核工業(yè)水管泄露的分布式光纖檢測(cè)研究

朱宗玖，李仁浩

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南 232000)

近年來(lái)，核能發(fā)電發(fā)展迅速，這在帶來(lái)高效能源的同時(shí)，也存在著核泄漏和核輻射的風(fēng)險(xiǎn)，特別是福島核事故后，核工業(yè)冷卻水的安全性及潛在風(fēng)險(xiǎn)已引起了核工業(yè)界的關(guān)注[1-2].含有放射性的核工業(yè)冷卻水如果出現(xiàn)泄漏，后果非常嚴(yán)重，危害是巨大的.

分布式光纖傳感器是一種具有抗電磁干擾、絕緣、防腐蝕、響應(yīng)快、靈敏度高、可實(shí)現(xiàn)分布式檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)的檢測(cè)裝置，其發(fā)展受到普遍關(guān)注[3-5].GCL（Geosynthetic Clay Liner，簡(jiǎn)稱GCL）是一種專門用于防漏工程的土木合成材料，其特性是遇水后能迅速膨脹，且膨脹體積巨大，并和滲漏量呈正比關(guān)系[6-7].根據(jù)這一特性，本文提出一種基于光纖微彎損耗檢測(cè)核工業(yè)水管泄露并且定位泄露位置的方法，該方法適用于核工業(yè)冷卻水管等需要長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的場(chǎng)所，具有安裝簡(jiǎn)單、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn).利用該方法可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)在線測(cè)量與監(jiān)控等功能.

1 檢測(cè)原理

1.1 光纖微彎損耗原理

激光在檢測(cè)光纖內(nèi)部傳播時(shí)，若光纖某一個(gè)位置產(chǎn)生微彎形變，激光在檢測(cè)光纖中的傳播角度就會(huì)發(fā)生改變，這樣就有一部分的光能因不滿足全反射條件而從纖芯泄漏到包層中，從而產(chǎn)生光能的損耗，如圖1所示，這個(gè)現(xiàn)象就是光纖的微彎損耗[8-10].利用這一特性可較好地檢測(cè)物體產(chǎn)生的微小形變.

本文所設(shè)計(jì)的核反應(yīng)堆冷卻水水管的縱深剖面圖如圖2所示.檢測(cè)光纖放置在GCL層和主防漏層中間，當(dāng)冷卻水泄漏時(shí)，GCL與之反應(yīng)而體積膨脹，檢測(cè)光纖受到形變的壓迫，會(huì)因?yàn)槲澢a(chǎn)生光能損耗[11]，所以通過(guò)檢測(cè)出射的激光功率就可以計(jì)算得知GCL膨脹與否.進(jìn)一步，由于光在傳播過(guò)程中，能量會(huì)隨著傳播距離的增加而慢慢降低，所以可據(jù)此計(jì)算得到反應(yīng)堆水管滲漏的位置.

圖1 光纖微彎示意圖

圖2 核反應(yīng)堆冷卻水水管縱深剖面圖

1.2 光時(shí)域反射原理

在檢測(cè)光纖的起始端加上一個(gè)激光脈沖信號(hào)，比較泄露點(diǎn)和正常部分的光能量曲線會(huì)發(fā)現(xiàn)，泄漏點(diǎn)的激光功率出現(xiàn)了明顯的“階梯狀”衰減[12-14].通過(guò)該能量衰減計(jì)算出對(duì)應(yīng)的泄露位置，其理論基礎(chǔ)就是光時(shí)域反射原理.當(dāng)一束激光從起始端入射檢測(cè)層的光纖后，其中一部分沿著檢測(cè)光纖傳輸通道按照V的速度傳播，

式中，C為真空光速，n為光纖的纖芯折射率.

激光在光纖中傳播時(shí)，其中一部分會(huì)沿著光纖傳輸通道傳播，另一部分則會(huì)由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性而產(chǎn)生后向散射，這里面光強(qiáng)度最大的且難以消除的部分被稱為瑞利散射[15-16]，如圖3所示.

入射激光在光纖中傳播時(shí)，遇到障礙就會(huì)返回入射點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量激光從入射到被光電探測(cè)器探測(cè)到后向瑞利散射光的時(shí)間差，就能夠計(jì)算折射率改變的點(diǎn)到起始端的距離L：

式中，V為（1）式中光在光纖內(nèi)的傳播速度，t為激光入射到被接收的時(shí)間差.

把光時(shí)域反射技術(shù)應(yīng)用于光纖微彎損耗檢測(cè)冷卻水管滲漏定位模型上，通過(guò)直接監(jiān)測(cè)整條光纖的能量損耗，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻水管是否泄露的檢測(cè)以及泄漏點(diǎn)坐標(biāo)的定位.

2 滲漏模型的建立

圖3 后向瑞利散射示意圖

由于滲漏點(diǎn)漏水導(dǎo)致GCL材料膨脹，分布在GCL上層的檢測(cè)光纖會(huì)凹凸不平，檢測(cè)光纖會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生多個(gè)位置的微彎損耗.從理論上精準(zhǔn)計(jì)算激光的微彎損耗比較困難，但可以根據(jù)光纖的彎曲損耗原理與入射到纖芯的激光特性以及 GCL防漏工程材料的特性，建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，了解入射激光的損耗情況.

測(cè)試示意圖如圖4所示.從光時(shí)域反射儀后連接一根跳線，跳線后面連接尾纖，尾纖后面再接檢測(cè)光纖，檢測(cè)光纖螺旋狀纏繞在待測(cè)水管外壁.為保證尾纖不產(chǎn)生彎曲損耗（尾纖產(chǎn)生彎曲損耗會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果），實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保證尾纖呈直線狀態(tài).

由光纖反射點(diǎn)計(jì)算實(shí)際形變點(diǎn)的計(jì)算示意圖見(jiàn)圖5，計(jì)算公式如下：

式中，L為光纖反射點(diǎn)到光纖首端的距離，θ為光纖圍繞水管的鋪設(shè)角度，h為形變點(diǎn)距離地面的高度.

圖4 測(cè)試示意圖

圖5 計(jì)算滲漏點(diǎn)示意圖

2.1 檢測(cè)測(cè)量系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先運(yùn)用 GCL的材料特性使?jié)B漏點(diǎn)產(chǎn)生微小形變，然后通過(guò)光時(shí)域反射儀（Optical Time Domain Reflectometer，簡(jiǎn)稱OTDR）來(lái)檢測(cè)環(huán)繞在GCL外層的光纖產(chǎn)生微彎損耗的位置.工作時(shí)，激光器向光纖發(fā)射激光，待確認(rèn) GCL浸水膨脹后，從各個(gè)彎曲點(diǎn)散射的后向瑞利散射光將返回到光纖分路器中，進(jìn)入檢測(cè)電路，通過(guò)放大器放大整形、A/D轉(zhuǎn)換以及分析，就能夠得到檢測(cè)結(jié)果曲線，曲線上的各點(diǎn)則分別對(duì)應(yīng)光纖上的位置點(diǎn)和該位置的光功率[17-18]，如圖6，除去前端盲區(qū)和噪聲電平，中段穩(wěn)定下降的部分就是系統(tǒng)主要檢測(cè)的衰減范圍，中間儀器監(jiān)測(cè)到的能量衰減突變?yōu)镚CL膨脹后導(dǎo)致傳感光纖形變產(chǎn)生的事件點(diǎn)，即滲漏點(diǎn).

2.2 確定適合檢測(cè)參數(shù)

對(duì)于OTDR來(lái)說(shuō)，影響其測(cè)試結(jié)果的主要因素有三個(gè)：脈沖寬度、波長(zhǎng)和時(shí)間.分析這三個(gè)因素，確定最適合檢測(cè)的參數(shù)范圍.

圖6 模擬光纖微彎損耗分布圖

1）脈沖寬度的影響.脈沖寬度決定測(cè)試長(zhǎng)度，減小脈沖寬度可以減小死區(qū)范圍，把相近的事件清晰地區(qū)分開(kāi)來(lái)[19].但是，隨著脈沖寬度的減小，其動(dòng)態(tài)范圍會(huì)不斷降低，噪聲的影響會(huì)逐漸變大，從而影響光纖的最大可測(cè)量長(zhǎng)度.本實(shí)驗(yàn)中所需要的檢測(cè)范圍不是很大，所以取用窄脈寬（80 ns的脈寬）來(lái)測(cè)量，使定位更加精準(zhǔn).

2）測(cè)試波長(zhǎng).波長(zhǎng)和功率呈反比，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光纖的損耗功率也就越小，相對(duì)應(yīng)的敏感度就越高[20].然而波長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，瑞利散射的能量達(dá)到峰值以后就會(huì)下降，會(huì)產(chǎn)生紅外線衰減現(xiàn)象，從而對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不真實(shí).為了更好地檢測(cè)光纖的彎曲損耗，我們采用波長(zhǎng)為1 310 nm與1 550 nm的激光同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性.

3）采樣時(shí)間.對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的采集能夠在一定程度上降低一些隨機(jī)事件的影響.采用較長(zhǎng)的平均采樣時(shí)間，可以減小OTDR的噪聲電平，增加其動(dòng)態(tài)范圍，提高測(cè)試精度.實(shí)驗(yàn)選擇平均采樣時(shí)間為2 min.

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

由于光纖本身比較纖細(xì)，且核反應(yīng)冷卻水環(huán)境難以實(shí)現(xiàn)，因此我們要對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行一個(gè)相應(yīng)的模擬.

首先，模擬核反應(yīng)堆冷卻水水管的環(huán)境，建造一個(gè)空心圓柱體水泥區(qū)域，規(guī)格是內(nèi)徑2 m、外徑2.5 m、高70 m.最外層是平整的水泥面，防止因?yàn)樽钔鈱右蛩貙?dǎo)致的光纖彎曲影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果.在水泥層的內(nèi)側(cè)依次加上細(xì)沙、高密度聚乙烯滲透膜（防止水泄露到外面）、GCL、檢測(cè)光纖、GCL、高密度聚乙烯滲透膜、細(xì)沙、水泥層.檢測(cè)光纖應(yīng)較測(cè)試需要的光纖略長(zhǎng)，以防止光纖前端的盲區(qū)效應(yīng)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這里光纖總長(zhǎng)度取 L =2.3 km.在最內(nèi)層的高密度聚乙烯滲透膜和同位置的上層水泥上面隨機(jī)制造 3個(gè)洞，模擬滲漏的情況，如圖 7所示.將檢測(cè)光纖環(huán)繞在圓柱體內(nèi)，鋪設(shè)角選為θ = 2°.鋪設(shè)完畢后，在最內(nèi)層的水泥上澆水，這里僅使用正常水進(jìn)行模擬，等待水通過(guò)內(nèi)層水泥和內(nèi)層的高密度聚乙烯膜并且充分浸染 GCL，使其發(fā)生膨脹形變.之后再利用光時(shí)域反射計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和收集.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析

圖7 模擬滲漏示意圖

圖8 OTDR測(cè)試儀器結(jié)果

圖8 是基于OTDR給出的系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果.實(shí)驗(yàn)由波長(zhǎng)為1 310 nm（曲線A）與1 550 nm（曲線B）的激光同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，為防止有誤測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生，僅將兩次測(cè)試結(jié)果均出現(xiàn)事件的點(diǎn)記錄為事件點(diǎn).

從圖8能夠清楚看出，一共有9處出現(xiàn)了反射事件，最后一處為光纖末尾，不予記錄，則檢測(cè)到的反射事件點(diǎn)為 8處.分析圖 8可得，8處事件點(diǎn)可分為三組，1、2、3為一組，4、5、6為一組，7、8為一組，分別對(duì)應(yīng)三組滲漏點(diǎn).將三組數(shù)據(jù)匯總，8個(gè)事件點(diǎn)的位置為 Xn(n=1,2,… ,8 )，按照公式（3）算出對(duì)應(yīng)的滲漏點(diǎn)高度坐標(biāo)為 Hn(n = 1 ,2,…,8 )，每組測(cè)得數(shù)據(jù)的平均滲透點(diǎn)高度為 Yn(n = 1 ,2,3)，實(shí)驗(yàn)前模擬的滲漏位置為 Zn(n = 1 ,2,3)，見(jiàn)表1.

由表1可知，所測(cè)結(jié)果與實(shí)際滲漏點(diǎn)大致相同，檢測(cè)裝置能較好地檢測(cè)到水管由于滲漏導(dǎo)致的形變位置.由于滲漏點(diǎn)處水與 GCL結(jié)合后形成的不規(guī)則形變，導(dǎo)致形變區(qū)有多條檢測(cè)光纖經(jīng)過(guò)，所以出現(xiàn)多個(gè)反射事件.由公式（3）可知，鋪設(shè)角θ越小，光纖鋪設(shè)越密集，對(duì)同一形變處得到的反射事件的數(shù)量就越多.以上現(xiàn)象為后續(xù)的研究提供了思路：想要更直觀地觀測(cè)水管外壁的形變程度，只需選擇合適的光纖檢測(cè)材料和鋪設(shè)夾角θ，就可以改變針對(duì)同一形變的反射事件數(shù)量.對(duì)水管外壁形變的規(guī)模大小和嚴(yán)重程度建立一個(gè)具體的數(shù)學(xué)模型，可以更好地分析水管滲漏的情況.

表1 OTDR測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用 GCL能夠在水管破裂時(shí)與水結(jié)合發(fā)生膨脹并且壓迫光纖的現(xiàn)象，結(jié)合光纖的彎曲損耗原理，給出了基于光纖彎曲損耗的滲漏檢測(cè)方法.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方法可以實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的定位，且具有安全、快速和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn).

另外，從實(shí)驗(yàn)可知，鋪設(shè)的光纖材料和角度的選擇，會(huì)影響對(duì)事件點(diǎn)的測(cè)量.改變光纖材料和鋪設(shè)角度，可以獲得更多的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).由此可建立更為完善的數(shù)學(xué)模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)核工業(yè)水管滲漏情況的更為系統(tǒng)的檢測(cè).