基于φ-OTDR的輸氣管道泄漏定位技術(shù)研究

張偉鵬

（中油北京銷售有限公司，北京 100101）

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，油氣管道的鋪設(shè)距離越來越長，很多管道由于服役時間長、防腐層失效、陰極保護度降低、內(nèi)腐蝕嚴重、人為破壞等問題，容易發(fā)生穿孔泄漏現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，某管道公司平均每年發(fā)生12-16起重大泄漏事故。由于油氣輸送管道介質(zhì)具有易燃易爆特點，一旦發(fā)生泄漏，極易引發(fā)蒸氣云擴散和池火災(zāi)爆炸，造成人員傷亡和環(huán)境污染等重大事故，因此對油氣管道的泄漏點進行準確定位是管道安全運行的前提條件。

分布式光纖傳感系統(tǒng)的原理是當光纖敷設(shè)環(huán)境發(fā)生改變時，入射光會產(chǎn)生向后散射現(xiàn)象，其中與入射光頻率相同的為瑞利散射，與入射光頻率不同的為拉曼散射或布里淵散射，散射信息中攜帶了光纖自身的特性變化，通過移動差分處理提高散射信號的信噪比，從而分析出泄漏位置和泄漏點信息。在此，采用先進的φ-OTDR（相敏光時域反射）技術(shù)對管道沿線不同工況條件下的溫度信息進行采集和處理，對泄漏點位置進行快速定位，該技術(shù)與傳統(tǒng)的OTDR相比，其激光發(fā)射器具有低線寬、低線頻的特點，采用了同向雙激光發(fā)射器來增強散射信息（主要為瑞利散射光），測量的溫度范圍更廣，測量精度更高。

1 模型原理

1.1 湯姆-焦耳遜效應(yīng)

輸氣管道泄漏的過程可以看作壓縮氣體節(jié)流，節(jié)流過程中外界所做的功與氣體的內(nèi)能相等，同時節(jié)流前后的焓值H不變，將H微分后得到：

dH=CpdT+[μ-T(?μ-?T)]pdp

式中：Cp為定壓比熱容，J/mol·K；μ為比容，m3/k；T為泄漏點處的溫度，K；p為泄漏點處的壓力，MPa。

管道泄漏屬于節(jié)流膨脹，體積變大，溫度降低產(chǎn)生致冷效應(yīng)，與周圍的土壤會產(chǎn)生熱傳遞，在土壤中形成溫度場，φ-OTDR可檢測到這種溫度變化，并引起瑞利散射光強的頻移，從而對溫度梯度發(fā)生變化的位置L進行定位：

L= vt/2n

式中：L為溫度梯度發(fā)生變化的位置，m；v為光速，3×108m/s；n為分布式光纖的折射率。

1.2 數(shù)據(jù)處理方式

向后散射的光強容易淹沒在噪聲信號中，φ-OTDR采用了移動平均差分法對干擾進行濾波處理，首先采集n條瑞利散射曲線：

m={m1，m2，…mn}

假設(shè)采集窗口寬度為m，進行公式變換平移操作，處理后的信號R為：

R={R1，R2，…Rk}

k=n-m+1

差分參考項Ri：

當采用移動平均差分法進行處理后，瑞利散射曲線的數(shù)量從n降為m，大大減少了數(shù)據(jù)的處理量，同時泄漏信號差分幅值也未發(fā)生較大變化，說明測試點信號特征具有較高的信噪比，雖然提取了低頻信號，但中高頻部分的主要特性信息依然存在。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 工程條件

選取某輸氣管道作為試驗現(xiàn)場，該管道全長35km，管徑1422mm，壁厚15.5mm，設(shè)計輸量300×108m3/a，設(shè)計壓力15MPa，實際運行壓力10MPa，防腐層為3PE。服務(wù)器和主機設(shè)置在首站，沿管線同溝敷設(shè)φ-OTDR光纖測溫傳感器，并利用通信光纜中的2芯線路進行回路測試，傳感器接收到土壤溫度場的變化后將數(shù)據(jù)上傳至主機，主機將信號進行調(diào)制、解調(diào)后上傳至服務(wù)器，根據(jù)服務(wù)器中預(yù)先設(shè)定的報警閾值進行報警處理。φ-OTDR光纖傳感器的傳感距離為40km，空間定位精度為1-20m，采樣頻率為5-20Hz，采樣分辨率為0.5-1m，通道數(shù)不少于2個。

2.2 升溫試驗

根據(jù)管道內(nèi)檢測中里程輪的數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)計、施工、運行中的管道歷史數(shù)據(jù)，將管道長度與光纖長度進行了對齊操作，控制全線光纖長度的誤差在15m以內(nèi)。

在管道里程15.67km處進行開挖試驗，此處管道埋深2.1m，開挖2.3m后光纖和管道全部裸露在空氣中，通過對該段光纖進行升溫操作，每10min監(jiān)測一次溫度數(shù)據(jù)，得到經(jīng)主機識別后的溫度變化曲線，見圖1所示。隨著時間的延長，溫度在10min內(nèi)先迅速上升后緩慢下降，到90min時恢復(fù)至升溫試驗前的溫度，與環(huán)境溫度基本保持一致，這說明外界溫度的變化可以引起φ-OTDR光纖測溫傳感器的溫度變化，其溫度變化的規(guī)律符合熱力學(xué)的相關(guān)規(guī)律。與實際里程對比，測試誤差為2m。

圖1 升溫試驗溫度隨時間的變化

2.3 降溫試驗

在管道里程16.43km處進行開挖驗證，此處管道埋深1.8m，凍土層為1m，首先開挖到1.1m處停止，觀察土壤溫度變化，該工況下管道上方仍有0.7m的覆土，故土壤的保溫效果較好，土壤溫度幾乎不變；二次開挖到1.9m時，管道懸空，暴露在空氣中，主機可監(jiān)測到溫度迅速下降；隨后進行分層回填操作，發(fā)現(xiàn)隨著回填厚度的增加，開挖點處的溫度不斷回升，回填完畢后溫度與開挖前溫度一致，說明φ-OTDR光纖測溫傳感器的溫度變化與開挖回填操作基本一致，見圖2所示。與實際里程對比，測試誤差為-5m。

圖2 開挖—回填中溫度的變化

2.4 對比驗證

分別采用φ-OTDR、聲發(fā)射傳感、光纖光柵傳感和加速度傳感等4種技術(shù)進行對比驗證，其中聲發(fā)射探頭頻率為30kHz，諧振靈敏度為85dB；光纖光柵傳感器的掃描頻率為1kHz，8通道，光學(xué)接頭為FC/APC格式；加速度傳感器的采樣率為500kS以上，采樣精度32位，同步時鐘誤差小于1ns。將四種傳感器同時放置在管道上，在首站匯管旁通處開展試驗，不同泄漏孔徑下的檢測結(jié)果見表1所示。其中光纖光柵傳感和加速度傳感的整體信號幅值最小，光纖光柵傳感在小孔和中孔泄漏下的幅值變化基本一致，無法區(qū)分小孔和中孔泄漏；加速度傳感在中孔和大孔泄漏下的幅值變化基本一致，無法區(qū)分中孔和大孔泄漏；在小孔泄漏2mm時，φ-OTDR的幅值變化要優(yōu)于聲發(fā)射傳感，在中孔泄漏6mm時，φ-OTDR的幅值變化與聲發(fā)射傳感基本一致，在大孔泄漏10mm時，φ-OTDR的幅值變化略低于聲發(fā)射傳感，可見φ-OTDR傳感器對三種泄漏孔徑的靈敏度均較高，同時對小孔泄漏的適應(yīng)性更好。

表1 四種方式的檢測結(jié)果

3 結(jié)束語

隨著人工算法的發(fā)展和科技的進步，泄漏檢測技術(shù)逐步向智能化、數(shù)字化發(fā)展，儀器儀表的靈敏度越來越高。通過現(xiàn)場試驗，發(fā)現(xiàn)φ-OTDR技術(shù)可以對輸氣管道的泄漏點進行準確定位，誤差在-5～2m以內(nèi)，與其他泄漏檢測方法相比，對小孔泄漏的適應(yīng)性更好，今后應(yīng)開展敏感性分析，測試不同埋深、不同管道材質(zhì)、不同壓力等級和不同泄漏量條件下的φ-OTDR技術(shù)適應(yīng)性。

◆參考文獻

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