利用光纖技術(shù)實(shí)現(xiàn)油氣管道破損在線預(yù)警

孫俊

摘要：本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的油氣管道預(yù)警檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)新型的光纖預(yù)警技術(shù)工作原理、應(yīng)用環(huán)境、系統(tǒng)組成、現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)等方面進(jìn)行闡述、分析。利用光纖技術(shù)實(shí)現(xiàn)管線破損預(yù)警定位，是基于光纖干涉技術(shù)發(fā)展而成，通過(guò)檢測(cè)光纖中產(chǎn)生的散射和反射信號(hào)來(lái)進(jìn)行判斷，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理后，可以得到外界振動(dòng)信號(hào)，從而判斷出報(bào)警類型與位置，保護(hù)油氣管道設(shè)施安全。

關(guān)鍵詞：油氣；管道；光纖；預(yù)警；定位

1概述

油氣資源作為一次能源的三大支柱之一，是一種潔凈環(huán)保的優(yōu)質(zhì)能源，熱值高，安全性較高，燒穩(wěn)定，是保障國(guó)家安全的重要資源。我國(guó)的油氣管道具有點(diǎn)多、線長(zhǎng)、地域廣的特點(diǎn)，為了有效防止油氣管道危害事件的發(fā)生，管道運(yùn)營(yíng)方面投入了大量的人力、物力，但是限于油氣管道距離長(zhǎng)、沿途路況復(fù)雜、突發(fā)事件多等因素影響，實(shí)際效果并不理想。

2國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)預(yù)警技術(shù)分析

目前，在國(guó)內(nèi)外較為常用的油氣管道破壞預(yù)警技術(shù)有準(zhǔn)分布式光纖泄漏檢測(cè)、多光纖探頭遙測(cè)、光纖溫度傳感器檢漏等幾種，下面就這幾種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較。

（1）準(zhǔn)分布式光纖泄漏檢測(cè)法

NEC公司已研制出能在10Km油氣管道長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行漏油檢測(cè)的傳感器，它對(duì)水不敏感，可在易燃易爆和高壓環(huán)境中使用。傳感器的核心部件由棱鏡、光發(fā)與光收裝置構(gòu)成，當(dāng)棱鏡底面接觸不同種類的液體時(shí)，光線在棱鏡中的傳輸損耗不同，根據(jù)光探測(cè)器接收的光強(qiáng)來(lái)確定油氣管道是否泄漏。這種傳感器的缺點(diǎn)是不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)破壞事件，且只能檢測(cè)液體，對(duì)天然氣不適用。

（2）多光纖探頭遙測(cè)法

美國(guó)拉斯維加斯市的FCI環(huán)保公司開發(fā)的PETROSENSE光纖傳感系統(tǒng)，可對(duì)水中和蒸氣態(tài)的碳?xì)浠衔锟偭窟M(jìn)行連續(xù)檢測(cè)。在現(xiàn)場(chǎng)選擇配置1-16個(gè)探頭，探頭核心部分是一小段光纖化學(xué)傳感器，通過(guò)光纖包層選擇性地吸附碳?xì)浠衔铮蛊湔凵渎实玫礁淖?，從而使光纖中光的傳播特性發(fā)生變化，由此判斷泄漏位置。這項(xiàng)技術(shù)的缺點(diǎn)是在事件發(fā)生前無(wú)法預(yù)判，且施工復(fù)雜，后期維護(hù)費(fèi)用高。

（3）塑料包覆石英光纖傳感器泄漏檢測(cè)法

塑料包覆石英光纖傳感器泄漏檢測(cè)法，當(dāng)液體與光纖接觸滲透到包層，引起包層折射率變化，造成光纖傳輸損耗升高。當(dāng)探測(cè)器的接收光強(qiáng)低于設(shè)定水平時(shí)，會(huì)觸發(fā)報(bào)警電路。這項(xiàng)技術(shù)需要特殊的光纖傳感器，設(shè)備造價(jià)昂貴，不適合長(zhǎng)輸油氣管道。

（4）光纖溫度傳感器檢漏法

該技術(shù)通過(guò)分布式光纖溫度傳感器可連續(xù)測(cè)量沿油氣管道的溫度分布情況，檢測(cè)判斷油氣管道沿途的泄漏發(fā)生情況。利用光纖反stkoesRamna背向散射的溫度效應(yīng)，光纖所處空間各點(diǎn)溫度場(chǎng)調(diào)制了光纖中傳輸?shù)墓廨d波，經(jīng)解調(diào)將空間溫度場(chǎng)的信息實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。但由于油氣管道周圍環(huán)境會(huì)形成一個(gè)溫度場(chǎng)，泄漏產(chǎn)生的溫度變化不會(huì)很明顯，因此該技術(shù)不能檢出微小的泄漏，另外，該方法檢測(cè)距離較短，不適用于長(zhǎng)輸油氣管道的檢測(cè)。

3光纖預(yù)警定位技術(shù)原理

光纖預(yù)警定位技術(shù)屬于OTDR檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展延伸，當(dāng)外界有振動(dòng)作用于傳感光纜時(shí)，引起光纜中纖芯發(fā)生形變，導(dǎo)致纖芯長(zhǎng)度和折射率發(fā)生變化，繼而導(dǎo)致光纜中光的相位發(fā)生變化，成為一種攜帶外界振動(dòng)信息的信號(hào)光，這種信號(hào)光反射回系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備后，進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)處理，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理后可以得到外界振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的波形進(jìn)行分析判斷出報(bào)警類型與位置。

3.1光纖預(yù)警工作原理

當(dāng)有振動(dòng)信號(hào)作用于信號(hào)光纖時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的干涉條紋，由干涉原理可知同頻率同振動(dòng)方向的兩束光在任意點(diǎn)發(fā)生干涉時(shí)，該點(diǎn)的干涉光強(qiáng)為式3.1所示。

（3.1）

其中I1、I2分別為發(fā)生干涉的兩束光的光強(qiáng)，△φ為兩束光之間的相位差。通過(guò)后期的數(shù)據(jù)處理，我們就可以很清楚地得到外界應(yīng)力的大小。通過(guò)對(duì)光纖輸出干涉光功率檢測(cè)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，就可以獲得沿光纖路徑上壓力變化和振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征，判定是否有油氣管道泄漏、機(jī)械施工或人為破壞等事件的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)故障類型判定。

3.2光纖定位工作原理

由以上原理可知，當(dāng)有振動(dòng)作用于信號(hào)光纖時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的干涉條紋，那么如何確定預(yù)警事件的位置呢？設(shè)定光纖總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，光線在光纖中的速度為C，在光纖中的折射率為n，光纖在最末端形成的干涉信號(hào)返回時(shí)間t，由此可以列出公式3.2。

（3.2）

由于處在同一條光纖內(nèi)，因此C與n為固定值，因此可以判斷，受外力干擾的信號(hào)位置為L(zhǎng)1時(shí)，時(shí)間為t1，綜合可得如下公式3.3

（3.3）

由于L與t均可在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)出，因此，只需要測(cè)量t1就可以確定預(yù)警事件發(fā)生的位置。

4系統(tǒng)組成與運(yùn)行

4.1光纖預(yù)警定位系統(tǒng)設(shè)備組成

預(yù)警定位系統(tǒng)可以由傳感光纜、引導(dǎo)光纜、主控儀、操作臺(tái)這幾部分組成。其中，客戶端操作臺(tái)、主控儀位于站場(chǎng)機(jī)房?jī)?nèi)，引導(dǎo)光纜、傳感光纜安裝于室外，通過(guò)系統(tǒng)主機(jī)即可進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

4.2油氣管道環(huán)境信息采集

采集油氣管道環(huán)境信息，屬于設(shè)備自檢期，設(shè)備運(yùn)行檢測(cè)油氣管道周邊環(huán)境信息值，由于背景噪聲不同，顯示出各種報(bào)警信息，此時(shí)的報(bào)警信息屬于適應(yīng)油氣管道周邊各穿越區(qū)域的背景噪聲期，不具備實(shí)際的報(bào)警價(jià)值。系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試期，進(jìn)行頻譜和報(bào)警值綜合分析，對(duì)試驗(yàn)油氣管道沿線特征、不同地理位置的報(bào)警閾值特征，自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警閾值相應(yīng)設(shè)定。系統(tǒng)正式運(yùn)行期，在此期間，系統(tǒng)報(bào)警數(shù)據(jù)逐步降低的趨勢(shì)，系統(tǒng)運(yùn)行趨于穩(wěn)定，報(bào)警信息準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

光纖預(yù)警定位技術(shù)利用油氣管道同溝鋪設(shè)光纖作為傳感器，拾取油氣管道沿途的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集、處理和分析，對(duì)油氣管道周圍發(fā)生破損實(shí)現(xiàn)了有效監(jiān)測(cè)。該技術(shù)利用現(xiàn)有的資源，效果好、智能化高、安裝與維護(hù)簡(jiǎn)單，能夠確保油氣管道在遭受破壞前預(yù)警與定位，可以及時(shí)制止油氣泄漏等危險(xiǎn)事件發(fā)生，最大限度降低人員傷亡、環(huán)境污染、國(guó)家或企業(yè)財(cái)產(chǎn)損失，保證油氣管道安全穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]杭利軍，何存富，吳斌等，基于Sagnac光纖干涉儀的管道泄漏檢測(cè)和定位技術(shù).關(guān)學(xué)技術(shù)，2007（9）：651-653

[2]郭兆坤，鄭曉亮，陸兆輝，等. 分布式光纖溫度傳感技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2008（5）：543-546.

[3] 周新. 天然氣管道在線預(yù)警與定位技術(shù)應(yīng)用研究. 價(jià)值工程. 2014（05）：68-69

（作者單位：中石油遼河油田錦州采油廠）