先進OTDR型分布式光纖傳感器及其在油氣管道在線監(jiān)測應用

1、先進 otdr 型分布式光纖傳感器及其在油氣管道在線監(jiān)測應用涂勤昌，韋波，史訓兵（浙江中欣動力測控技術有限公司，浙江寧波315010）摘要 ：介紹了兩種可實現50100 公里測量距離的先進otdr 型分布式光纖傳感器：布里淵光時域分析儀botda和分布式聲音傳感器das ，給出他們的測量原理和技術優(yōu)勢。闡述了這兩種傳感器在油氣管道綜合在線監(jiān)測的具體應用，并介紹了國內外成功應用案例，表明botda和 das 可實現油氣管線多參量分布式測量和多事件準確定位，將有效保障長輸油氣管道運營安全。關鍵詞： 分布式光纖傳感 botda das 油氣管道在線監(jiān)測1 引 言石油天然氣管道輸送是我國第五大運輸方式

2、，具有安全、高效、低耗等優(yōu)點，對保障能源安全和經濟發(fā)展具有重要意義。油氣管道距離長、且多埋藏于地下，地質環(huán)境復雜；并且在用油氣管道中有相當部分服役時間超過20 年，東部部分管網甚至超過30 年，已步入事故高發(fā)期。油氣管道長期服役后會因腐蝕、地形沉降、管材及施工質量、機械施工及人為破壞等原因發(fā)生失效事故，特別是近些年因惡意打孔盜油（氣） 和非法施工造成的管道安全事故常有發(fā)生14。由于油氣管道都是高壓運行，輸送介質易燃、易爆并具有毒性，一旦發(fā)生事故極易造成重大經濟損失、人員傷亡和環(huán)境污染，因此油氣管道的安全在線監(jiān)測尤顯重要。早期，油氣管道的安全監(jiān)測主要以人工巡護為主。隨著測量技術的發(fā)展和自動化監(jiān)測

3、需要，油氣管道工程逐漸開始采用在線監(jiān)測技術，主要以泄漏監(jiān)測和打孔監(jiān)測為主，采用的方法主要有質量平衡法、負壓波法、音波法、應力波法和瞬態(tài)模型法等24。近些年，以mach-zehnder 、sagnac 干涉儀為代表的分布式光纖振動傳感技術應用于油氣管道工程，它直接利用與管道同溝敷設的通信光纜或者傳感光纜作為傳感器，測量距離長、 本質安全， 可以實現挖掘、機械施工以及泄漏等事件預警，并精確定位，技術優(yōu)勢顯著。但受測量原理所限， mach-zehnder、 sagnac 干涉儀僅可實現單一振動事件的定位，對管道沿線多個振動事件將無法定位。 充分發(fā)揮分布式光纖傳感技術的獨特優(yōu)勢，并實現多參量測量和多事

4、件準確定位將有效提升長輸油氣管道安全監(jiān)測技術水平。2 先進 otdr 型分布式光纖傳感器測量原理otdr 型分布式光纖傳感技術是上世紀90 年代末逐步發(fā)展起來的一種新型傳感技術，它利用光纖背向散射效應（瑞利、布里淵、拉曼散射）實現光纖沿線的物理參量測量，并利用光時域反射otdr 技術實現事件位置定位，具備多事件同時定位功能?；诶⑸湓淼姆植际焦饫w測溫技術dts 已在國內外廣泛應用，其測量距離一般不超過10 公里， 不適合長輸油氣管道應用。本文主要介紹可實現50100 公里的先進otdr 型分布式光纖傳感技術：布里淵光時域分析儀botda 和分布式聲音傳感器das。2.1 布里淵光時域分析

5、儀botda測量原理布里淵光時域分析儀botda 是基于受激布里淵散射效應的分布式光纖傳感器，最初由日本 horiguchi 等人提出。布里淵散射是光波和聲波在光纖中傳播時相互作用而產生的光散射過程，布里淵頻移b與波長 、聲速a和折射率n 與的關系式如下57：abn2=（1）當環(huán)境溫度變化或光纖產生形變時，光纖中聲速和光的折射率都會隨之變化，從而使布里淵頻移發(fā)生變化。根據文獻5, 6 ，布里淵頻移與環(huán)境溫度、光纖應變成線性關系：rtbtccv+=（2）式中bv為布里淵頻移變化量，為光纖軸向應變，rt為光纖溫度，c和tc分別為布里淵散射頻移的應變和溫度系數。對于普通的單模光纖， 溫度系數tc約為

6、 1.1mhz/，應變系數c約為 0.0483mhz/。botda 系統(tǒng)需要的兩個窄線寬的激光光源，分別為泵浦光源（脈沖光信號）和探測光源（連續(xù)光信號） ，這兩個光源發(fā)出的激光在光纖中反向傳輸，在光纖的脈沖光源端測量探測光信號，其結構如圖1所示。泵浦光和探測光分別從光纖的兩端分別注入，當泵浦光與探測光的頻率差與光纖中某個區(qū)間的布里淵頻移相等時，該區(qū)域就會發(fā)生受激布里淵放大效應，兩束光之間發(fā)生能量轉移。通過掃描探測光頻率，可獲得光纖任一點的布里淵頻譜，從而得到分布式應變和溫度測量。目前， botda 系統(tǒng)最大測量距離可達120 公里，空間分辨率310米，定位精度小于2 米。圖 1 botda 測

7、量原理2.2 分布式聲音傳感器das 測量原理分布式聲音傳感器das 是基于相干瑞利散射的分布式光纖傳感器。它利用光纖對聲音（振動）敏感的特性，當外界振動作用于傳感光纖上時，由于彈光效應，光纖的折射率、長度將產生微小變化，從而導致光纖內傳輸信號的相位變化，使得光強發(fā)生變化。聲波導致的相位變化很小，因此das 系統(tǒng)通常采用高相干的脈沖光源，脈沖寬度區(qū)域內瑞利散射信號之間會發(fā)生干涉，當外界振動導致相位發(fā)生變化時會使得該點的相干瑞利散射信號強度發(fā)生變化，通過檢測振動前后的瑞利散射光信號的強度變化（差分信號），即可實現振動事件的探測，并精確定位，其原理如圖2 所示8。與 mach-zehnder、 s

8、agnac 干涉儀相比， das 系統(tǒng)僅需一芯單模光纖，最大測量距離可達50 公里，定位精度20 米以內，并且可實現多事件同時探測與定位。圖 2 das 測量原理3 先進 otdr 型分布式光纖傳感器技術優(yōu)勢botda 和 das 作為最新一代的otdr 型分布式光纖傳感技術，直接利用與管道同溝敷設的通信光纜或者傳感光纜作為傳感器，均可實現50 公里以上測量距離，具有明顯技術優(yōu)勢，非常適合長輸油氣管道在線監(jiān)測應用，具體如下：長距離分布式測量：可以實時測量光纖沿線任一點上的溫度、應變、振動等分布信息，覆蓋管道全線范圍，無測量盲區(qū)，最大實時監(jiān)測距離可達100km。多參量測量：單一的溫度、應變或者振

9、動，都無法準確評估管道的健康和安全，綜合測量管道周圍的溫度、應變和振動實時信息，有助于全方位、多角度監(jiān)測管道安全。多事件定位：otdr 型分布式光纖傳感器先天具備多振動事件探測及定位功能。靈敏度高： 系統(tǒng)對管道第三方破壞非常靈敏，可檢測管線周圍20 米以內的機器挖掘、15 米以內的人工挖掘；另外，對高壓管道微泄漏引起的微弱振動和原油管道泄漏引起的溫度變化有極高的探測靈敏度。本質安全：分布式光纖傳感器采用光信號測量，抗電磁干擾；管道現場無需供電，本質安全。壽命長：單模通信光纖本身就是傳感器，“傳” “感”合一，并且光纖壽命可達30 年，可以長年累月的實時監(jiān)測管道安全，后期維護成本低。4 分布式光

10、纖傳感油氣管道綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)基于 botda 和 das 為感測技術的分布式光纖傳感油氣管道綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)，利用利用與管道同溝敷設的通信光纜作為傳感器，能實時獲得油氣管道沿線的溫度、應變、 振動等狀態(tài)信息， 通過歷史數據分析和特征信號提取與智能識別，實現對管道第三方破壞、管道泄漏、管道沉降形變和地質災害等進行事前預警，事前預知事件發(fā)生的時間、地點、事件趨勢等，并準確定位。圖 3 分布式管道安全在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖4.1 管道泄漏在線監(jiān)測管道出現泄漏后， 泄漏點附近的溫度會出現變化并且會產生一定頻率的振動信號。利用botda的分布式溫度測量功能以及das 的分布式振動監(jiān)測功能均可實現管道泄漏在

11、線監(jiān)測與定位。對于原油管道，需加熱輸送，泄漏處的溫度將升高；對于天然氣管道，由于焦耳-湯姆遜效應，天然氣經過泄漏孔節(jié)流膨脹，節(jié)流膨脹過程前后的焓不變，在泄漏孔出口出現溫度下降，如圖4 所示。此外，das 可實時感測高壓管道泄漏時產生的振動信號，通過提取特征信號與智能識別，能及時報警并定位。圖 4 管道泄漏對周圍溫度影響示意圖4.2 管道第三方破壞在線監(jiān)測管道周圍出現機械挖掘、打孔盜油、 蓄意破壞等人為破壞時，都會產生不同頻率特征的振動信號。 das 可分布式檢測到管道沿線各個位置的振動信號，100%覆蓋整個管線。das可以獲得振動事件的時間、地點、事件趨勢等信息，通過對振動波形分析和特征信號提

12、取，并結合專家數據庫和神經網絡識別算法，可確定振動事件類型，對可能危害管道安全的動土事件、站場設施入侵事件提前預警，保障管道運行安全。圖 5 管道第三方破壞在線監(jiān)測示意圖4.3 管道周邊地質災害在線監(jiān)測影響管道安全運行的地質災害主要有：地殼內部運動導致的地質災害，包括地震、 地面塌陷、沉降、地裂縫、斷裂災害等；外部環(huán)境導致的地質災害，包括滑坡、泥石流與洪水沖蝕、沙埋和風蝕災害；特殊土體所導致的地質災害，多為濕陷性黃土、膨脹土、鹽漬土、多年凍土發(fā)生變形引起的災害等。上述地質災害對管道的影響主要體現在管道周邊環(huán)境的變化，使得擠壓力、彎曲力、剪切力等復雜的交變應力作用于管道上，從而導致管道出現異常的

13、形變， 最終損壞管道或者降低管道服役壽命。通過管道外壁固定傳感光纜或者管道同溝直埋通信光纜， 利用 botda 可以獲得管道沿線光纖應變分布，進而推算出管道形變或者周邊土層應變分布變化信息，提前預警安全隱患。直埋光纜油氣管道土壤緊壓土層（a）管道外壁固定應變傳感光纜（b）管道同溝直埋光纜圖 6 管道周邊地質災害在線監(jiān)測光纜安裝示意圖5 國內外成功應用案例5.1 管道泄漏在線監(jiān)測應用案例2007 年，美國阿拉斯加beaufort 海上油田采用了一臺botda 設備用于監(jiān)測2 條輸油管道，其中包括8 公里長的海底輸油管道。利用海底管線束內的通信光纜，botda 設備可實時提供14 公里管道沿線的溫

14、度分布曲線，精確定位泄漏的位置。botda系統(tǒng)可以長期連續(xù)工作， 為泄漏在線監(jiān)測及預警提供良好的解決手段5。類似的， 2013 年勝利油田首次采用了一臺 botda 用于采油區(qū)塊內增壓泵至聯合站間的兩條輸油管線分布式溫度在線監(jiān)測，以實現原油輸送管道泄漏及時報警和準確定位。天然氣管道方面， 意大利利用botda 設備用于已服役35 年的埋地天然氣管道監(jiān)測（溫度、應變測量） ，其中利用溫度傳感光纜成功實現一次氣體泄漏預警9。5.2 管道第三方破壞在線監(jiān)測應用案例國外英國 qinetiq 公司、fotech 以及 silixa 公司幾年前即可提供das 產品，該產品在長輸油氣管道第三方破壞在線監(jiān)測的

15、應用案例較多。如，2009 年 11 月，東歐為了保護100 公里石油管道不受第三方破壞尤其是打孔盜油的危害，利用兩套 das （各監(jiān)控50 公里） 實現全線監(jiān)控，曾成功預警盜油事件。2009 年，厄瓜多爾某公司利用das 在線監(jiān)測石油管道，發(fā)現了一起在管道周圍20 米內施工的事件，及時報警，避免了事故發(fā)生9。5.3 管道周邊地質災害在線監(jiān)測應用案例在安第斯山脈，超過50%的管道故障是由地質災害引起。秘魯修建了一條408 公里長從東至西跨越安第斯山的lng 管線，管線海拔40006000 米，途經陡坡、高峰和低谷等地質不穩(wěn)定的地區(qū)，并且氣候多變。該公司利用使用botda 實現 60 公里管線在

16、線監(jiān)測，其利用兩根長距離光纜，一根用于地質探測的應變測量光纜，一根用于泄漏探測的溫度測量光纜（為通信光纜的一部分）。其中通信光纜貫穿整個管道長度，而應變監(jiān)測光纜只用于部分較危險的山區(qū)，實現管道泄漏、地質運動全面監(jiān)控9。6 結束語油氣管道安全事關國民經濟和人民生活，對油氣管道安全在線監(jiān)測尤顯重要。以botda 和 das 為代表的先進otdr 型分布式光纖傳感器，直接利用與管道同溝敷設的通信光纜或者傳感光纜作為傳感器，實時獲得管道沿線任意一點的溫度、應變、 振動等多參量信息， 實現管道第三方破壞、管道泄漏、 管道沉降形變及地質災害等多參量測量和多事件定位，技術優(yōu)勢明顯，從而全方位保障油氣管道運營

17、安全。參考文獻：1 瞭望新聞周刊 . 能源動脈危機四伏七萬公里油氣管道誰來護衛(wèi)eb/ol. 2010-05-10. 2 付道明 , 孫軍 , 賀志剛等. 國內外管道泄漏檢測技術研究進展j. 石油機械 , 2004, 32 (3): 4851. 3 譚東杰 , 王紅菊 , 陳朋超等. 長輸管道泄漏檢測技術應用研究j. 油氣儲運 , 2005, 24 (b12): 185189. 4 蔣仕章 , 蒲家寧 . 石油天然氣長輸管道泄漏檢測及定位方法j. 油氣儲運 , 2000, 19(3): 5052. 5 nikles m. long distance fiber optic sensing solutions for pipeline leakage, intrusion and ground movement detectionj. proc of spie vol.7316 fiber optic sensors and applications vi, april 27, 2009: 731602. 6 brown.w. the development of a brillouin scattering based on distributed fiber opticstrain sensord, phd.thesis, uni