分布式光纖管道泄漏檢測和定位技術

1、第27卷第2期2006年3月石油學報AC TA PETROL EI SIN ICAVol.27No.2Mar.2006基金項目:國家自然科學基金項目“流體管網(wǎng)泄漏檢測的新方法與關鍵技術研究”(No.60534050資助。作者簡介:周琰,男,1968年4月生,2002年畢業(yè)于天津大學獲碩士學位,2002年于天津大學精密儀器與光電子工程學院攻讀博士學位,主要從事文章編號:02532697(200602012104分布式光纖管道泄漏檢測和定位技術周琰靳世久張昀超孫立瑛(天津大學精密測試技術與儀器國家重點實驗室天津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

2、纖管道泄漏測試技術。該檢測技術利用在管道沿線附近敷設的一條光纜中的3條單膜光纖構(gòu)成分布式微振動測試傳感器,通過檢測管道沿途所發(fā)生的泄漏噪聲,可以實時地監(jiān)測管道沿線所發(fā)生的泄漏情況。利用廣義相關時延估計算法,通過確定2個測試信號的時延可以獲得泄漏點的位置。闡述了該檢測技術的測試原理和泄漏點定位方法,并對現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)進行了分析。理論分析和試驗結(jié)果表明,該測試技術可以有效地提高管道泄漏測試的靈敏度和定位精度。關鍵詞:管道;泄漏檢測技術;光纖干涉儀;傳感器;定位技術;時延估計算法中圖分類號:TN 247文獻標識碼:ADistributed optical f iber sensing technolo

3、gy 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 fiber pipeline leakage detection technology based on t

4、he 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 three single mode optical fibers in the optical cable

5、.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 correlation time delay estimation algo 2rithm.This technology is

6、 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 sensitivity and detecting precision of leakage location

7、 on pipeline.K ey w ords :pipeline ;leakage detection technology ;optical fiber interferometer ;sensor ;location technique ;time delay estimation al 2gorithm管道泄漏的及時發(fā)現(xiàn)和定位具有重要的現(xiàn)實意義。目前國內(nèi)外油氣管道泄漏檢測技術中的質(zhì)量平衡法、負壓波法、壓力梯度法和實時模型等管道泄漏檢測方法主要是通過檢測管道輸送壓力、流量以及溫度等參數(shù)的變化來判斷是否發(fā)生管道泄漏,由于該類測試方法受到流體特性、輸送工藝以及測試儀器的靈敏度和測試精度等因

8、素的限制,對于管道微小泄漏檢測靈敏度較低;應力波管道泄漏檢測法是利用管道泄漏所產(chǎn)生的沿管壁傳播的應力波來判斷泄漏和定位,但由于其埋地管道應力波衰減較快、測試距離較近,限制了該方法的應用;采用超聲波、漏磁技術的管內(nèi)探測器法可以采集管壁信息,對管壁情況進行分析和判斷,但該方法不能對管道進行實時監(jiān)測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技術,利用光纖作為傳感器提取管道沿途的泄漏振動信號,通過對檢測信號的處理和分析,可以有效地檢測出管道發(fā)生泄漏的情況。1測試原理在管道附近沿管道并排鋪設一條光纜,也可以利用與管道同溝敷設的通訊光纜?；贛ach 2Z

9、ehnder 光纖干涉儀原理,利用光纜中的3條單膜光纖構(gòu)成分布式微振動測試傳感器測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個測試光臂,而122石油學報2006年第27卷第3條光纖用于信號傳輸。半導體激光器(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度為11的兩束光,分別進入2條光纖,使用同一光源發(fā)出的連續(xù)光波在2條測試光纖中同時傳播。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。再由第3條光纖將干涉信號傳輸?shù)焦怆姍z測器(PD ,并將光信號轉(zhuǎn)換成電信號,通過放大和濾波電路對信號進行處理,再經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換并傳輸?shù)接嬎銠C中進行進一步信號處理和分析。其

10、測試原理如圖1所示。 圖1測試系統(tǒng)原理Fig.1Diagram of measuring system當測試光纜受到泄漏噪聲的作用時,光纜中的2條測試光纖都會產(chǎn)生應力應變,因此2條傳感光纖中傳播的2束相干光波會分別產(chǎn)生相位變化4。其表達式為=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條測試光纖傳播的2束相干光波,其光場為簡諧振動,可分別表示為 1=A 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束相干光波的場強;A

11、1和A 2分別為光場振幅;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2束相干光波的強度分別為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為I =I 1+I 2+2I 1I 2co s s (t +(4設I 0為輸入到2條測試光纖中的總光強度;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度,式(5可簡化為I (t =I 0co s s (t +(6通過光電檢測器將光強信號轉(zhuǎn)化為電流信號,光電流的交流量為i (t =KI 0cos s (t

12、+(7式中K 為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)。在式(7中通常為常數(shù)/2,因此測試信號是2束相干光波相位調(diào)制差s (t 的函數(shù)。由于2條測試光纖在光纜中排列位置不同,產(chǎn)生的應力應變也不相同,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。當測試光纜受到泄漏噪聲作用時,s (t 是一個變量。因此,通過實時檢測干涉光信號的變化,則可以檢測出分布式光纖傳感器沿途管道泄漏噪聲產(chǎn)生的微振動信號,從而實現(xiàn)了管道泄漏的實時監(jiān)測。2定位方法211定位公式管道泄漏定位技術是管道泄漏檢測關鍵技術之一,分布式光纖管道泄漏檢測技術采用在傳感光纖中同時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。當管道發(fā)

13、生泄漏時,引起管道泄漏點附近的測試光纖產(chǎn)生應力應變,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。用兩個光電檢測器檢測傳感器兩端干涉信號發(fā)生變化的時間差,即可精確地計算出泄漏發(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 為泄漏點至首端的距離,m ;L 為檢測的管道長度,m ;t 1為傳感器首端的光電探測器檢測到管道泄漏信號的時間,s ;t 2為傳感器末端光電探測器檢測到管道泄漏信號的時間,s ;v 為光波在光纖中的傳播速度(v =c/n ,m/s ,其中c 是光在真空中的傳播速度(3108m/s ,n 為光纖的折射率,無因次。21

14、2時間差的確定同一光源發(fā)出的兩組光波通過同一應力應變的光纖所產(chǎn)生的相位調(diào)制信號也是相同的,因而在分布式光纖兩端檢測到的干涉信號具有很強的相關性,所以采用相關運算可以獲得非常精確的2個測試信號的時間差。分布式光纖傳感器兩端的測試信號可分別表第2期周琰等:分布式光纖管道泄漏檢測和定位技術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個探測器檢測到的信號;S (t 為管道泄漏信號;n 1(t 和n 2(t 為噪聲;為比例系數(shù);0為2個測試信號之間的時延。通常S (t 、n 1(t 和n 2(t 是互不相關的平穩(wěn)隨機

15、過程,因此x 1(t 和x 2(t 的互相關函數(shù)為6R x 1x 2(=-x 1(t x 2(t +d t(10在式(10所示的互相關函數(shù)中,當=0時,有峰值,因此獲得最大值所對應的值,即可確定2個測試信號之間的時間差。 在實際檢測過程中,2個測試信號經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后為離散信號,若選定采樣周期為T s ,傳感器兩端的測試信號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個測試信號相同時段采樣點為N 的有限數(shù)據(jù)段進行相關運算,其互相關函數(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

16、整數(shù)。計算出R 取得最大值的點m 0,即可得到2個測試信號的時間差m 0T s 。3現(xiàn)場試驗311管道泄漏檢測試驗在實際現(xiàn)場條件下,利用一段長為100m 、管徑為159mm 的管道進行氣體管道的泄漏檢測試驗。使用空壓機向管道注入壓縮空氣,使管道內(nèi)的壓力為011110M Pa ,分別進行了不同壓力情況下不同泄漏孔徑(15mm 的管道泄漏試驗。在管道泄漏測試裝置中,利用一條長202m 的4芯單模通訊光纜構(gòu)成分布式光纖傳感器,測試光纜與管道平行敷設,間距為500mm 。采用美國N I 公司的數(shù)據(jù)采集卡和虛擬儀器軟件LabV IEW 對檢測信號進行采集和分析。圖2所示為管內(nèi)壓力為016M Pa 、泄漏

17、點孔徑為3mm 所檢測到的泄漏測試信號。試驗結(jié)果表明,在管道壓力比較低的情況下,該檢測技術可以檢測到孔徑較小的管道泄漏點。在實際測試過程中,測試信號還包含有很強的背景噪聲,因此進一步地進行信號處理可以有效地提高測試信號靈敏度。圖2管道泄漏檢測信號Fig.2Measuring signal of leakage detection312管道泄漏定位試驗在管道泄漏定位試驗中作為傳感器的光纜長為4625m ,折射率為11468,光波在光纖中的傳播速度為210436108m/s 。測試系統(tǒng)的采樣頻率為8107Hz 。將管道的一端作為管道泄漏點,該點對應的測試光纜首端的位置為100m 。對其測試信號進行

18、互相關運算的結(jié)果如圖3所示,相關峰值位置為3528,根據(jù)圖3兩端測試信號互相關曲線Fig.3Cross 2correlation curve of tw o measuring signals式(8可以獲得泄漏點至首端的距離為119m ,絕對誤差僅為19m ,相對誤差為0141%。從試驗結(jié)果可以看出,分布式光纖管道泄漏測試技術可以獲得較高的泄漏定位精度。由于泄漏定位絕對誤差與采樣頻率有關,因此泄漏定位的絕對誤差不隨檢測距離的增加而增加。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試技術反應靈敏,反應速度快,具有較寬的響應帶寬,可以檢測出壓力較低、泄漏孔徑較小的管道

19、泄漏點,而且定位精度較高。現(xiàn)場試驗表明,對于輸送壓力小于016M Pa 的氣體管道,用該測試技術可以檢測到孔徑為3mm 的管道泄漏點。通過進一步的信號處理,還可以檢測出孔徑小于3mm 的管道泄漏點。隨著管道輸送壓力的增加,可以檢測到孔徑更小的泄漏點。因此,基于Mach 2Zehnder 光纖干涉儀原理的分布式光纖管道泄漏測試技術適用于管道微小泄漏點的檢測。124石油學報2006年第27卷該技術不僅可以對氣體、液體輸送管道的泄漏進行實時監(jiān)測,而且還可以對管道周圍的非法施工、人為破壞(如打孔盜油以及自然災害(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行預報警。另外,管道泄漏檢測分

20、布式光纖傳感技術所采用的分布式光纖微振動傳感器具有電絕緣性好、安全可靠以及耐腐蝕性強等特點,在石油、化工等強電磁干擾、易燃、易爆、強腐蝕等環(huán)境中具有更廣泛的應用前景。參考文獻1楊杰,王桂增.輸氣管道泄漏診斷技術綜述J.化工自動化及儀表,2004,31(3:15.2周詩崠,吳志敏,吳明.輸油管道泄漏檢測技術綜述J.石油工程建設,2003,29(3:610.3靳世久,王立寧,李健,等.原油管道漏點定位技術J.石油學報,1998,19(3:9397.4蔡德所.光纖傳感技術在大壩工程中的應用M.北京:中國水利水電出版社,2002:4749.5王惠文.光纖傳感技術與應用M.北京:國防工業(yè)出版社,2001

21、:4953.6姜建國,曹建中,高玉明.信號與系統(tǒng)分析基礎M.北京:清華大學出版社,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)化問題轉(zhuǎn)化為最短路徑問題進行求解,既便于對問題的分析,也易于求得次優(yōu)工藝方案。(2針對傳統(tǒng)數(shù)值算法易陷于局部極小等缺點,引進了雜交差分進化算法求解數(shù)學模型,并對算法做了局部改進。實際算例表明,該方法可行且收斂精度高。(3編制了相應的成品油管道工藝方案優(yōu)化設計軟件M PPOD,可以為成品油管道的工藝方案優(yōu)化設計提供輔助的決策和參考。參考文獻1文繼軍.熱油管道工藝設計方案優(yōu)化D.北京:石油大學,1998.2陳娟,李允,汪玉春,等.長輸原油管道設計方案優(yōu)化研究J.石油學報,2005,26(1:100104,108.3吳長春,嚴大凡.熱油管道穩(wěn)態(tài)運行的兩級遞階模型J.石油學報,1989,10(3:109117.4吳長春,嚴大凡.長輸管道站間最優(yōu)壓頭分配動態(tài)規(guī)劃模型J.石油學報,1992,13(增刊:108118.5吳長春,嚴大凡.長輸管道站內(nèi)泵組合問題的啟發(fā)式搜索方法J.石油學報,1992,13(增刊:120129.6Janusz Stuchly,Chris Kedge.Computer model designs Africanmultiprodu