分布式光纖傳感系統(tǒng)及其在在在管道泄漏檢測中的應(yīng)用

1、分布式光纖傳感系統(tǒng)及其在在在管道泄漏檢測中的應(yīng)用摘要分布式光纖傳感技術(shù)由于能夠獲得被測物理場沿空間和時間上的連續(xù)分布信息，非常 適合用于非常適用于線形海底管道的健康監(jiān)測。介紹了基于布里淵散射的分布式光纖傳感技 術(shù)在海底管道健康監(jiān)測中的應(yīng)用情況和面臨的問題，對該技術(shù)在海底管道健康監(jiān)測中的應(yīng)用 前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞 分布式光纖傳感技術(shù)；海底管道；健康監(jiān)測；受激布里淵散射1前言海底管道作為海上油氣集輸系統(tǒng)的主要形式，在海上油氣田開發(fā)過程中發(fā)揮著重的作 用。由于工作環(huán)境條件惡劣，海底管道既要受到管外波流等環(huán)境荷載的作用，又要受到管內(nèi) 油氣腐蝕、壓力等作用以及海上墜落物撞擊、漁網(wǎng)拖拉等意外荷載的作用，

2、其失效概率高， 運(yùn)行風(fēng)險大。海底管道失效后果嚴(yán)重，不僅直接影響到海上油氣田的正常生產(chǎn)，而且管內(nèi)原 油若發(fā)生外泄還會嚴(yán)重污染海洋環(huán)境，帶來相應(yīng)的社會負(fù)面影響。為了避免因海底管道失效 所造成的重大經(jīng)濟(jì)損失和不良社會影響，必須采取有效的措施防止發(fā)生海底管道失效問題。引起海底管道失效的原因具有很大的隨機(jī)性和偶然性，很多因素至今沒有被認(rèn)識，從設(shè) 計角度來避免海底管道失效是很困難的或者是很不經(jīng)濟(jì)的;常規(guī)的檢測方法，如射線法、漏 磁法、超聲波法、滲透法等，只能用于海底管道的定時和定點(diǎn)檢測，期望用這些方法以有 限次的檢測來完全避免海底管道失效也是不現(xiàn)實的。近年來，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展和健康監(jiān) 測概念的提出，利用

3、傳感技術(shù)對海底管道進(jìn)行健康監(jiān)測，為解決海底管道失效問題提供了新 的途徑。利用傳感技術(shù)對海底管道進(jìn)行健康監(jiān)測，是指利用無損的傳感監(jiān)測方法獲得海底管 道結(jié)構(gòu)的內(nèi)部信息，分析包括海底管道結(jié)構(gòu)反應(yīng)在內(nèi)的各種特征，了解海底管道因損傷或者 退化而造成的改變。在各種傳感元件中，光纖由于具有體積小、重量輕、幾何形狀適應(yīng)性 強(qiáng)、抗電磁干擾、電絕緣性好、化學(xué)穩(wěn)定性好以及頻帶寬、靈敏度高、易于實現(xiàn)遠(yuǎn)距 離遙測與控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，比其他傳感元件更適用于工作條件惡劣的海底管道監(jiān)測。利用設(shè) 置在海底管道中的監(jiān)測光纖及其光強(qiáng)、頻率、偏振態(tài)等特性隨海底管道溫度、應(yīng)變等狀 態(tài)參數(shù)變化的性質(zhì)，通過對這些特性進(jìn)行測量，就可得到海底管

4、道狀態(tài)參數(shù)，從而可以判斷 海底管道的安全性，在海底管道出現(xiàn)危險前及時采取措施避免管道發(fā)生失效。在各種光纖傳 感技術(shù)中，分布式光纖傳感技術(shù)集傳感與傳輸于一體，可以獲得沿光纖分布被測量的連續(xù)信息，適合長距離監(jiān)測，因此，非常適合于線形海底管道的監(jiān)測，在海底管道健康監(jiān)測中應(yīng)用 前景極好。分布式光纖傳感器的主要技術(shù)方法有：基于光纖拉曼散射或布里淵散射的光時域反射 (ROTDR/BOTDR)及頻域反射技術(shù)(ROFDR/BOFDR)基于光纖瑞利散射的偏振光時域反 射技術(shù)(POTDR)長距離光干涉技術(shù)以及準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵復(fù)用技術(shù)等?；诓祭餃Y 散射的分布式光纖傳感技術(shù)利用光纖中的后向布里淵散射，由于它一

5、般工作在1. 55pm或 1. 3 pm的單模光纖，布里淵散射信號受到的衰減和色散較小，使得它在溫度、應(yīng)變測量上 所達(dá)到的測量精度和測量范圍以及空間分辨率均高于其它分布式傳感技術(shù)。2布里淵散射的傳感機(jī)理布里淵散射是入射光與光纖中的熱激勵聲波或傳播的壓力波相互作用的結(jié)果，這個傳 播的壓力波等效于一個以一定速度(且具有一定頻率)移動的密度光柵，因此布里淵散射可看 作是入射光在移動的光柵上的散射，多普勒效應(yīng)使得散射光相對于入射光產(chǎn)生一個頻移，稱 為布里淵頻移。其計算公式為：匕=2nV /人oVb為布里淵頻移;n為光纖纖芯折射率;Va為聲波的速度;入0為入射光在真空中的波長。光纖折射率和聲速都與光纖的

6、溫度及所受的應(yīng)力等因素有關(guān)，這使布里淵頻移vb隨這 些參數(shù)的變化而變化。實驗發(fā)現(xiàn)布里淵功率與溫度應(yīng)變之間也存在著線性關(guān)系，根據(jù)實驗結(jié) 果人們總結(jié)出了下面的方程僅：B sp BPB8V 8TV T=C s + C s8P 8TP T其中0 v是布里淵頻移變化量 PB / PB是布里淵功率相對變化量,6 及0 T分別是應(yīng)變和溫度變化量,C v及CT v分別是布里淵頻移應(yīng)變系數(shù)和頻移溫度系數(shù)CP及CTP分別是布里 淵功率應(yīng)變系數(shù)和功率溫度系數(shù)因此通過檢測布里淵信號的頻移和歸一化的信號功率變化 值就可獲得沿光纖分布的溫度及應(yīng)變信息，實現(xiàn)分布式傳感。3基于受激布里淵散射的分布式光纖溫度/應(yīng)變傳感器目前，

7、基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)從整體上分主要有3種方案:基于布里淵 光時域反射(BOTDR)的光纖傳感技術(shù)、基于布里淵光時域分析(BOTDA)的光纖傳感技術(shù)、基 于布里淵光頻域分析(BOFDA)的光纖傳感技術(shù)。BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)基于BOTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)與在光纖測量中廣泛應(yīng)用的光時域反射計(OTDR)相 似。采用相干檢測技術(shù)的BOTDR傳感系統(tǒng)原理框圖如圖1所示2 。在OTDR中，從光纖的一端發(fā)射1個光脈沖，同時在發(fā)射端檢測背向瑞利散射信號，發(fā)送 脈沖與散射信號之間的時延結(jié)合光的傳播速度可以提供散射點(diǎn)的位置信息測量散射信號的 強(qiáng)度可以得到光纖的衰減情況。在BOTDR中,被

8、測信號是布里淵散射信號，由于布里淵頻移 和強(qiáng)度與光纖所受應(yīng)力和溫度有關(guān)所以通過測量布里淵散射信號的頻移和強(qiáng)度就可以得到 沿光纖軸向分布的應(yīng)變和溫度信息。圖1相干BOTDR傳感系統(tǒng)原理BOTDA分布式光纖傳感技術(shù)基于BOTDA的分布式光纖傳感技術(shù)利用受激布里淵放大效應(yīng)，其原理框圖如圖2所示3】。圖2 BOTDA傳感系統(tǒng)原理2個激光器分別置于傳感光纖的兩端，其中1個激光器在Z = 0端發(fā)射脈沖光，傳播方 向為+ Z方向，另一個激光器在Z =L處向-Z方向發(fā)射連續(xù)光。BOT DA可以工作于脈沖光作為布里淵放大的泵浦和連續(xù)光作為布里淵放大的泵浦兩種方式對于第1種情況，脈沖光 在單模光纖中產(chǎn)生后向布里淵

9、增益。布里淵增益譜的中心頻率為斯托克斯頻率V - VB , V為 脈沖光頻率。當(dāng)連續(xù)光頻率等于斯托克斯光頻率時，連續(xù)光通過與脈沖光的受激布里淵作用 而得到放大。被放大了的連續(xù)光通過分束器并由光濾波器取出，再經(jīng)光電檢測器檢測得到沿 光纖各點(diǎn)的布里淵頻譜分布，從而得到待測量的信息。對于第2種情況，連續(xù)光頻率高于脈沖光頻率，連續(xù)光的能量向脈沖光轉(zhuǎn)移。由于這種 方式不會出現(xiàn)因泵浦能量不斷轉(zhuǎn)移而出現(xiàn)的泵浦耗盡現(xiàn)象，所以傳感距離比第一種方式大 大增加。(3) BOFDA分布式光纖傳感技術(shù)基于BOFDA的分布式光纖傳感技術(shù)最初是由德國的DieterGarus等人于1996年提出 的。不同于OTDR定位方法，

10、BOFDA是基于測量光纖的傳輸函數(shù)實現(xiàn)對測量點(diǎn)定位的一種 傳感方法。這個傳輸函數(shù)把探測光和經(jīng)過光纖傳輸?shù)谋闷止獾膹?fù)振幅與光纖的幾何長度相互 關(guān)聯(lián)起來，通過計算光纖的沖擊響應(yīng)函數(shù)確定沿光纖的應(yīng)變和溫度信息。BOFDA傳感系統(tǒng)原 理如圖3所示4。圖3 BOFDA傳感系統(tǒng)原理一束窄線寬連續(xù)泵浦激光從一端入射進(jìn)單模光纖，另一束窄線寬連續(xù)探測激光從光纖 的另一端入射。探測光的頻率被調(diào)節(jié)到比泵浦光頻率低，且二頻率差近似等于光纖的布里淵 頻移。對于標(biāo)準(zhǔn)單模通信光纖，當(dāng)光波長為1.3Mm時，光纖的布里淵頻移為13 GHz左右。 探測光由一個頻率f m可變的正弦信號進(jìn)行幅度調(diào)制,對每一個確定的信號頻率值，由光電

11、 探測器分別檢測探測光和泵浦光的光強(qiáng)，光電探測器的輸出信號輸入到網(wǎng)絡(luò)分析儀，由網(wǎng)絡(luò) 分析儀計算出光纖的基帶傳輸函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出信號經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行快速傅立葉反 變換，其輸出信號h(t)中即包含了沿光纖軸向的溫度與應(yīng)變分布信息。4分布式光纖傳感技術(shù)在海底管道監(jiān)測中的應(yīng)用及其面臨的問題海底管道是海洋石油工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重點(diǎn)。因為海底管道的線性結(jié)構(gòu)非常適于用分 布式光纖傳感技術(shù)，采用該技術(shù)較其他海洋工程結(jié)構(gòu)物有更大的技術(shù)支持優(yōu)勢，所以在現(xiàn)階 段海底管道式應(yīng)用分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行健康監(jiān)測最多的海洋工程結(jié)構(gòu)物。雖然近年來對分布式光纖傳感技術(shù)在海底管道健康監(jiān)測中的應(yīng)用研究取得很大進(jìn)展，但 是真正

12、用于實際工程中的分布式光纖傳感系統(tǒng)很少，這主要是由于目前人存在的一些技術(shù)問 題制約了該技術(shù)實際應(yīng)用到海底管道健康監(jiān)測中。其中主要的技術(shù)問題如下：1）光纖傳感系統(tǒng)保護(hù)和埋設(shè)問題。光纖傳感的保護(hù)和埋設(shè)是利用分布式光纖傳感技術(shù) 對海底管道進(jìn)行健康監(jiān)測的一個關(guān)鍵問題，光纖埋設(shè)成功與否關(guān)涉到光纖傳感系統(tǒng)在使用期 間是否得到有效保護(hù)，其結(jié)果直接影響結(jié)構(gòu)監(jiān)測效果。解決光纖傳感系統(tǒng)保護(hù)和埋設(shè)問題不 僅要考慮如何保證光纖和光纖傳感器不受損壞，還要考慮光纖保護(hù)岑不影響被監(jiān)測量在結(jié)構(gòu) 域光纖之間變化一致性以及埋沒難易，不影響海底管道正常施工問題。2）惡劣海洋環(huán)境下光纖傳感系統(tǒng)長期可靠性問題。對光纖和光纖傳感器可靠性

13、問題已 有很多研究，這些研究10多是針對陸上環(huán)境的，而對惡劣的海洋環(huán)境條件下光纖和光纖傳 感器在海底管道長期使用期間的可靠性研究進(jìn)行的非常少。光纖及光纖傳感器的長期可靠 性，包括制成光纖及光纖傳感器的材料在海洋環(huán)境荷載長期作用下的可靠性問題，這與它們 所受的保護(hù)是否有效密切相關(guān)。3）監(jiān)測信號處理算法問題。利用分布式光纖傳感系統(tǒng)對海底管道運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān) 測，其信號采集量非常大。采集到的信號能否得到及時處理非常關(guān)鍵，這取決于信號吹算法 速度和計算機(jī)運(yùn)行速度。而目前常規(guī)的信號處理算法四度和計算機(jī)運(yùn)行速度。而目前常規(guī)的 信號處理算法速度并不快，在很多情況下現(xiàn)在的普通的計算機(jī)包括服務(wù)器都無法達(dá)到對采

14、集 信號進(jìn)行及時處理所應(yīng)達(dá)到的運(yùn)行速度，因此需要尋找快速的信號哦處理算法，確保采集信 號能夠及時處理。5結(jié)論與展望對海底管道進(jìn)行健康監(jiān)測室在目前無法對引起海底管道失效的各種因素進(jìn)行有效控制 的情況下，通過對海底管道運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測來間接實現(xiàn)海底管道安全運(yùn)行的有效方法。分 布式光纖傳感技術(shù)由于可以獲得被測量咋空間和時間上的連續(xù)分布信息，在海底管道健康監(jiān) 測中較其他光纖傳感技術(shù)具有更大的優(yōu)勢，被廣泛用于研究海底管道健康監(jiān)測的問題中；但 受現(xiàn)階段許多技術(shù)問題的制約，分布式光纖傳感技術(shù)在海底管道健康監(jiān)測中的應(yīng)用還處于研 究和試驗階段?？梢灶A(yù)期，隨著分布式光纖傳感技術(shù)和海洋工程技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這些制

15、約性的技術(shù)問題將被逐步解決，分布式光纖傳感技術(shù)會被越來越多的用于海底管道健康監(jiān)測 中，為海洋油氣田的安全開發(fā)提供可靠的保證。參考文獻(xiàn)1 Luc Thevenaz. Fiber distributed sensing for a more secure societyA . Proceeding of the Symposium on Photonics Technologies for 7 th Framework ProgramC . 2006.T R Parker , M Farhadiroushan , V A Handerek , et al . The simultaneous me

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