分布式光纖管道泄漏檢測(cè)和定位技術(shù)

1、第27卷第2期2006年3月石油學(xué)報(bào)AC TA PETROL EI SIN ICAVol.27No.2Mar.2006基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“流體管網(wǎng)泄漏檢測(cè)的新方法與關(guān)鍵技術(shù)研究”(No.60534050資助。作者簡(jiǎn)介:周琰,男,1968年4月生,2002年畢業(yè)于天津大學(xué)獲碩士學(xué)位,2002年于天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院攻讀博士學(xué)位,主要從事光纖傳感技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、管道安全檢測(cè)技術(shù)以及精密測(cè)試技術(shù)及儀器研究工作。E 2mail :puti 68文章編號(hào):02532697(200602012104分布式光纖管道泄漏檢測(cè)和定位技術(shù)周琰靳世久張昀超孫立瑛(天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)與儀

2、器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300072摘要:提出了一種基于Mach 2Zehnder 光纖干涉儀原理的新型分布式光纖管道泄漏測(cè)試技術(shù)。該檢測(cè)技術(shù)利用在管道沿線(xiàn)附近敷設(shè)的一條光纜中的3條單膜光纖構(gòu)成分布式微振動(dòng)測(cè)試傳感器,通過(guò)檢測(cè)管道沿途所發(fā)生的泄漏噪聲,可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)管道沿線(xiàn)所發(fā)生的泄漏情況。利用廣義相關(guān)時(shí)延估計(jì)算法,通過(guò)確定2個(gè)測(cè)試信號(hào)的時(shí)延可以獲得泄漏點(diǎn)的位置。闡述了該檢測(cè)技術(shù)的測(cè)試原理和泄漏點(diǎn)定位方法,并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明,該測(cè)試技術(shù)可以有效地提高管道泄漏測(cè)試的靈敏度和定位精度。關(guān)鍵詞:管道;泄漏檢測(cè)技術(shù);光纖干涉儀;傳感器;定位技術(shù);時(shí)延估計(jì)算法中圖分類(lèi)號(hào):TN

3、 247文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADistributed optical f iber sensing technology forpipeline leakage detection and locationZhou Yan Jin Shijiu Zhang Yunchao Sun Liying(S tate Key L aboratory of Precision Measuring Technology and I nst ruments ,Tianj in Universit y ,Tianj in 300072,China Abstract :A new distributed optical

4、fiber pipeline leakage detection technology based on the principle of Mach 2Zehnder optical fiber interferometer is proposed.An optical cable should be laid along the pipeline when applying this technology to pipeline leakage detec 2tion.The distributed micro 2vibrant measuring sensor is composed of

5、 three single mode optical fibers in the optical cable.The oil leakage can be detected by the sensor in real 2time by measuring leaked noise along pipeline.The position of leaking point can be ob 2tained by defining the value of time delay of the two measuring signals with the generalized correlatio

6、n time delay estimation algo 2rithm.This technology is applicable for various oil and gas pipeline leakage detection.The measuring principle and the leaking point location method for this technology are described.The experiment result showed that this technology can greatly improve the meas 2uring s

7、ensitivity and detecting precision of leakage location on pipeline.K ey w ords :pipeline ;leakage detection technology ;optical fiber interferometer ;sensor ;location technique ;time delay estimation al 2gorithm管道泄漏的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前國(guó)內(nèi)外油氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)中的質(zhì)量平衡法、負(fù)壓波法、壓力梯度法和實(shí)時(shí)模型等管道泄漏檢測(cè)方法主要是通過(guò)檢測(cè)管道輸送壓力、流量以及溫度

8、等參數(shù)的變化來(lái)判斷是否發(fā)生管道泄漏,由于該類(lèi)測(cè)試方法受到流體特性、輸送工藝以及測(cè)試儀器的靈敏度和測(cè)試精度等因素的限制,對(duì)于管道微小泄漏檢測(cè)靈敏度較低;應(yīng)力波管道泄漏檢測(cè)法是利用管道泄漏所產(chǎn)生的沿管壁傳播的應(yīng)力波來(lái)判斷泄漏和定位,但由于其埋地管道應(yīng)力波衰減較快、測(cè)試距離較近,限制了該方法的應(yīng)用;采用超聲波、漏磁技術(shù)的管內(nèi)探測(cè)器法可以采集管壁信息,對(duì)管壁情況進(jìn)行分析和判斷,但該方法不能對(duì)管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)123。筆者提出了一種基于Mach 2Zehnder 光纖干涉儀原理的分布式光纖管道泄漏檢測(cè)技術(shù),利用光纖作為傳感器提取管道沿途的泄漏振動(dòng)信號(hào),通過(guò)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的處理和分析,可以有效地檢測(cè)出管道發(fā)生泄

9、漏的情況。1測(cè)試原理在管道附近沿管道并排鋪設(shè)一條光纜,也可以利用與管道同溝敷設(shè)的通訊光纜?；贛ach 2Zehnder 光纖干涉儀原理,利用光纜中的3條單膜光纖構(gòu)成分布式微振動(dòng)測(cè)試傳感器測(cè)試管道沿途的泄漏噪聲;利用光纜中的2條光纖構(gòu)成傳感器的2個(gè)測(cè)試光臂,而122石油學(xué)報(bào)2006年第27卷第3條光纖用于信號(hào)傳輸。半導(dǎo)體激光器(LD 發(fā)出的連續(xù)光波在分布式光纖傳感器的一端分為光強(qiáng)度為11的兩束光,分別進(jìn)入2條光纖,使用同一光源發(fā)出的連續(xù)光波在2條測(cè)試光纖中同時(shí)傳播。光波沿光纖傳播到光纖的另一端,在光纖傳感器另一端匯合而形成干涉信號(hào)。再由第3條光纖將干涉信號(hào)傳輸?shù)焦怆姍z測(cè)器(PD ,并將光信號(hào)轉(zhuǎn)

10、換成電信號(hào),通過(guò)放大和濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,再經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步信號(hào)處理和分析。其測(cè)試原理如圖1所示。 圖1測(cè)試系統(tǒng)原理Fig.1Diagram of measuring system當(dāng)測(cè)試光纜受到泄漏噪聲的作用時(shí),光纜中的2條測(cè)試光纖都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變,因此2條傳感光纖中傳播的2束相干光波會(huì)分別產(chǎn)生相位變化4。其表達(dá)式為<=l +l (1式中<為光波的相位變化;為光波在光纖中的傳播常數(shù);l 為受到管道泄漏噪聲作用的光纖長(zhǎng)度;為光波的傳播常數(shù)在受到管道泄漏噪聲作用的光纖中產(chǎn)生的變化量。沿2條測(cè)試光纖傳播的2束相干光波,其光場(chǎng)為簡(jiǎn)諧振動(dòng),可分別表示為 1=A

11、1co s t +s 1(t +1(22=A 2co s t +s 2(t +2(3式中1和2分別為2束相干光波的場(chǎng)強(qiáng);A 1和A 2分別為光場(chǎng)振幅;為光波角頻率;1和2分別為2束光波的初始相位;s 1(t 和s 2(t 分別為2束光波的光相位調(diào)制量。設(shè)2束相干光波的強(qiáng)度分別為I 1和I 2,且s (t =s 1(t -s 2(t =1-22束相干光波干涉后的光強(qiáng)為I =I 1+I 2+2I 1I 2co s s (t +(4設(shè)I 0為輸入到2條測(cè)試光纖中的總光強(qiáng)度;為2束相干光波的混合效率。則有5I (t =I 01+cos s (t +(5如果僅考慮交流光強(qiáng)度,式(5可簡(jiǎn)化為I (t =I

12、 0co s s (t +(6通過(guò)光電檢測(cè)器將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào),光電流的交流量為i (t =KI 0cos s (t +(7式中K 為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)。在式(7中通常為常數(shù)/2,因此測(cè)試信號(hào)是2束相干光波相位調(diào)制差s (t 的函數(shù)。由于2條測(cè)試光纖在光纜中排列位置不同,產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變也不相同,因而在2條傳感光纖中傳播的2束相干光波產(chǎn)生的相位變化也不完全相同。當(dāng)測(cè)試光纜受到泄漏噪聲作用時(shí),s (t 是一個(gè)變量。因此,通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)干涉光信號(hào)的變化,則可以檢測(cè)出分布式光纖傳感器沿途管道泄漏噪聲產(chǎn)生的微振動(dòng)信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)了管道泄漏的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。2定位方法211定位公式管道泄漏定位技術(shù)是管道泄漏檢測(cè)關(guān)鍵

13、技術(shù)之一,分布式光纖管道泄漏檢測(cè)技術(shù)采用在傳感光纖中同時(shí)傳播方向相反的兩組光波,因此在傳感器的兩端均可產(chǎn)生干涉信號(hào)。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí),引起管道泄漏點(diǎn)附近的測(cè)試光纖產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變,從而造成該處光波相位調(diào)制。產(chǎn)生相位調(diào)制的光波沿光纖分別向傳感器的兩端傳播。用兩個(gè)光電檢測(cè)器檢測(cè)傳感器兩端干涉信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)間差,即可精確地計(jì)算出泄漏發(fā)生的位置,其定位公式可表示為X =12L-v t 2-t 1-L v(8式中X 為泄漏點(diǎn)至首端的距離,m ;L 為檢測(cè)的管道長(zhǎng)度,m ;t 1為傳感器首端的光電探測(cè)器檢測(cè)到管道泄漏信號(hào)的時(shí)間,s ;t 2為傳感器末端光電探測(cè)器檢測(cè)到管道泄漏信號(hào)的時(shí)間,s ;v 為光波在光

14、纖中的傳播速度(v =c/n ,m/s ,其中c 是光在真空中的傳播速度(3×108m/s ,n 為光纖的折射率,無(wú)因次。212時(shí)間差的確定同一光源發(fā)出的兩組光波通過(guò)同一應(yīng)力應(yīng)變的光纖所產(chǎn)生的相位調(diào)制信號(hào)也是相同的,因而在分布式光纖兩端檢測(cè)到的干涉信號(hào)具有很強(qiáng)的相關(guān)性,所以采用相關(guān)運(yùn)算可以獲得非常精確的2個(gè)測(cè)試信號(hào)的時(shí)間差。分布式光纖傳感器兩端的測(cè)試信號(hào)可分別表第2期周琰等:分布式光纖管道泄漏檢測(cè)和定位技術(shù)123示為 x 1(t =S (t +n 1(t x 2(t =S (t -0+n 2(t(9式中x 1(t 和x 2(t 分別為2個(gè)探測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào);S (t 為管道泄漏信號(hào);

15、n 1(t 和n 2(t 為噪聲;為比例系數(shù);0為2個(gè)測(cè)試信號(hào)之間的時(shí)延。通常S (t 、n 1(t 和n 2(t 是互不相關(guān)的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程,因此x 1(t 和x 2(t 的互相關(guān)函數(shù)為6R x 1x 2(=-x 1(t x 2(t +d t(10在式(10所示的互相關(guān)函數(shù)中,當(dāng)=0時(shí),有峰值,因此獲得最大值所對(duì)應(yīng)的值,即可確定2個(gè)測(cè)試信號(hào)之間的時(shí)間差。 在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中,2個(gè)測(cè)試信號(hào)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后為離散信號(hào),若選定采樣周期為T(mén) s ,傳感器兩端的測(cè)試信號(hào)可分別表示為離散的x 1(n T s 和x 2(n T s ,其中n 為整數(shù)。取2個(gè)測(cè)試信號(hào)相同時(shí)段采樣點(diǎn)為N 的有限數(shù)據(jù)段進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,

16、其互相關(guān)函數(shù)可表示為R x 1x 2(m T s =1NN -1n =0x1(nT s x 2(nT s +m T s (11式中m 是整數(shù)。計(jì)算出R 取得最大值的點(diǎn)m 0,即可得到2個(gè)測(cè)試信號(hào)的時(shí)間差m 0T s 。3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)311管道泄漏檢測(cè)試驗(yàn)在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)條件下,利用一段長(zhǎng)為100m 、管徑為159mm 的管道進(jìn)行氣體管道的泄漏檢測(cè)試驗(yàn)。使用空壓機(jī)向管道注入壓縮空氣,使管道內(nèi)的壓力為011110M Pa ,分別進(jìn)行了不同壓力情況下不同泄漏孔徑(15mm 的管道泄漏試驗(yàn)。在管道泄漏測(cè)試裝置中,利用一條長(zhǎng)202m 的4芯單模通訊光纜構(gòu)成分布式光纖傳感器,測(cè)試光纜與管道平行敷設(shè),間距為500mm

17、 。采用美國(guó)N I 公司的數(shù)據(jù)采集卡和虛擬儀器軟件LabV IEW 對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集和分析。圖2所示為管內(nèi)壓力為016M Pa 、泄漏點(diǎn)孔徑為3mm 所檢測(cè)到的泄漏測(cè)試信號(hào)。試驗(yàn)結(jié)果表明,在管道壓力比較低的情況下,該檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)到孔徑較小的管道泄漏點(diǎn)。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中,測(cè)試信號(hào)還包含有很強(qiáng)的背景噪聲,因此進(jìn)一步地進(jìn)行信號(hào)處理可以有效地提高測(cè)試信號(hào)靈敏度。圖2管道泄漏檢測(cè)信號(hào)Fig.2Measuring signal of leakage detection312管道泄漏定位試驗(yàn)在管道泄漏定位試驗(yàn)中作為傳感器的光纜長(zhǎng)為4625m ,折射率為11468,光波在光纖中的傳播速度為210436&

18、#215;108m/s 。測(cè)試系統(tǒng)的采樣頻率為8×107Hz 。將管道的一端作為管道泄漏點(diǎn),該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的測(cè)試光纜首端的位置為100m 。對(duì)其測(cè)試信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果如圖3所示,相關(guān)峰值位置為3528,根據(jù)圖3兩端測(cè)試信號(hào)互相關(guān)曲線(xiàn)Fig.3Cross 2correlation curve of tw o measuring signals式(8可以獲得泄漏點(diǎn)至首端的距離為119m ,絕對(duì)誤差僅為19m ,相對(duì)誤差為0141%。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,分布式光纖管道泄漏測(cè)試技術(shù)可以獲得較高的泄漏定位精度。由于泄漏定位絕對(duì)誤差與采樣頻率有關(guān),因此泄漏定位的絕對(duì)誤差不隨檢測(cè)距離的增加而增加。

19、4結(jié)論基于Mach 2Zehnder 光纖干涉儀原理的分布式光纖管道泄漏測(cè)試技術(shù)反應(yīng)靈敏,反應(yīng)速度快,具有較寬的響應(yīng)帶寬,可以檢測(cè)出壓力較低、泄漏孔徑較小的管道泄漏點(diǎn),而且定位精度較高?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,對(duì)于輸送壓力小于016M Pa 的氣體管道,用該測(cè)試技術(shù)可以檢測(cè)到孔徑為3mm 的管道泄漏點(diǎn)。通過(guò)進(jìn)一步的信號(hào)處理,還可以檢測(cè)出孔徑小于3mm 的管道泄漏點(diǎn)。隨著管道輸送壓力的增加,可以檢測(cè)到孔徑更小的泄漏點(diǎn)。因此,基于Mach 2Zehnder 光纖干涉儀原理的分布式光纖管道泄漏測(cè)試技術(shù)適用于管道微小泄漏點(diǎn)的檢測(cè)。124石油學(xué)報(bào)2006年第27卷該技術(shù)不僅可以對(duì)氣體、液體輸送管道的泄漏進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)

20、測(cè),而且還可以對(duì)管道周?chē)姆欠ㄊ┕?、人為破?如打孔盜油以及自然災(zāi)害(如地震、洪水、泥石流以及山體滑坡等等可能造成管道泄漏的事件進(jìn)行預(yù)報(bào)警。另外,管道泄漏檢測(cè)分布式光纖傳感技術(shù)所采用的分布式光纖微振動(dòng)傳感器具有電絕緣性好、安全可靠以及耐腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn),在石油、化工等強(qiáng)電磁干擾、易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕等環(huán)境中具有更廣泛的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1楊杰,王桂增.輸氣管道泄漏診斷技術(shù)綜述J.化工自動(dòng)化及儀表,2004,31(3:15.2周詩(shī)崠,吳志敏,吳明.輸油管道泄漏檢測(cè)技術(shù)綜述J.石油工程建設(shè),2003,29(3:610.3靳世久,王立寧,李健,等.原油管道漏點(diǎn)定位技術(shù)J.石油學(xué)報(bào),1998,19(3:9

21、397.4蔡德所.光纖傳感技術(shù)在大壩工程中的應(yīng)用M.北京:中國(guó)水利水電出版社,2002:4749.5王惠文.光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2001:4953.6姜建國(guó),曹建中,高玉明.信號(hào)與系統(tǒng)分析基礎(chǔ)M.北京:清華大學(xué)出版社,1994:270273.(收稿日期20050601改回日期20050907編輯黃小娟(上接第120頁(yè)4結(jié)論(1在泵站可選位置確定的情況下,把工藝方案優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為最短路徑問(wèn)題進(jìn)行求解,既便于對(duì)問(wèn)題的分析,也易于求得次優(yōu)工藝方案。(2針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)值算法易陷于局部極小等缺點(diǎn),引進(jìn)了雜交差分進(jìn)化算法求解數(shù)學(xué)模型,并對(duì)算法做了局部改進(jìn)。實(shí)際算例表明,該方法可行且收斂

22、精度高。(3編制了相應(yīng)的成品油管道工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件M PPOD,可以為成品油管道的工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)提供輔助的決策和參考。參考文獻(xiàn)1文繼軍.熱油管道工藝設(shè)計(jì)方案優(yōu)化D.北京:石油大學(xué),1998.2陳娟,李允,汪玉春,等.長(zhǎng)輸原油管道設(shè)計(jì)方案優(yōu)化研究J.石油學(xué)報(bào),2005,26(1:100104,108.3吳長(zhǎng)春,嚴(yán)大凡.熱油管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的兩級(jí)遞階模型J.石油學(xué)報(bào),1989,10(3:109117.4吳長(zhǎng)春,嚴(yán)大凡.長(zhǎng)輸管道站間最優(yōu)壓頭分配動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型J.石油學(xué)報(bào),1992,13(增刊:108118.5吳長(zhǎng)春,嚴(yán)大凡.長(zhǎng)輸管道站內(nèi)泵組合問(wèn)題的啟發(fā)式搜索方法J.石油學(xué)報(bào),1992,13(增刊:120129.6Janusz Stuchly,Chris Kedge.Computer model designs Africanmulti