油氣管道及站場光纖監(jiān)測技術(shù)研究進(jìn)展

范軍領(lǐng)，何 昊，畢海勝,2，李慧瑤，孫國靖，林一帆

(1.青島科技大學(xué)機電工程學(xué)院，山東青島 266061；2.山東省油氣儲運安全重點實驗室，山東青島 266580)

0 引言

油氣管道在服役過程中，內(nèi)部工況和外部環(huán)境對管道的影響復(fù)雜，油氣管道的安全運行面臨很大威脅，光纖監(jiān)測可解決管道數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理分析難等問題，具有優(yōu)良的靈敏度、傳輸傳感一體性，信號處理分析能力成為近年來管道監(jiān)測技術(shù)的研究熱點，部分技術(shù)已在中俄東線管道、西氣東輸管道及站場上應(yīng)用。文中介紹了油氣管道及站場光纖監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用與研究進(jìn)展，提出了需進(jìn)一步研究的方向。

1 泄漏監(jiān)測

傳統(tǒng)場站間參數(shù)比對、負(fù)壓波法，具有一定的滯后性，對微小泄漏不敏感。光纖泄漏監(jiān)測技術(shù)較好克服了上述不足，是近年來的研究熱點[1]，依據(jù)監(jiān)測變量可分為：微振動、溫變與應(yīng)變傳感技術(shù)。

1.1 微振動傳感技術(shù)

微振動傳感技術(shù)，利用與管道同溝敷設(shè)的光纜作為振動傳感器，泄漏等會對管道附近的光纜施加力的作用，導(dǎo)致光相位、強度等參數(shù)的變化，分析這一變化即可監(jiān)測管道運行狀態(tài)，在川中油氣礦管線、山東膠州-膠州西管線等應(yīng)用效果良好[2]。其中，監(jiān)測光干涉信息的光纖干涉儀結(jié)構(gòu)研究應(yīng)用較早[3]，Mach Zehnder型檢測距離可達(dá)80 km，定位精度500 m[4]，但由于一般為三芯結(jié)構(gòu)，傳感、參考光纖在同一光纜內(nèi)，使得該技術(shù)靈敏度有限，成本偏高。Sagnac型一般為環(huán)形架構(gòu)，優(yōu)勢在于零光程差、對光源要求低，監(jiān)測距離長，但難以布放于管道，為避免干涉儀的互易效應(yīng)，通常將一半光纖設(shè)計為非傳感光纖與聲場隔離，施工難度與系統(tǒng)成本顯著增加，后直線型的提出推動了該技術(shù)的進(jìn)一步研究。近年來，混合干涉儀結(jié)構(gòu)也是研究方向，具有良好的靈敏度與泄漏定位能力，但系統(tǒng)成本較高。噪音、光偏振會顯著影響上述技術(shù)的使用性能，使用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡、消偏器可有效控制光偏振，但成本相應(yīng)提升，研究發(fā)現(xiàn)，信號處理算法可有效去噪、控制光偏振，提升系統(tǒng)性能，是目前研究的熱點。

1.2 溫變與應(yīng)變傳感技術(shù)

溫變與應(yīng)變傳感技術(shù)基于布里淵光時域分析技術(shù)，利用布里淵頻移僅與溫度和應(yīng)變有關(guān)這一特性實現(xiàn)管道泄漏監(jiān)測，已比較成熟， SMARTEC和Omnisens公司的光纖測溫系統(tǒng)DiTeSt已實現(xiàn)商業(yè)化。ANDO公司研發(fā)的光纖應(yīng)變-損耗分析儀AQ8603可以檢測長達(dá)80 km光纖沿線的應(yīng)變，空間分辨率為1 m，應(yīng)變測量精度可達(dá)到±0.003%。脈沖預(yù)泵浦應(yīng)變測量技術(shù)，已實現(xiàn)cm級空間分辨率和微應(yīng)變測量精度[5]。中俄東線部分管段，已將溫變與應(yīng)變傳感技術(shù)應(yīng)用于管道泄漏監(jiān)測、異常土體移動監(jiān)測等領(lǐng)域，定位精度達(dá)100 m，有效保障了管道的安全運行[6]。溫變、應(yīng)變傳感技術(shù)適用于加熱輸送管道、海底管道、埋地管道泄漏監(jiān)測等方向[7-8]，但隨監(jiān)測距離的增大，光纖損耗會加大，系統(tǒng)信噪比降低，精度下降，這是該技術(shù)需要進(jìn)一步研究的難點。

光纖泄漏監(jiān)測技術(shù)主要通過監(jiān)測振動、溫度或應(yīng)變，且以單一參量監(jiān)測居多，多參量、多點監(jiān)測研究較少，應(yīng)推動發(fā)展多參量監(jiān)測、交互驗證、多維評估，進(jìn)一步降低單參量監(jiān)測誤報率，提高復(fù)雜環(huán)境下管道線路狀態(tài)監(jiān)測事件判斷的準(zhǔn)確率[9]，應(yīng)與大數(shù)據(jù)、5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用。

2 安全預(yù)警

第三方損壞是管道失效事故的重要因素，特別是長輸油氣管道，其輸送范圍大、服役環(huán)境復(fù)雜多變，給管道安全預(yù)警技術(shù)提出了迫切要求。油氣管道安全預(yù)警技術(shù)主要包括：光纖傳感、聲波法、智能防腐層法、地震波檢測、衛(wèi)星遙感等，技術(shù)對比如表1所示。

表1 油氣管道安全預(yù)警技術(shù)對比

常用的管道安全預(yù)警技術(shù)為光纖傳感和地震波檢測，其中地震波檢測使用和維護成本較高，僅適用于重點管段的監(jiān)測[10-11]。管道光纖預(yù)警系統(tǒng)，基于與管道同溝敷設(shè)的通信光纜感知外界振動，利用光纖耦合器構(gòu)成傳感回路，結(jié)合光電探測模塊、數(shù)據(jù)采集及信號處理終端，可分類識別振動信號，確定外部威脅并預(yù)警，在西氣東輸管線的應(yīng)用已達(dá)640 km，定位精度不超過100 m，預(yù)警準(zhǔn)確率高于80%[12]。其中Mach Zehnder型較早應(yīng)用于管道安全預(yù)警[13-14]，監(jiān)測距離達(dá)50 km，定位精度±120 m[15]。但由于參考、傳感光纖在同一根光纜中，一定程度影響了該系統(tǒng)對于振動的靈敏度，目前，Φ-OTDR型是研究熱點，已應(yīng)用于西氣東輸?shù)裙芫€[16]，其顯著優(yōu)勢在于只需一芯光纖即可監(jiān)測管道周圍振動情況，相較于Mach Zehnder型，成本較低且可實現(xiàn)多點監(jiān)測，但對光源線寬、頻率漂移要求較高。

管道光纖安全預(yù)警，需兼顧空間分辨率與監(jiān)測距離，提升多點監(jiān)測能力；提高系統(tǒng)硬件質(zhì)量與信號提取、威脅識別算法運用相結(jié)合。

3 周界安防

周界安防是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要組成部分。油氣站場周界安防技術(shù)主要有：振動光纖、泄漏感應(yīng)電纜、振動電纜、激光對射、微波對射、張力電子圍欄等，技術(shù)對比如表2所示。

表2 油氣站場周界安防技術(shù)對比

由于不同油氣站場間的環(huán)境差異，使得周界安防系統(tǒng)需要具備防范不同外部入侵行為的能力。其中，基于振動光纖技術(shù)的周界安防系統(tǒng)研究應(yīng)用廣泛[17-18]，系統(tǒng)由布設(shè)于圍欄上或埋設(shè)于地下的傳感光纜、通信光纜、中心控制單元、報警主機等組成，當(dāng)入侵行為觸碰到光纜時，現(xiàn)場監(jiān)控終端會監(jiān)測到這一振動信號，并做分析識別，判斷為入侵后系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警，實現(xiàn)站場本地及遠(yuǎn)程監(jiān)控。光纖周界安防系統(tǒng)，多采用干涉結(jié)構(gòu)實現(xiàn)振動信號的提取與定位，司輝等[19]將光纜以波浪形固定于圍墻柵欄上，增大檢測范圍、減少風(fēng)沙擾動，高度較低柵欄，多道光纜平行敷設(shè)，增加靈敏度。余光輝[20]介紹了應(yīng)用于西部油氣站場MILES安防系統(tǒng)，表明光纖埋地安裝時，安裝工藝要求高，定位精度易受埋設(shè)條件影響，光纖掛網(wǎng)安裝時，定位精度較高，但隱蔽性較差。目前，中俄東線天然氣站場采用振動光纖結(jié)合激光對射的周界入侵報警系統(tǒng)，聯(lián)動視頻監(jiān)控，實現(xiàn)了周界入侵智能安防[21]。

站場光纖周界安防，適用于周界距離長的大型油氣站場安全防護，但光纖極易受到自然環(huán)境的影響，其布設(shè)安裝直接影響系統(tǒng)性能，隨著無人站場理念的推進(jìn)，需要安防系統(tǒng)具備智能識別入侵行為的能力，這一定程度上取決于信號解析及系統(tǒng)自學(xué)習(xí)算法的發(fā)展。

4 結(jié)論

實現(xiàn)智慧管網(wǎng)，首先要建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)字化、智能化管道，這也是油氣管道技術(shù)發(fā)展的方向。光纖監(jiān)測技術(shù)提供了準(zhǔn)確性高、覆蓋面廣的數(shù)據(jù)支持和易于操作的數(shù)據(jù)、模塊接口，管道光纖泄漏監(jiān)測，微振動、溫變、應(yīng)變傳感、紅外熱成像技術(shù)均有不同程度的運用，但多為單參量監(jiān)測，未來發(fā)展多參量交互監(jiān)測是趨勢，管道光纖安全預(yù)警，特別是長輸管道，兼顧系統(tǒng)空間分辨率和傳感距離，提升多點監(jiān)測預(yù)警能力，完善威脅識別算法是需解決的難點，站場光纖周界安防，振動光纖的布設(shè)、入侵信號解析及自學(xué)習(xí)算法是需要進(jìn)一步研究的方向。光纖監(jiān)測技術(shù)，可連接管道泄漏監(jiān)測、安全預(yù)警、站場周界安防模塊，推動管道完整性管理體系及智慧管網(wǎng)的構(gòu)建。