用于常溫輸送管線泄漏檢測的特種感溫光纜材料特性研究

徐紅 馮維一 趙霞 黃曉煒 劉禮華

摘? 要：該文提出了一種用于常溫介質(zhì)泄漏檢測的被動加熱感溫特種光纜，分析了特種光纜結(jié)構(gòu)中反應(yīng)物材料的溫升特性。通過在光纜結(jié)構(gòu)中添加反應(yīng)物的方式，使管道泄漏點處的常溫介質(zhì)與反應(yīng)物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而被動加熱，從而利用分布式光纖測溫技術(shù)來檢測泄漏點，實現(xiàn)常溫介質(zhì)輸送管道健康狀態(tài)的實時監(jiān)。實驗結(jié)果表明，特種光纜結(jié)構(gòu)中反應(yīng)層在2mm厚度時效果最佳，能夠達(dá)到泄漏點溫度檢測的要求。

關(guān)鍵詞：管道泄漏? 分布式光纖傳感? 加熱光纜? 常溫介質(zhì)? 光纖測溫

中圖分類號：TE832 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）07（c）-0071-04

Study on Material Characteristics of Special Temperature Sensing Optical Cable Used for Leakage Detection of Normal

Temperature Transmission Pipeline

XU Hong1，2? FENG Weiyi2? ZHAO Xia1，2? HUANG Xiaowei1? LIU Lihua2

（1.Jiangsu Fasheng Optical Communication Technology Co.， Ltd.;2.Jiangsu Fasheng Photoelectric Technology Co.， Ltd.， Wuxi， Jiangsu Province， 214433 China）

Abstract： In this paper， a kind of passive heating temperature sensing special optical cable used for the detection of medium leakage at room temperature is proposed， and the temperature rise characteristics of reactant materials in the structure of special optical cable are analyzed. By adding reactant in the structure of optical cable， the normal temperature medium and reactant at the leakage point of the pipeline will react passively and heat up， so that the distributed optical fiber temperature measurement technology can be used to detect the leakage point and realize the real-time monitoring of the healthy state of the normal temperature medium transmission pipeline. The experimental results show that the effect of the reaction layer is the best when the thickness of the reaction layer is 2mm， which can meet the requirements of the temperature detection of the leakage point.

Key Words： Pipeline leakage; Distributed optical fiber sensing; Heating optical cable; Normal temperature medium; Optical fiber temperature measurement

分布式光纖測溫技術(shù)（Distributed Temperature Sensing，DTS）以其高空間分辨率、高測量精度和傳感距離長等優(yōu)點，已被廣泛研究和應(yīng)用于實際工程中，尤其是管道泄露監(jiān)測領(lǐng)域，但是對于常溫介質(zhì)輸送管道，如供水管道，傳統(tǒng)光纖測溫技術(shù)可能難以識別泄漏點的發(fā)生，需要一種特殊結(jié)構(gòu)的光纜。

針對常溫管道泄漏監(jiān)測難題，南京理工大學(xué)、大連理工大學(xué)等高校進(jìn)行了主動加熱光纖法管道泄漏監(jiān)測實驗，提高了常溫管道泄漏的監(jiān)測精度。但采用主動加熱方法制成的光纜需要供電，不適合在長距離管道監(jiān)測中應(yīng)用。在中國專利文獻(xiàn)中公開了一種用于常溫輸送管線分布式光纖測溫裝置及測溫方法，這是一種將感溫光纜、加熱包密封在輸送管道外部，然后將感溫光纜與DTS主機連接，加熱包作為被動熱源。當(dāng)有常溫介質(zhì)泄漏時，會觸發(fā)加熱包升溫，從而檢測出泄漏點。這種被動加熱光纖的方法在實施起來需要將加熱包、光纜和管道密閉處理，工序復(fù)雜，不便于大規(guī)模應(yīng)用。該文提出了一種新型的被動加熱光纜結(jié)構(gòu)，能夠適合長距離管道監(jiān)測，且敷設(shè)簡單，并且對于光纜材料中被動加熱材料的使用量進(jìn)行了實驗分析。

2? 特種感溫光纜結(jié)構(gòu)

為解決常溫下供水管道泄漏檢測的難題，該文提出了一種被動加熱感溫特種光纜結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)從外向里主要分為開槽的PE護(hù)套、并帶樹脂薄膜、反應(yīng)物、束管和光纖，其中并帶樹脂薄膜起到一定的阻水作用，防止內(nèi)部反應(yīng)物受雨水濺射等微小水量引起誤報。反應(yīng)物成分為氧化鈣，遇水能發(fā)生化學(xué)中和反應(yīng)迅速放熱，使管道泄漏點處的光纜加熱升溫，并由內(nèi)部多模光纖感知溫度變化，從而判斷常溫供水管道是否發(fā)生泄漏事件。光纜不僅不需要供電，且內(nèi)部反應(yīng)物得到很好的保護(hù)，解決了長距離常溫管道泄漏監(jiān)測和預(yù)警的工程化應(yīng)用問題，提升了管道數(shù)字智能化安全監(jiān)測水平。

3? 氧化鈣反應(yīng)溫度特性實驗與分析

為使光纜內(nèi)部反應(yīng)物能夠產(chǎn)生最佳的反應(yīng)效果，該文研究了氧化鈣與無機鹽水、弱酸、弱堿接觸后的升溫速率，確定達(dá)到最佳升溫反應(yīng)時的氧化鈣和3種溶液的配比，評估反應(yīng)放熱效果。實驗中氧化鈣主要涉及的化學(xué)反應(yīng)有3種：（1）氧化鈣與水反應(yīng)：CaO+H2O=Ca（OH）2;（2）氧化鈣與鹽酸反應(yīng)：CaO+2HCl=CaCl2+H2O;（3）氫氧化鈣與鹽酸反應(yīng)：Ca（OH）2+HCl=CaCl2+H2O?；瘜W(xué)中和反應(yīng)帶有熱量產(chǎn)生，實驗在室溫27℃下進(jìn)行，并采用紅外電子溫槍來探測溫度隨時間的變化情況。

首先配置了一定濃度的NaCl水溶液（質(zhì)量比2.5%，ph=7）、稀鹽酸溶液（質(zhì)量比0.025%，ph=2）和氫氧化鈉溶液（質(zhì)量比0.1%，ph=10），并將1g、1.5g、2g、2.5g這4種質(zhì)量的氧化鈣粉末分別放置在4個培養(yǎng)皿中（培養(yǎng)皿直徑35mm，4種質(zhì)量在培養(yǎng)皿中均勻鋪開后對應(yīng)厚度分別為1mm、1.5mm、2mm、2.5mm），共12個培養(yǎng)皿，如圖2所示。

3.1 不同溶液與不同質(zhì)量的氧化鈣反應(yīng)情況

將相同體積（0.5mL）的3種溶液分別滴入不同質(zhì)量的氧化鈣粉末上，使其吸收反應(yīng)，并利用紅外測溫槍每隔1min分別記錄下各自的溫度變化情況，其反應(yīng)升溫曲線如圖3所示。

從圖3（a）中可以看出，不同質(zhì)量的CaO與NaCl溶液反應(yīng)的劇烈程度不同，其中2.5g的CaO與0.5mL的NaCl溶液反應(yīng)最劇烈，升溫最高，產(chǎn)生的熱量使培養(yǎng)皿發(fā)生變形，如圖3（d）所示。不同質(zhì)量的放熱反應(yīng)從第2分鐘開始變得明顯，7min以后，所有放熱反應(yīng)基本結(jié)束，開始降溫。從圖3（b）中可以看出，不同質(zhì)量的CaO與HCl反應(yīng)的劇烈程度不同，其中2g和2.5g的CaO與0.5mL的HCl溶液反應(yīng)最劇烈，升溫最高，產(chǎn)生的熱量使培養(yǎng)皿發(fā)生變形。不同質(zhì)量的放熱反應(yīng)從第3分鐘開始變得明顯，8min以后，所有放熱反應(yīng)基本結(jié)束，開始降溫。從圖3（c）中可以看出，不同質(zhì)量的CaO與NaOH溶液反應(yīng)的劇烈程度不同，其中2g和2.5g的CaO與0.5mL的NaOH溶液反應(yīng)最劇烈，升溫最高，產(chǎn)生的熱量使培養(yǎng)皿發(fā)生變形。不同質(zhì)量的放熱反應(yīng)從第4分鐘開始變得明顯，9min以后，所有放熱反應(yīng)基本結(jié)束，開始降溫。

從反應(yīng)放熱的程度來看，3種溶液的反應(yīng)速度大小順序依次為：稀鹽酸、水、NaOH，即CaO與水反應(yīng)放熱比較快，從第2分鐘后就開始升溫，酸和堿溶液與CaO反應(yīng)放熱相對滯后，所有反應(yīng)的放熱時間基本在5min之內(nèi)結(jié)束。由此可以看出，在體積相同的溶液情況下，CaO的質(zhì)量越多，反應(yīng)放熱越明顯，無機鹽水、弱酸和弱堿和CaO接觸后放熱情況基本相似。

3.2 不同體積的溶液與氧化鈣的反應(yīng)情況

從3.1節(jié)的結(jié)果來看，質(zhì)量為1.5g和2g的CaO與溶液反應(yīng)升溫效果比較理想，而且不是異常劇烈。因此該文還進(jìn)行了不同體積的NaCl溶液與這兩種質(zhì)量的CaO的反應(yīng)。將0.5mL、1mL和1.5mL的NaCl溶液分別滴入1.5g和2g這兩種質(zhì)量的氧化鈣粉末表面，使其吸收反應(yīng)，每隔1min記錄下滴液中心溫度變化情況，繪制不同體積溶液與兩種質(zhì)量的氧化鈣反應(yīng)后的溫度變化曲線如圖4所示。

從圖4中可以看出，不同體積的NaCl溶液與CaO反應(yīng)的劇烈程度不同，溶液過多或過少均會影響反應(yīng)時溫升情況。當(dāng)CaO量比較少時，不同體積的溶液反應(yīng)后溫度變化趨勢比較一致，而當(dāng)氧化鈣較多時，不同體積的溶液反應(yīng)后溫度持續(xù)時間不一致。

從CaO和水化學(xué)反應(yīng)式的摩爾質(zhì)量比（54：18）也可以看出，CaO和水充分反應(yīng)的質(zhì)量比大約3：1。實驗中，由于CaO放置在培養(yǎng)皿中，不同質(zhì)量厚度不同，且與水接觸面不均勻，因此該實驗得到的比較理想的情況是1mL水與2g氧化鈣接觸，反應(yīng)放熱情況較好，即光纜中CaO粉末層最佳情況在2mm。

4? 結(jié)語

該文針對常溫供水管道泄漏問題提出了一種被動加熱的特種感溫光纜結(jié)構(gòu)，并對結(jié)構(gòu)中反應(yīng)物CaO與常溫介質(zhì)的反應(yīng)情況進(jìn)行了實驗，實驗結(jié)果表明，當(dāng)光纜中反應(yīng)層CaO粉末在2mm厚度時效果最好。目前設(shè)計的光纜結(jié)構(gòu)可以起到阻隔少量水、檢測常溫介質(zhì)泄漏的作用，為長距離常溫管線的泄漏監(jiān)測應(yīng)用提供借鑒意義，后續(xù)將會對相應(yīng)的特種光纜產(chǎn)品做進(jìn)一步驗證。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉大衛(wèi).基于分布式光纖傳感技術(shù)的天然氣管道泄漏監(jiān)測研究[D].安徽理工大學(xué)，2019.

[2] 王辰，劉慶文，陳典，等.基于分布式光纖聲波傳感的管道泄漏監(jiān)測[J].光學(xué)學(xué)報 2019，39（10）：119-125.

[3] 周寧，李海濤，劉超，等.分布式光纖管道泄漏檢測實驗平臺設(shè)計與搭建[J].實驗技術(shù)與管理， 2017（5）：93-97.

[4] 劉康康.基于ROTDR的渠道滲漏監(jiān)測技術(shù)研究[D]. 南京理工大學(xué)，2018.

[5] 張黎.基于光纖傳感的管道變形泄漏監(jiān)測實驗研究[D].大連理工大學(xué)，2018.

[6] 劉永利，魏茂安，徐成山，等.一種基于主動溫控分布式溫度監(jiān)測的海底管道懸空監(jiān)測裝置：中國，CN201810708119.2[P].2018-12-07.