月
9
张聪* 禹胜阳 李兴涛
（中国石油国际勘探开发有限公司）
张聪 等. 光纤 预警 系统在 长输 管道完 整性 管理中 的应 用. 石油 规划 设计，2020， 31（1）： 9～ 12
摘要 为加强长输管道的完整性管理，有效降低管道安全运行风险，需及时了解管道运行状 态及管道周围的生产活动，以期在危险发生前消除危险源，但目前管道运行监测方法主要以事后 报警为主，不具备预警功能。介绍了一种预警系统即光纤预警系统，以其在非洲中部地区某原油 管道中的应用为例，统计系统监测到的第三方活动信息，分析其类型及在空间和时间上的分布规 律，应用定性风险评价方法识别管道风险程度，提出针对性的风险消减措施，实现了对管道沿线 风险的有效管控。
管道运行过程中面临的风险主要包括第三方损 坏、地质灾害、运行与维护误操作、腐蚀等［6］，管 道运行时期不同，主要的风险源也不同。在管道运 行初期，主要风险来自第三方损坏和误操作。因此， 通过光纤预警系统在运行初期的应用，可以充分掌 握管道沿线第三方活动的规律，为管道的安全运行 提供保障。
自 2011 年投用至 2013 年底，该预警系统记录 的总报警次数 372 件，其中，有效报警事件 370 件， 误报警事件 2 件，无漏报警。从事件类型、空间分 布和时间分布等方面识别风险区域。 2.1.1 第三方活动的类型识别
设起步相对较晚，但截至 2014 年，已有约 60%的现 役油气管道服役超过 20 年［2］。同时，伴随着当地经 济的发展，管道安全越来越多地受到周边生产生活 的影响，管道事故逐年增多，极易造成严重人员伤 亡和重大环境污染事故。
20 世纪 90 年代起，管道运行需兼顾经济性和 安全性的理念逐步得到重视，陆续形成许多管道风 险管理的规范和标准，如 2001 年出台的 API 1160 《有害液体管道系统的完整性》和 ASME B31.8《气 体输送和分配管道系统》。近年来，我国在油气管道 完整性管理方面也有了很大进步，国家和石油企业 先后出台了管道完整性管理相关法规，并在中国石 油西部管道、中国石油西气东输管道和兰-成-渝（兰 州—成都—重庆）成品油管道等工程中得到了执行， 有效降低了管道事故发生率，增强了管道维护的计
2 光纤预警系统在管道完整性管理 中的应用
非洲中部地区某输油管道 A（简称 A 管道）全 长约 300 km，共安装预警单元 8 套、预警管理终端 1 套，于 2011 年投入使用。该管道沿线所处地带属 热带草原气候，每年六月至十月为雨季，十一月至 次年五月为旱季，两季分明；管道沿线经济发展相 对落后，社会依托条件较差，给管道巡检维护带来 了困难，但客观上也表现为管道沿线的第三方活动 较少且活动方式较为固定，为预警系统的应用和提 升创造了良好环境。 2.1 风险识别
第 31 卷 第 1 期
划性，获得了较好的经济效益和社会效益。 管道完整性管理的关键技术及节点主要包括危
害源识别技术、风险评价技术、管道检测技术、实 用性评价技术、地质灾害评估技术及建立失效分析 与失效案例数据库和建立地理信息系统（GIS）等。
光纤预警系统集成了报警事件数据库、风险评 价和 GIS 系统等方面的技术，实现了对管道沿线危 害源的有效识别，协助管道运行人员及时防止危害 的发生，确保了管道的完整性。以预警系统在非洲 某管道的应用为例，评述其在完整性管理中的应用 效果。
传感光纤末端首端光纤预警单元区域监控中心预警管理终端信号传输光纤图1光纤预警系统工作原理第31卷第1期石油规划设计2020年1月11表1报警事件类型及报警级别报警事件类型报警次数次所占比例报警级别站内大型设备启停113一级报警1次三级报警10次车辆碾压205一级报警3次二级报警4次三级报警13次一级报警均由管道巡检车辆沿管廊带行驶造成14次报警为管道巡检车行驶6次报警为当地车辆行驶机械施工5214一级报警3次二级报警4次三级报警45次一二级报警均由管道沿线有组织的施工造成27次报警为管道沿线的计划施工25次报警为当地施工雨水冲刷6117二级报警1次三级报警60次居民生产10428均为三级报警动物迁徙12233均为三级报警212第三方活动的时空分布a管道经过地域的经济落后人口分布较少且相对集中因此第三方活动分布呈现点状分布规律
随着管道服役时间的增长和地区经济的发展， 管道事故的发生呈上升趋势。根据美国 OPS（管道 安全办公室）公布的统计数据，自 1985 年至 1992 年，美国共发生管道失效事件 3 495 起，平均每年 约 437 起；自 1993 年至 2012 年，共发生管道泄漏 事件 10 443 起，平均每年约 522 起［1］。我国管道建
关键词 光纤预警系统 完整性管理 长输管道 风险评价 应用分析
中图分类号：TE88，TP212.1＋4 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1004-2970.2020.01.003
0 引言
相比于船运、车运等运输方式，管道运输更为 经济和安全，因此，管道运输目前已被广泛应用于 原油、成品油和天然气等能源输送领域。油气长输 管道在服役期间，第三方损坏、管道设备腐蚀、地 质灾害和误操作等因素会引起管道失效，易造成人 员伤亡和环境污染。
报警信号模式包括散射型分布式光纤传感、干 涉型分布式光纤传感等。散射型分布式光纤传感模 式利用光纤的一维几何特性，将信号传输与传感媒 质合二为一，利用光脉冲在光纤传输时产生的不同 散射光信号来进行检测。干涉型分布式光纤传感模 式通过光纤受到物理场影响从而导光相位产生延迟 而改变输出光强，进而利用光波干涉实现相位调节 来获得包含在光波相位中的参数信息。该预警系统 采用支持向量机方法，可有效识别各种触发报警事 件的信号模式［5］。
1 光纤预警系统工作原理
光纤预警系统是利用与管道同沟敷设的通信光 缆构成基于光纤干涉仪原理的分布式震动信号传感 器，获取管道沿途的震动信号，实现对长距离管道 上方及周围 5 m 范围内动土事件进行实时连续监测 的一种预警系统［3］。光纤预警系统工作原理见图 1。
光纤预警单元
区域监控中心
预警管理终端
信号传输光纤 首端
* 张聪，男，工程师。2017 年毕业于中国地质大学（北京），获硕士学位。现在中国石油国际勘探开发有限公司，从事原油管道运行管理工作。地址：
北京市西城区阜成门北大街 6 号-1，100034。E-mail：zhangcong@
10 2020 年 1 月
张聪等：光纤预警系统在长输管道完整性管理中的应用
传感光纤
末端
图 1 光纤预警系统工作原理
光纤预警系统由传感光纤、预警单元、预警管 理终端和区域监控中心组成。管道沿线震动信号被 传感光纤捕获后，经预警单元反馈至预警管理终端， 由终端分析处理后显示报警信息，并将数据上传至 区域监控中心，运行人员通过区域监控中心实时监 控、查询各类报警信息并采取应对措施［4］。
石油规划设计
文章编号：1004-2970（2020）01-0009-04
2020 年 1 月
9
张聪* 禹胜阳 李兴涛
（中国石油国际勘探开发有限公司）
张聪 等. 光纤 预警 系统在 长输 管道完 整性 管理中 的应 用. 石油 规划 设计，2020， 31（1）： 9～ 12
摘要 为加强长输管道的完整性管理，有效降低管道安全运行风险，需及时了解管道运行状 态及管道周围的生产活动，以期在危险发生前消除危险源，但目前管道运行监测方法主要以事后 报警为主，不具备预警功能。介绍了一种预警系统即光纤预警系统，以其在非洲中部地区某原油 管道中的应用为例，统计系统监测到的第三方活动信息，分析其类型及在空间和时间上的分布规 律，应用定性风险评价方法识别管道风险程度，提出针对性的风险消减措施，实现了对管道沿线 风险的有效管控。
管道运行过程中面临的风险主要包括第三方损 坏、地质灾害、运行与维护误操作、腐蚀等［6］，管 道运行时期不同，主要的风险源也不同。在管道运 行初期，主要风险来自第三方损坏和误操作。因此， 通过光纤预警系统在运行初期的应用，可以充分掌 握管道沿线第三方活动的规律，为管道的安全运行 提供保障。
自 2011 年投用至 2013 年底，该预警系统记录 的总报警次数 372 件，其中，有效报警事件 370 件， 误报警事件 2 件，无漏报警。从事件类型、空间分 布和时间分布等方面识别风险区域。 2.1.1 第三方活动的类型识别
设起步相对较晚，但截至 2014 年，已有约 60%的现 役油气管道服役超过 20 年［2］。同时，伴随着当地经 济的发展，管道安全越来越多地受到周边生产生活 的影响，管道事故逐年增多，极易造成严重人员伤 亡和重大环境污染事故。
20 世纪 90 年代起，管道运行需兼顾经济性和 安全性的理念逐步得到重视，陆续形成许多管道风 险管理的规范和标准，如 2001 年出台的 API 1160 《有害液体管道系统的完整性》和 ASME B31.8《气 体输送和分配管道系统》。近年来，我国在油气管道 完整性管理方面也有了很大进步，国家和石油企业 先后出台了管道完整性管理相关法规，并在中国石 油西部管道、中国石油西气东输管道和兰-成-渝（兰 州—成都—重庆）成品油管道等工程中得到了执行， 有效降低了管道事故发生率，增强了管道维护的计
2 光纤预警系统在管道完整性管理 中的应用
非洲中部地区某输油管道 A（简称 A 管道）全 长约 300 km，共安装预警单元 8 套、预警管理终端 1 套，于 2011 年投入使用。该管道沿线所处地带属 热带草原气候，每年六月至十月为雨季，十一月至 次年五月为旱季，两季分明；管道沿线经济发展相 对落后，社会依托条件较差，给管道巡检维护带来 了困难，但客观上也表现为管道沿线的第三方活动 较少且活动方式较为固定，为预警系统的应用和提 升创造了良好环境。 2.1 风险识别
第 31 卷 第 1 期
划性，获得了较好的经济效益和社会效益。 管道完整性管理的关键技术及节点主要包括危
害源识别技术、风险评价技术、管道检测技术、实 用性评价技术、地质灾害评估技术及建立失效分析 与失效案例数据库和建立地理信息系统（GIS）等。
光纤预警系统集成了报警事件数据库、风险评 价和 GIS 系统等方面的技术，实现了对管道沿线危 害源的有效识别，协助管道运行人员及时防止危害 的发生，确保了管道的完整性。以预警系统在非洲 某管道的应用为例，评述其在完整性管理中的应用 效果。
传感光纤末端首端光纤预警单元区域监控中心预警管理终端信号传输光纤图1光纤预警系统工作原理第31卷第1期石油规划设计2020年1月11表1报警事件类型及报警级别报警事件类型报警次数次所占比例报警级别站内大型设备启停113一级报警1次三级报警10次车辆碾压205一级报警3次二级报警4次三级报警13次一级报警均由管道巡检车辆沿管廊带行驶造成14次报警为管道巡检车行驶6次报警为当地车辆行驶机械施工5214一级报警3次二级报警4次三级报警45次一二级报警均由管道沿线有组织的施工造成27次报警为管道沿线的计划施工25次报警为当地施工雨水冲刷6117二级报警1次三级报警60次居民生产10428均为三级报警动物迁徙12233均为三级报警212第三方活动的时空分布a管道经过地域的经济落后人口分布较少且相对集中因此第三方活动分布呈现点状分布规律
随着管道服役时间的增长和地区经济的发展， 管道事故的发生呈上升趋势。根据美国 OPS（管道 安全办公室）公布的统计数据，自 1985 年至 1992 年，美国共发生管道失效事件 3 495 起，平均每年 约 437 起；自 1993 年至 2012 年，共发生管道泄漏 事件 10 443 起，平均每年约 522 起［1］。我国管道建
关键词 光纤预警系统 完整性管理 长输管道 风险评价 应用分析
中图分类号：TE88，TP212.1＋4 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1004-2970.2020.01.003
0 引言
相比于船运、车运等运输方式，管道运输更为 经济和安全，因此，管道运输目前已被广泛应用于 原油、成品油和天然气等能源输送领域。油气长输 管道在服役期间，第三方损坏、管道设备腐蚀、地 质灾害和误操作等因素会引起管道失效，易造成人 员伤亡和环境污染。
报警信号模式包括散射型分布式光纤传感、干 涉型分布式光纤传感等。散射型分布式光纤传感模 式利用光纤的一维几何特性，将信号传输与传感媒 质合二为一，利用光脉冲在光纤传输时产生的不同 散射光信号来进行检测。干涉型分布式光纤传感模 式通过光纤受到物理场影响从而导光相位产生延迟 而改变输出光强，进而利用光波干涉实现相位调节 来获得包含在光波相位中的参数信息。该预警系统 采用支持向量机方法，可有效识别各种触发报警事 件的信号模式［5］。
1 光纤预警系统工作原理
光纤预警系统是利用与管道同沟敷设的通信光 缆构成基于光纤干涉仪原理的分布式震动信号传感 器，获取管道沿途的震动信号，实现对长距离管道 上方及周围 5 m 范围内动土事件进行实时连续监测 的一种预警系统［3］。光纤预警系统工作原理见图 1。
光纤预警单元
区域监控中心
预警管理终端
信号传输光纤 首端
* 张聪，男，工程师。2017 年毕业于中国地质大学（北京），获硕士学位。现在中国石油国际勘探开发有限公司，从事原油管道运行管理工作。地址：
北京市西城区阜成门北大街 6 号-1，100034。E-mail：zhangcong@
10 2020 年 1 月
张聪等：光纤预警系统在长输管道完整性管理中的应用
传感光纤
末端
图 1 光纤预警系统工作原理
光纤预警系统由传感光纤、预警单元、预警管 理终端和区域监控中心组成。管道沿线震动信号被 传感光纤捕获后，经预警单元反馈至预警管理终端， 由终端分析处理后显示报警信息，并将数据上传至 区域监控中心，运行人员通过区域监控中心实时监 控、查询各类报警信息并采取应对措施［4］。