集輸管道分布式光纖聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

張麗 周巍

1中石化中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院

2唐山冀東油田設(shè)計(jì)工程有限公司

目前，我國大部分油氣管道都處于服役的中后期階段，故障率不斷增加，尤其對(duì)于高含硫天然氣集輸管道系統(tǒng)，由于自然或人為破壞等因素使管道遭到破壞而導(dǎo)致天然氣泄漏，會(huì)嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，給高含硫氣田的安全平穩(wěn)運(yùn)行帶來了極大的挑戰(zhàn)[1]。普光氣田屬于特大型高含硫氣田，酸性氣體平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)23.18%[2]。對(duì)普光氣田高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)開展高含硫集輸管道泄漏監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)的研究，對(duì)于提升高含硫氣田集輸系統(tǒng)安全水平，優(yōu)化泄漏風(fēng)險(xiǎn)控制及安全保障方案，促進(jìn)高含硫氣田的長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

光纖傳感技術(shù)以其優(yōu)良的抗電磁干擾能力、絕緣性、靈敏度和可靠性被廣泛用于管道泄漏檢測(cè)[3]。而聲波傳感技術(shù)在泄漏檢測(cè)方面的應(yīng)用國內(nèi)起步較晚，技術(shù)發(fā)展稍顯不足[4]。目前用于安全監(jiān)測(cè)的分布式光纖傳感技術(shù)有四類，即光纖干涉環(huán)技術(shù)、偏振光時(shí)域反射技術(shù)、相位光時(shí)域反射技術(shù)和陣列式光纖光柵振動(dòng)傳感技術(shù)[5-7]。

（1）基于光纖干涉環(huán)型技術(shù)的光纜監(jiān)測(cè)技術(shù)具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、監(jiān)測(cè)距離長(zhǎng)等技術(shù)特點(diǎn)，但是其虛警率高、定位精度差（定位精度誤差達(dá)到100～200 m，監(jiān)測(cè)距離越長(zhǎng)定位精度越差）等缺點(diǎn)，尤其是缺乏多個(gè)振動(dòng)點(diǎn)同時(shí)探測(cè)與定位的能力。

（2）基于偏振光時(shí)域反射技術(shù)的分布式光纖振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)距離可達(dá)到幾十千米，具有非常高的定位精度（定位精度5～10 m）[8]。

（3）基于相位光時(shí)域反射技術(shù)的分布式光纖振動(dòng)傳感器具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、振動(dòng)探測(cè)靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，尤其是其成本代價(jià)低，具有非常高的性價(jià)比，但該技術(shù)受偏振消光比和光接收靈敏度的限制，同樣缺乏多個(gè)振動(dòng)擾動(dòng)點(diǎn)同時(shí)探測(cè)與定位的能力。當(dāng)然采用監(jiān)測(cè)區(qū)域分區(qū)的方法也可改善其多點(diǎn)同時(shí)探測(cè)定位的能力，但也會(huì)使系統(tǒng)光纖鏈路結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，實(shí)用性差[9-11]。

（4）陣列式光纖光柵振動(dòng)傳感系統(tǒng)監(jiān)控范圍一般只有數(shù)百米，并且只能對(duì)布置了光纖光柵的位置進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，在監(jiān)控范圍內(nèi)有大量監(jiān)測(cè)盲區(qū)，需要鋪設(shè)特殊的光柵陣列，無法滿足天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)的需要[12-14]。

以上四類用于泄漏監(jiān)測(cè)的光纖傳感技術(shù)都有同樣的問題：周圍環(huán)境噪音的干擾給漏點(diǎn)探測(cè)和定位帶來很大難度，特別是天然氣管道上發(fā)生比例較大的小泄漏監(jiān)測(cè)，還沒有很好的解決方案。針對(duì)現(xiàn)有天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，以分布式光纖聲波傳感技術(shù)為核心，設(shè)計(jì)了一種新的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研制了分布式光纖聲波傳感器模塊，試驗(yàn)測(cè)試了分布式光纖聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍及響應(yīng)時(shí)間等。

1 分布式光纖聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)原理

當(dāng)聲波沿光纖軸向向前或向后的散射時(shí)，通常稱沿軸向向后的散射為瑞利后向散射。分布式光纖聲波傳感器是基于Barnoski等提出的瑞利光時(shí)域反射技術(shù)，利用光纖中的后向散射瑞利信號(hào)來進(jìn)行探測(cè)的，它提供了與光纖長(zhǎng)度有關(guān)的衰減細(xì)節(jié)[15-18]，原理框圖如圖1所示。由光發(fā)射模塊重復(fù)發(fā)射出一定寬度光脈沖，并注入待測(cè)光纖，在光注入端監(jiān)測(cè)光纖鏈路中各點(diǎn)產(chǎn)生的后向瑞利散射光以及在斷點(diǎn)或者端面處產(chǎn)生的后向菲涅爾反射信號(hào)光；光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)放大后經(jīng)AD（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，該信號(hào)再經(jīng)過數(shù)字濾波、累加平均等處理后在屏幕上顯示出來，就可以得到光纖鏈路上后向散射瑞利光信號(hào)強(qiáng)度沿時(shí)間軸的分布曲線；最后把時(shí)間軸上的時(shí)間標(biāo)度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的光纖長(zhǎng)度就得到了一條測(cè)試曲線。

圖1 分布式光纖聲波傳感器原理Fig.1 Principle of distributed optical fiber acoustic sensor

當(dāng)光纖始端注入光脈沖的峰值功率為Pi時(shí)，只要用光電探測(cè)器探測(cè)得到與距離L1和L2處相對(duì)應(yīng)的后向瑞利散射信號(hào)回傳到脈沖入射端的光功率P(L1) 和P(L2)，就可以通過計(jì)算得出L1和L2之間光纖的平均衰減系數(shù)α，表示為公式（1）。

式中：α為平均衰減系數(shù)；L為事件所在位置到光纖始端的距離；P(L1) 和P(L2)為后向瑞利散射信號(hào)回傳到脈沖入射端的光功率。

通過計(jì)算光信號(hào)在光纖中的傳播時(shí)間間接得到距離（光速c已知），考慮到實(shí)際測(cè)量光纖的折射率，若光纖折射率為n，從光脈沖注入光纖到接收到事件位置反射回來的瑞利信號(hào)之間的時(shí)間間隔為t，那么事件所在位置到光纖始端的距離L可以表示為公示（2）。

式中：t為光脈沖注入與收到反射信號(hào)的間隔。

當(dāng)光源相干度很高時(shí)，從光纖中一定距離上返回的后向散射光會(huì)發(fā)生干涉，當(dāng)存在外部擾動(dòng)（振動(dòng)）時(shí)就會(huì)發(fā)生變化，分布式光纖聲波傳感器通過探測(cè)這種變化，即實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的監(jiān)測(cè)[19]。分布式光纖振動(dòng)傳感器的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)某一時(shí)刻有振動(dòng)干擾時(shí)所探測(cè)到相應(yīng)位置的光強(qiáng)信息將與前一時(shí)刻無擾動(dòng)時(shí)探測(cè)到的光強(qiáng)不同，而其他位置探測(cè)到的光強(qiáng)相同，沒有產(chǎn)生變化。所以將當(dāng)前瑞利散射信號(hào)與其前一時(shí)刻的瑞利散射信號(hào)相減來監(jiān)測(cè)由于光纖振動(dòng)產(chǎn)生的光強(qiáng)差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)入侵事件的監(jiān)測(cè)，并對(duì)振動(dòng)位置進(jìn)行精確定位。

圖2 分布式光纖振動(dòng)傳感器的組成結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of distributed fiber optic vibration sensor

分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的感應(yīng)部件為傳感光纜。當(dāng)土壤中發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，擾動(dòng)作用于傳感光纜，形成光信號(hào)輸送至光纜。當(dāng)系統(tǒng)軟件探測(cè)器接收到的光信號(hào)的相位時(shí)，光信號(hào)的傳輸模式就會(huì)發(fā)生變化。光纜中傳輸?shù)墓庹顟B(tài)及受擾動(dòng)狀態(tài)傳播方式的圖形比較如圖3所示。

圖3 正常狀態(tài)光路波形與干擾下光路波形偏移（藍(lán)色曲線為受擾動(dòng)后的光路波形）比較Fig.3 Comparison of optical path waveforms in normal and offset under interference（the blue curve is the optical path waveform under interference）

當(dāng)天然氣發(fā)生泄漏時(shí)，高壓氣體會(huì)沖擊管道周圍的土壤，產(chǎn)生聲波信號(hào)，對(duì)聲波信號(hào)的時(shí)域和頻域特征進(jìn)行提取和分析，可以有效識(shí)別出天然氣泄漏的位置[20]。當(dāng)流體泄漏后，流體與泄漏孔壁會(huì)產(chǎn)生摩擦，從而在管壁激發(fā)出應(yīng)力波，使管道振動(dòng)。同時(shí)，會(huì)有部分振動(dòng)波在空氣中傳播，這兩部分信號(hào)作用到光纖上，使光纖的長(zhǎng)度和折射率都發(fā)生變化，導(dǎo)致光纖中傳播的導(dǎo)光相位被調(diào)制，其表達(dá)式為公式（3）。

式中：Φs為光波的相位變化幅值；β為光波在光纖中的傳播常數(shù)。

泄漏信號(hào)作用到傳感光纖上，對(duì)光纖中傳播的光相位調(diào)制，光波經(jīng)泄漏信號(hào)調(diào)制的相位變化由公式（4）表示。

式中：δΦ為光波經(jīng)泄漏信號(hào)調(diào)制的相位；Φs為光波被調(diào)制后相位變化的幅值；ωs為泄漏信號(hào)的頻率。

由泄漏信號(hào)引起的光相位差可表示為公式（5）。

式中：Δθ(t)為泄漏引起的光相位差；θ1(t)和θ2(t)分別為泄漏前后的光波相位；τ1和τ2為泄漏前后兩個(gè)時(shí)刻。

式中：s為泄漏點(diǎn)距干涉儀中點(diǎn)距離；τT為光傳播經(jīng)過光纖所用的總時(shí)間；τs為光從泄漏點(diǎn)到干涉儀所用的時(shí)間。

通過信號(hào)解調(diào)技術(shù)可將Δθ(t)從信號(hào)中解調(diào)出來。能夠監(jiān)測(cè)到泄漏導(dǎo)致的土壤振動(dòng)變化，就可以測(cè)量泄漏位置并及時(shí)發(fā)出警報(bào)。

1.2 泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)由精確定位型分布式光纖聲波傳感器主機(jī)及傳感光纜構(gòu)成。傳感光纜既可以感應(yīng)泄漏產(chǎn)生的聲波信號(hào)，又可以把聲波信號(hào)傳輸回分布式光纖聲波傳感器主機(jī)，光纖傳感器主機(jī)完成聲波信號(hào)的采集及解調(diào)，并對(duì)聲波產(chǎn)生位置進(jìn)行精確定位。

2 試驗(yàn)測(cè)試

2.1 傳感光纜的安裝

在地面上將3 個(gè)扇形鋼筋骨架用3 段螺紋鋼筋作為支撐固定為一個(gè)鋼筋籠，3個(gè)扇形鋼筋骨架保持平行，兩個(gè)鋼筋骨架間隔40 cm；最后形成的鋼筋籠長(zhǎng)度為80 cm。把鋼筋籠安放在模擬天然氣泄漏的管道外側(cè)，使泄漏管道處于鋼筋籠圓心位置，泄漏點(diǎn)處于鋼筋籠中部。鋼筋籠安裝完成后如圖4所示。

圖4 泄漏管道的鋼筋籠和傳感光纜安裝圖（右圖紅色線為鋪設(shè)的傳感光纜）Fig.4 Installation diagram of steel cage and sensor cable for leaking pipe（the red line on the right is the sensor cable）

在鋼筋籠上相對(duì)泄漏點(diǎn)的不同方位角和泄漏點(diǎn)不同距離鋪設(shè)了14 段傳感光纜，布設(shè)的傳感光纜與泄漏點(diǎn)的方位角和相對(duì)距離如表1所示。

表1 傳感光纜與泄漏點(diǎn)的方位角和相對(duì)距離Tab.1 Azimuth angle and relative distance between the sensor cables and the leakage points

把傳感光纜依次穿過1～14 點(diǎn)位，其中1、2、3、4、5、6、7、8 等8 個(gè)點(diǎn)位每個(gè)點(diǎn)位間隔5 m，9、10、11等3個(gè)點(diǎn)位間隔3 m，12、13、14等3個(gè)點(diǎn)位間隔2 m。每個(gè)點(diǎn)位在鋼筋籠上鋪設(shè)安裝的光纜長(zhǎng)度約為1 m，共在泄漏點(diǎn)監(jiān)測(cè)位置鋪設(shè)安裝了69 m 傳感光纜，對(duì)應(yīng)到試驗(yàn)所用的傳感光纜，位置為296～365 m處。管道泄漏點(diǎn)傳感光纜安裝點(diǎn)位如圖5所示。

圖5 傳感光纜安裝點(diǎn)位示意圖Fig.5 Schematic diagram of installation points of the sensor cables

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的調(diào)試

完成傳感光纜在泄漏管道附近的鋪設(shè)后，把預(yù)先接好的光纖接頭連接到振動(dòng)傳感器主機(jī)，檢測(cè)設(shè)備及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)，工作狀態(tài)良好后進(jìn)行天然氣管道模擬泄漏監(jiān)測(cè)。采用自主開發(fā)配套的分布式光纖聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開展管道模擬泄漏監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試（圖6）。

圖6 天然氣管道模擬泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.6 Pipeline leakage simulation monitoring system

2.3 6 MPa天然氣管道模擬泄漏監(jiān)測(cè)測(cè)試

分別記錄了集輸管道在壓力為6 MPa時(shí)沒有天然氣泄漏、以及天然氣模擬泄漏孔分別為0.5 mm、3 mm、5 mm 時(shí)不同時(shí)間的分布式光纖聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。

集輸管道無泄漏時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到光纖的振動(dòng)曲線及聲波信號(hào)如圖7所示。

從圖7可以看出：沒有天然氣泄漏時(shí)，由于沒有聲波信號(hào)，振動(dòng)曲線整體較平滑，信號(hào)幅度較低，沒有明顯的凸起信號(hào)，頻譜分布均勻，沒有明顯的頻譜分量。

圖7 無泄漏時(shí)集輸管道分布式光纖聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.7 Monitoring results of distributed optical fiber acoustic leakage monitoring system for gathering and transportation pipeline without leakage

泄漏孔徑為5 mm的測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 泄漏孔徑為5 mm的天然氣集輸管道泄漏時(shí)不同時(shí)間的測(cè)試曲線Fig.8 Test curves of the natural gas gathering and transportation pipeline with leakage aperture of 5 mm at different times during leakage

從圖8可以看出：沒有泄漏時(shí)分布式光纖的振動(dòng)強(qiáng)度在3 000以內(nèi)。天然氣泄漏孔為5 mm時(shí)，在位置為296～365 m處，泄漏3 s時(shí)在位置300 m處振動(dòng)強(qiáng)度有明顯增加，振動(dòng)強(qiáng)度增加至14 000 左右。隨著泄漏時(shí)間的延長(zhǎng)，可以在不同距離處監(jiān)測(cè)到明顯的的振動(dòng)曲線變化。頻譜圖中，在1 kHz、9 kHz、13kHz附近出現(xiàn)明顯的頻譜分量。

泄漏孔徑為3 mm的測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

從圖9可以看出：沒有泄漏時(shí)分布式光纖的振動(dòng)強(qiáng)度在3 000以內(nèi)。天然氣泄漏孔為3 mm時(shí)，泄漏3 s 時(shí)可在泄漏開始的位置附近監(jiān)測(cè)光纖振動(dòng)強(qiáng)度增加，在位置300 m處振動(dòng)強(qiáng)度有明顯增加，振動(dòng)強(qiáng)度增加至13 000 左右。隨著泄漏時(shí)間的延長(zhǎng)，可以在不同距離處監(jiān)測(cè)到明顯的振動(dòng)曲線變化，且振動(dòng)強(qiáng)度不斷減弱。頻譜圖中，在9 kHz、13 kHz、14 kHz附近出現(xiàn)明顯的頻譜分量。

圖9 泄漏孔徑為3 mm的天然氣管道泄漏時(shí)不同時(shí)間的測(cè)試曲線Fig.9 Test curves of the natural gas gather and transportation pipeline with leakage aperture of 3 mm at different times during leakage

泄漏孔徑為0.5 mm的測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

從圖10 可以看出：天然氣泄漏孔為0.5 mm時(shí)，泄漏3 s 時(shí)即可在泄漏開始的位置附近監(jiān)測(cè)光纖振動(dòng)強(qiáng)度增加，在位置300 m處振動(dòng)強(qiáng)度有明顯增加，至5 000 左右，振動(dòng)曲線整體幅度有所抬高，有明顯的凸起和波動(dòng)信號(hào)。

圖10 泄漏孔徑為0.5 mm的天然氣集輸管道泄漏時(shí)不同時(shí)間的監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.10 Test curves of the natural gas gathering and transportation pipeline with leakage aperture of 0.5 mm atdifferent times during leakage

通過模擬天然氣泄漏試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可見，沒有天然氣氣體泄漏時(shí)，296～365 m 范圍內(nèi)的聲波信號(hào)強(qiáng)度在3 000 以內(nèi)，且幅度變化不大。有天然氣泄漏時(shí)，分布式光纖振動(dòng)傳感器的信號(hào)幅度明顯增加，聲波信號(hào)強(qiáng)度基本在4 000 以上。隨著泄漏孔徑的增大，聲波信號(hào)幅度相應(yīng)增大。光纖傳感器對(duì)天然氣泄漏引起的聲波信號(hào)探測(cè)效果明顯。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)天然氣管道模擬泄漏測(cè)試，進(jìn)行了有天然氣泄漏和沒有天然氣泄漏兩種工況下的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本次試驗(yàn)所用的精確定位型分布式光纖振動(dòng)傳感器可以快速探測(cè)到天然氣泄漏事件（響應(yīng)時(shí)間小于3 s），并對(duì)天然氣泄漏位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，傳感器探測(cè)范圍可達(dá)180°（試驗(yàn)中只鋪設(shè)了180°點(diǎn)位的傳感光纜，實(shí)際測(cè)試感應(yīng)范圍可達(dá)360°），最大探測(cè)距離達(dá)到80 cm，是天然氣集輸管線泄漏監(jiān)測(cè)的理想選擇。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于高性能分布式光纖聲波傳感器的泄漏監(jiān)控系統(tǒng)，并進(jìn)行了模擬泄漏試驗(yàn)監(jiān)測(cè)。研究結(jié)果如下：

（1）對(duì)于基于聲波的分布式光纖泄漏監(jiān)測(cè)，當(dāng)泄漏孔徑為5 mm 時(shí)，分布式光纖可監(jiān)測(cè)到1 kHz、9 kHz、13 kHz聲波信號(hào)；泄漏孔徑為3 mm時(shí)，可監(jiān)測(cè)到9 kHz、13 kHz、14 kHz 聲波信號(hào)；泄漏孔為0.5 mm 時(shí)，光纖可監(jiān)測(cè)到9 kHz、13 kHz 聲波信號(hào)?？梢娫摫O(jiān)測(cè)系統(tǒng)可識(shí)別到0.5 mm的微泄漏。

（2）分布式光纖振動(dòng)傳感器對(duì)天然氣泄漏事件的響應(yīng)時(shí)間≤3 s，并可對(duì)天然氣泄漏位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，傳感器探測(cè)范圍可達(dá)180°，最大探測(cè)距離達(dá)到80 cm。

（3）本文開發(fā)設(shè)計(jì)的分布式光纖聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于A高含硫氣田某集輸管道，能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)高含硫濕氣集輸管道運(yùn)行情況，可以第一時(shí)間判斷泄漏位置，為高含硫氣田安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)提供了有力保障。