基于分布式光纖振動傳感的長輸埋地管道安全監(jiān)測技術(shù)

何 欣

(中石油管道有限公司西氣東輸分公司南昌管理處，江西 南昌 330000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速穩(wěn)定增長和“一帶一路”推動下，我國的油氣管道建設(shè)及運營里程取得了令世人矚目的成就。目前，我國油氣管道已經(jīng)突破13萬km，西氣東輸、北油南進、西油東進、海氣登陸的輸送格局已經(jīng)形成，尤其是2019年中俄東線天然氣管道的投產(chǎn)通氣，均成為推動我國經(jīng)濟發(fā)展的能源動脈。油氣管道運營里程長，隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，沿公路的建筑物不斷增多，致使管線經(jīng)常遭受非法占壓破壞；此外不法分子非法開挖鉆孔盜油事故時常發(fā)生。譬如西氣東輸管道輸送的天然氣是易燃易爆物品，輸送壓力高(10 MPa)、輸送距離長(4 000 km)，沿線存在的非法占壓、開挖盜油等事故可能會導致管線爆裂，造成天然氣泄漏乃至明火燃燒爆炸。因此，有必要采取有效的監(jiān)測手段對長輸埋地管道的非法占壓、開挖盜油等危害事件進行快速監(jiān)測及定位，及時對管道安全進行預警，確保管道服役期運營安全。

目前長輸埋地管道監(jiān)測參量主要包括管道變形、管道腐蝕以及管道泄漏等?；谏鲜鰠⒘康墓艿腊踩O(jiān)測方法主要有人工巡檢、無人機遙測、負壓波技術(shù)、管道機器人以及光纖傳感技術(shù)。人工巡檢和無人機遙測技術(shù)存在效率低等問題且不能對埋地管道隱蔽段進行很好的檢測[1]。負壓波方法主要用于管道泄漏監(jiān)測，通過安裝在管道兩端的動態(tài)壓力傳感器監(jiān)測負壓波信號，基于負壓波波速和傳感器監(jiān)測信號的時間，可以對泄漏點進行較高精度的定位[2]。管道機器人主要用于管道內(nèi)壁狀態(tài)檢測，存在檢測周期長等問題[3]。光纖傳感技術(shù)具有抗電磁場干擾、信號傳輸距離長、無源傳感等優(yōu)點，目前有采用分布式光纖布里淵傳感技術(shù)和光纖光柵應(yīng)變傳感技術(shù)開展管道變形監(jiān)測，取得了一定的工程效果[4-6]。上述已有測試技術(shù)屬于“事后監(jiān)/檢測”技術(shù)，即管道已經(jīng)發(fā)生了損傷，不能對諸如非法占壓，開挖盜油等危害管道安全的事件進行監(jiān)測預警。

分布式光纖振動傳感技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)十公里連續(xù)的振動場的在線監(jiān)測，在管道上方占壓或附近開挖等工程會產(chǎn)生一定的特征信號。鑒于此，本文采用分布式光纖振動傳感技術(shù)，基于此特征振動信號的監(jiān)測對管道占壓和開挖事件進行安全預警，并通過試驗驗證了該方法的可行性。

1 長輸埋地管道分布式光纖振動傳感技術(shù)

分布式光纖振動監(jiān)控系統(tǒng)利用光的干涉現(xiàn)象。當由聲音或物體振動產(chǎn)生的壓力施加于傳感光纜時，由于彈光效應(yīng)導致傳感光纜的長度和折射率發(fā)生變化，從而引起傳感光纜中傳輸光的相位改變。通過光干涉儀，將光相位的改變轉(zhuǎn)換為光強度的變化，從而實現(xiàn)信號的解調(diào)。以普通通訊光纜本身作為傳感設(shè)備，可以檢測一根長達幾千米到幾十千米的光纖的振動情況和應(yīng)變，空間采樣間隔僅1 m，檢測周期可達秒級?；谙辔幻舾泄鈺r域反射(Φ-OTDR)的干涉機理，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由光調(diào)制解調(diào)儀、光探測模塊、信號采集器、協(xié)處理器、監(jiān)測分析報警系統(tǒng)和傳感光纜等組成。

圖2為基于分布式光纖振動傳感技術(shù)的管道安全監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)的主要功能是采用同溝鋪設(shè)的光纖對長輸埋地管道沿線的振源進行在線監(jiān)測，通過大量樣本學習，識別對管道具有危害的振源，如非法盜油、重載汽車穿越、占壓等，以達到及時預警的目的。

2 試驗驗證及數(shù)據(jù)分析

圖3為某長輸管道振動監(jiān)測現(xiàn)場，壓路機在某油氣管道上方行駛對土體產(chǎn)生一定的振動，傳感器為該油氣管道通訊光纜中的冗余光纖。圖4為壓路機和模擬鉆孔工況得到的光纖振動信號。從圖4可以看到，鉆孔產(chǎn)生的振動信號強度(288)和影響區(qū)域(4 m)均小于壓路機產(chǎn)生的振動信號強度(585)和影響區(qū)域(85 m)，與實際情況相符。

3 結(jié)語

基于分布式光纖振動傳感技術(shù)構(gòu)建了長輸埋地管道非法占壓、鉆孔監(jiān)測系統(tǒng)，并在某油氣管道中進行了振動測試試驗。試驗結(jié)果表明該方法依據(jù)同溝鋪設(shè)的通訊光纜可以有效監(jiān)測管道上方及附近位置的振動信息，并可實現(xiàn)較高精度的振源區(qū)域定位。