基于布里淵散射的分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)在管道安全監(jiān)測中的應(yīng)用

汪 濤，陸 昊，白 宇，李曉可

1中國石油管道局工程有限公司設(shè)計分公司，河北 廊坊

2中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

1.引言

管道的安全監(jiān)測主要包括管道變形監(jiān)測和管道泄漏監(jiān)測。管道變形監(jiān)測的方法有應(yīng)變片法、超聲波法、管道智能清理器法、布拉格光纖光柵法和分布式光纖傳感技術(shù)等[1][2][3][4]。管道泄漏的監(jiān)測方法有超聲波檢測法、漏磁通檢測法和分布式光纖傳感技術(shù)等[5][6]。分布式光纖傳感技術(shù)是以普通光纖作為傳感器，在光纖任意位置都可以進(jìn)行溫度和應(yīng)變測量，相較于其他傳統(tǒng)管道變形監(jiān)測技術(shù)具有分布式、連續(xù)式和實(shí)時在線監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)。筆者利用基于布里淵散射原理的DiTeSt 分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，在高海拔長距離的管道運(yùn)輸項目中實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、在線、可靠的管道變形和管道泄漏監(jiān)測，提高了管道安全運(yùn)營管理水平和效率。

2.分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測原理

光在光纖中傳播會產(chǎn)生散射，主要有瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射。布里淵散射是光子與光纖中的聲子相互作用產(chǎn)生的，布里淵散射光同時對應(yīng)變和溫度敏感，應(yīng)變和溫度產(chǎn)生變化時，背向布里淵散射光將會產(chǎn)生頻移，通過測量測定脈沖光的背向布里淵散射頻移量可以實(shí)現(xiàn)分布式應(yīng)變、溫度測量。

目前基于布里淵散射的應(yīng)變、溫度傳感技術(shù)有基于光時域反射的分布式光纖傳感技術(shù)(BOTDR)和基于光時域分析的分布式光纖傳感技術(shù)(BOTDA)[7][8]。BOTDA 技術(shù)根據(jù)脈沖光和連續(xù)光之間的相互作用，使得布里淵頻譜受激放大，因此可獲得比BOTDR 技術(shù)更高的空間分辨率和精度。DiTeSt 分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)是基于受激布里淵散射(SBS)原理的BOTDA技術(shù)。

DiTeSt 分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)可用于管道變形、管周土體移動、管道泄漏和侵蝕等管道安全的監(jiān)測。管道受地質(zhì)構(gòu)造及地質(zhì)災(zāi)害等因素的影響時會產(chǎn)生變形，在管道或管周土體中鋪設(shè)光纜，當(dāng)管道發(fā)生變形或管周土體移動時測量光纖也會產(chǎn)生應(yīng)變，通過光纖應(yīng)變即可監(jiān)測到管道變形和土體的移動變形。當(dāng)油氣管道產(chǎn)生泄漏或侵蝕等不良影響時，管道周圍的溫度場會產(chǎn)生較大變化。通過監(jiān)測布設(shè)在管道上的溫度光纖傳感器即可監(jiān)測到管道泄漏、管道周圍土體侵蝕等災(zāi)害。

3.應(yīng)用案例

跨安第斯山脈管道監(jiān)測是目前世界上海拔最高的管道檢測項目，監(jiān)測管道連通著高壓液化天然氣管道和天然氣管道，延伸至408km 外的海岸，管道沿途海拔高度近5000m?；诓祭餃Y散射原理研發(fā)的DiTeSt分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)測地層移動和水位變化，可以精確監(jiān)測和定位經(jīng)過安第斯山脈的60 km管線的應(yīng)變和溫度信息，能夠監(jiān)測管道沿線的地層移動和水位變化。泄漏監(jiān)測由沿著管道連續(xù)進(jìn)行的溫度監(jiān)測提供數(shù)據(jù)和信息。

在一次巖石墜落事故中，系統(tǒng)顯示了一處應(yīng)變突然增加的預(yù)警，對警報位置實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)的巖石已經(jīng)掉落，光纖傳感器位置發(fā)生移動。巖崩是由于斜坡上的一個張力裂縫增加造成的。為了確保管道的安全，運(yùn)營商對該區(qū)域進(jìn)行了加固。在另一次土體移動事故中，DiTeSt 分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)對事故進(jìn)行了應(yīng)變事件預(yù)警，經(jīng)檢查，是滲透導(dǎo)致管道溝渠部分坍塌，使得監(jiān)測系統(tǒng)中出現(xiàn)應(yīng)變突增，運(yùn)營商及時對溝渠進(jìn)行修復(fù)防止管道受到進(jìn)一步損害。在該管道運(yùn)營過程中，DiTeSt 分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)給出了大量事件的預(yù)警，全部通過實(shí)地巡邏驗證，使得運(yùn)營商能夠在必要時加固管道，避免經(jīng)濟(jì)損失。

4.結(jié)語

基于布里淵散射原理的DiTeSt 分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足實(shí)時、連續(xù)管道監(jiān)測的要求，可用于管道變形、管周土體移動、管道泄漏和侵蝕等管道安全監(jiān)測。該系統(tǒng)在高海拔長距離的管道安全監(jiān)測項目中得到了很好的應(yīng)用，能及時高效地對災(zāi)害事件進(jìn)行預(yù)警，提高管道安全監(jiān)測效率，保證管線正常安全運(yùn)營，減少運(yùn)營商的經(jīng)濟(jì)損失。