分布式光纖泄漏檢測(cè)與安全預(yù)警系統(tǒng)在天然氣管道中的應(yīng)用

李波

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司 成都分公司,四川 成都 610091)

高含硫天然氣管道輸送的天然氣中硫化氫和二氧化碳含量較高,致使管道存在氫致開裂、硫化物應(yīng)力開裂、電化學(xué)腐蝕等風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。隨著近年高含硫氣田的規(guī)模性開發(fā),高含硫天然氣管道成為風(fēng)險(xiǎn)集中的地方,一旦發(fā)生管道泄漏,會(huì)對(duì)周邊環(huán)境以及人員安全帶來(lái)極大的威脅。因此,對(duì)高含硫天然氣管道運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警以減少潛在威脅,全面及時(shí)地發(fā)現(xiàn)泄漏并迅速實(shí)現(xiàn)定位,選擇合適的泄漏檢測(cè)與安全預(yù)警系統(tǒng)尤為重要。

1 泄漏檢測(cè)常用方法

根據(jù)工作原理的不同,常用的管道泄漏檢測(cè)方法有負(fù)壓波法、質(zhì)量或體積平衡法、聲波法、光纖法等。

1.1 負(fù)壓波法

如果管道的某個(gè)位置發(fā)生了泄漏,便會(huì)在管道內(nèi)外形成一定的壓差,管道內(nèi)部流體會(huì)迅速流出,在泄漏點(diǎn)位置引起壓力突降。泄漏點(diǎn)周圍的氣體在壓差的作用下會(huì)向泄漏點(diǎn)流動(dòng),形成一個(gè)以泄漏點(diǎn)為中心的壓力波動(dòng),即負(fù)壓波。負(fù)壓波以一定的速度向泄漏點(diǎn)的兩端傳播,利用安裝在管道兩端的壓力傳感器檢測(cè)壓力波動(dòng)的信號(hào),根據(jù)兩端傳感器接收到負(fù)壓波的時(shí)間差就可以定位泄漏點(diǎn)。

負(fù)壓波法的優(yōu)點(diǎn)是可以迅速檢測(cè)出大的泄漏點(diǎn),缺點(diǎn)是對(duì)于比較小的泄漏點(diǎn)效果不佳。負(fù)壓波法在液體管道應(yīng)用較多,由于氣體的可壓縮性,所以在氣體管道上的應(yīng)用受到限制。

1.2 質(zhì)量或體積平衡法

根據(jù)質(zhì)量或體積平衡原理,管道內(nèi)介質(zhì)在進(jìn)出口處的流量相等,如果流量不相等說(shuō)明發(fā)生了泄漏,該檢測(cè)方法即質(zhì)量或體積平衡法。

在應(yīng)用質(zhì)量或體積平衡法進(jìn)行泄漏檢測(cè)時(shí),由于管存容積隨時(shí)間變化的不確定度范圍難以估計(jì),且檢測(cè)的精確度依賴于現(xiàn)場(chǎng)儀表的測(cè)量精度,所以難以達(dá)到預(yù)期效果。該方法無(wú)法直接進(jìn)行泄漏點(diǎn)的定位,需要與壓力波法等配合使用,判斷及識(shí)別泄漏則需要比對(duì)分析大量數(shù)據(jù),所以該方法響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。

1.3 聲波法

管道被破壞或是發(fā)生泄漏時(shí)將產(chǎn)生次聲波信號(hào),且沿著流體向上游和下游傳播,安裝在管道兩端的聲波傳感器不斷地將接收到的信號(hào)傳送到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理器判斷是否發(fā)生泄漏并定位。

聲波法的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)泄漏事件識(shí)別、泄漏點(diǎn)定位等功能。該方法的缺點(diǎn)在于聲波探測(cè)器安裝在管道兩端,泄漏產(chǎn)生的聲波信號(hào)經(jīng)長(zhǎng)距離傳播衰減嚴(yán)重,容易被背景噪聲淹沒(méi),小的泄漏信號(hào)可能淹沒(méi)在背景噪音中無(wú)法識(shí)別。

1.4 光纖法

通過(guò)光源發(fā)射一連串的脈沖光信號(hào)到傳感光纖內(nèi),脈沖光會(huì)在傳感光纖中產(chǎn)生背向散射光,而外界物理量的變化能夠影響背向散射光的特性。根據(jù)光散射理論,當(dāng)光在光纖中傳輸時(shí),主要產(chǎn)生三種散射,即瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射,通過(guò)對(duì)這些散射信號(hào)進(jìn)行解調(diào)可以還原出外部振動(dòng)、溫度和聲音等特征,其定位基本原理是基于光的時(shí)域反射理論。

近年來(lái),隨著分布式光纖傳感技術(shù)逐步成熟,可利用管道伴行光纜,在不另外加載傳感器的同時(shí),進(jìn)行管道泄漏及第三方入侵行為連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)。提醒操作人員快速處理,減少事故發(fā)生,進(jìn)一步提高管道的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

由以上分析可知,負(fù)壓波法不適用于氣體輸送管道;質(zhì)量或體積平衡法檢測(cè)靈敏度低,響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),也不適用氣體輸送管道[3];光纖法和聲波法適用于氣體輸送管道,且都在高含硫天然氣管道上有成功應(yīng)用[4],但聲波法噪聲影響大,且沒(méi)有預(yù)警功能,綜合各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比,光纖法更具優(yōu)勢(shì)。

2 光纖泄漏檢測(cè)方法探討

2.1 光纖泄漏檢測(cè)方法比較

基于瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射原理的管道光纖泄漏檢測(cè)技術(shù)目前有: 分布式光纖溫度傳感檢測(cè)技術(shù)(DTS)、分布式光纖溫度和應(yīng)力變化傳感檢測(cè)技術(shù)(DTSS)、分布式光纖振動(dòng)傳感檢測(cè)技術(shù)(DVS)和分布式光纖聲波傳感檢測(cè)技術(shù)(DAS)。

2.1.1DTS技術(shù)特性

DTS技術(shù)基于拉曼散射效應(yīng),根據(jù)管道中輸送的物質(zhì)泄漏會(huì)引起周圍環(huán)境溫度的變化,利用分布式光纖溫度傳感器連續(xù)測(cè)量沿管道的溫度分布,當(dāng)管道的溫度變化超過(guò)一定的范圍,就可以判斷發(fā)生了泄漏。該技術(shù)主要通過(guò)一定時(shí)間的數(shù)據(jù)累積來(lái)測(cè)定溫度,能實(shí)時(shí)反映溫度的變化趨勢(shì),誤報(bào)率較低。但是對(duì)小的溫度變化趨勢(shì)不夠敏感,不適合高瞬態(tài)事件捕捉,監(jiān)測(cè)物理量較為單一,對(duì)振動(dòng)、應(yīng)力不敏感。

光纖與管道的間距及泄漏點(diǎn)的方位將直接影響檢測(cè)效果。最理想的布置是在管道的上下左右方向各敷設(shè)1條光纜,或者沿著管道纏繞1圈光纜,這樣不論管道的哪個(gè)方位出現(xiàn)泄漏,都會(huì)有較好的檢測(cè)效果和較快的響應(yīng)時(shí)間,但敷設(shè)4條光纜成本高,實(shí)施難度大。另外,高含硫天然氣管道多數(shù)設(shè)置了防腐保溫層,同溝敷設(shè)的光纜還穿硅芯管保護(hù),防腐保溫層和硅芯管均影響光纖對(duì)溫度的敏感性,要實(shí)現(xiàn)泄漏檢測(cè)比較困難。而且DTS技術(shù)只能用于事后泄漏檢測(cè),無(wú)法進(jìn)行預(yù)報(bào)警,如不在同一側(cè)泄漏,感溫光纜要有較長(zhǎng)的時(shí)間延遲才能報(bào)警,而高含硫天然氣管道泄漏要求準(zhǔn)確和迅速報(bào)警以防止事故擴(kuò)大,所以該技術(shù)無(wú)法滿足高含硫天然氣管道的泄漏檢測(cè)。

2.1.2DTSS技術(shù)特性

DTSS技術(shù)基于布里淵散射效應(yīng),對(duì)溫度、應(yīng)力敏感,能探測(cè)出沿著光纖不同位置的溫度和應(yīng)力變化,可以同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度和應(yīng)力變化。

但該技術(shù)檢測(cè)地質(zhì)災(zāi)害引起的應(yīng)力變化時(shí),光纜宜緊貼管壁敷設(shè),光纜穿硅芯管會(huì)影響溫度和應(yīng)力變化檢測(cè),同DTS技術(shù)類似,用于高含硫天然氣管道存在局限性。該技術(shù)一般用于大壩結(jié)構(gòu)、橋梁鐵路結(jié)構(gòu)、架空電纜、海底電纜等的溫度和應(yīng)力監(jiān)測(cè),油氣管道泄漏監(jiān)測(cè)應(yīng)用較少。

2.1.3DVS技術(shù)特性

DVS技術(shù)基于瑞利散射效應(yīng),主要利用后向瑞利散射的脈沖干涉圖樣定性表征光纖沿線振動(dòng)信息。也有基于其他原理的探測(cè)方式,均是基于對(duì)振動(dòng)的探測(cè)。

該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)第三方入侵預(yù)警,但采樣頻率及數(shù)據(jù)處理量較少,適用于單點(diǎn)追蹤,不能很好地監(jiān)測(cè)同時(shí)發(fā)生的多事件,存在誤報(bào)和漏報(bào)的情況。而且管道泄漏產(chǎn)生的振動(dòng)較小,難以捕捉信號(hào),不適用于管道泄漏監(jiān)測(cè),一般用于管道預(yù)警。

2.1.4DAS技術(shù)特性

DAS技術(shù)是在DVS技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展起來(lái)的,都是采用瑞利散射效應(yīng),重點(diǎn)關(guān)注高瞬態(tài)事件的捕捉以及對(duì)事件特征的分析。通過(guò)解調(diào)瑞利光波的相位信息,利用差分相位與聲波的線性關(guān)系,定量化重建外界聲音信息。其采樣速率及信噪比較高,能完整還原出聲音信號(hào)的波形,通過(guò)模式識(shí)別判斷事件類型。

該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)第三方入侵報(bào)警和泄漏檢測(cè)報(bào)警及定位,同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)聲音還原,由操作員輔助進(jìn)行事件判別。該技術(shù)的應(yīng)用,大幅提升了第三方入侵的探測(cè)性能,不但能探測(cè)出入侵事件,而且還能探測(cè)出事件類型,適用于高含硫天然氣管道的泄漏檢測(cè)。

2.2 DAS檢測(cè)原理

基于光纖內(nèi)部后向瑞利散射反映待測(cè)物理量變化情況的DAS技術(shù),根據(jù)外界聲波變化和散射信號(hào)的相位變化,在配合恰當(dāng)?shù)男盘?hào)解調(diào)和信號(hào)識(shí)別算法的條件下,能夠?qū)ν饨缏晥?chǎng)包括頻率、相位、振幅等的完整信息實(shí)時(shí)重建[5]。

工程應(yīng)用中,基于DAS的分布式光纖泄漏檢測(cè)與安全預(yù)警系統(tǒng)采用單芯普通單模通信光纜作為傳感器,利用光纖對(duì)聲波的敏感特性,當(dāng)外界擾動(dòng)作用于傳感光纖上時(shí),由于彈光效應(yīng),光纖的折射率、長(zhǎng)度將產(chǎn)生微小變化,從而導(dǎo)致光纖內(nèi)傳輸信號(hào)相位的變化,使得光強(qiáng)發(fā)生變化。儀器端分析返回的信號(hào),獲得外界作用的頻率和振幅。將光纜細(xì)分以米為單位的小段,每1個(gè)測(cè)量點(diǎn)都是相互獨(dú)立的,能夠探測(cè)到光纖上同時(shí)發(fā)生的若干振動(dòng)事件。DAS檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 DAS檢測(cè)原理示意

3 應(yīng)用實(shí)例

某高含硫天然氣氣田,集輸管道長(zhǎng)度超100 km,管道同溝敷設(shè)直埋16芯或32芯的光纜。氣田所在地區(qū)均為丘陵多山地帶,自然災(zāi)害高發(fā),易發(fā)生洪災(zāi)、滑坡等災(zāi)害。管道途經(jīng)地區(qū)人口稠密區(qū)域較多,人員活動(dòng)頻繁。為了管道的安全運(yùn)行,設(shè)置了1套基于DAS技術(shù)的分布式光纖泄漏檢測(cè)與安全預(yù)警系統(tǒng)。

3.1 分布式光纖泄漏檢測(cè)與安全預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由傳感光纜、監(jiān)控主機(jī)、管理系統(tǒng)、監(jiān)控終端組成,如圖2所示。其中傳感光纜使用管道同溝敷設(shè)通信光纜中的單芯普通光纖。設(shè)置多套監(jiān)控主機(jī)安裝于管道沿線集氣站,每套主機(jī)管理不同的區(qū)域,采集管道光纖返回的聲波信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理,同時(shí)將信號(hào)傳送至管理系統(tǒng);管理系統(tǒng)接收、處理監(jiān)控主機(jī)上傳的數(shù)據(jù)和預(yù)警信息;監(jiān)控終端接收、處理和顯示監(jiān)控主機(jī)或管理系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)和預(yù)警信息,監(jiān)控終端可以是臺(tái)式電腦或手持終端等。

圖2 分光纖泄漏檢測(cè)與安全預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3.2 光纖修復(fù)

該系統(tǒng)對(duì)于光纖要求單通道損耗不得高于12 dB,埋地光纜由于使用時(shí)間較長(zhǎng),整體損耗較高,多處光纜存在斷纖、單個(gè)損耗點(diǎn)超過(guò)1 dB的情況,針對(duì)該情況需要開挖管道,找到光纜破損點(diǎn)進(jìn)行重新熔接,采用DAS技術(shù)精確定位光纖損耗處使管道整體開挖轉(zhuǎn)變?yōu)閱吸c(diǎn)開挖,有效減少了光纖修復(fù)的時(shí)間。

3.3 光纖定位標(biāo)定

管道沿線同溝敷設(shè)的光纜由于本身材質(zhì)、施工因素等影響,造成光纖監(jiān)測(cè)線的實(shí)際位置與管道位置不能達(dá)到一一對(duì)應(yīng),不能準(zhǔn)確反映泄漏或預(yù)警的位置。要把顯示給用戶的管道預(yù)警點(diǎn)的位置由光纜映射給該系統(tǒng),需要光纖的定位標(biāo)定。

對(duì)于新建項(xiàng)目可以在施工過(guò)程中利用輔助校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)管線位置定位校準(zhǔn)[6],但是對(duì)于已建管道則需要通過(guò)探測(cè)器沿管線現(xiàn)場(chǎng)采集,記錄對(duì)應(yīng)管段光纖線的實(shí)際使用距離,將泄漏點(diǎn)光纖線的監(jiān)測(cè)位置轉(zhuǎn)化為管道泄漏點(diǎn)的實(shí)際位置。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試主要進(jìn)行模擬氣體泄漏試驗(yàn),同時(shí)輔以人工挖掘、機(jī)械挖掘試驗(yàn),檢驗(yàn)該系統(tǒng)的定位精度、響應(yīng)時(shí)間、報(bào)警事件自動(dòng)識(shí)別等性能。其中,人工挖掘、機(jī)械挖掘等不涉及泄漏的測(cè)試容易實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證,下面只對(duì)泄漏測(cè)試進(jìn)行說(shuō)明。

試驗(yàn)地點(diǎn)隨機(jī)選擇高含硫天然氣管道不同樁號(hào)段,試驗(yàn)對(duì)象為模擬管道泄漏的4根無(wú)縫鋼管。為全方位模擬真實(shí)氣體泄漏,4根漏氣管道分別位于輸氣管道的4個(gè)方向,泄漏孔徑分別為2 mm,5 mm形狀不規(guī)則的開孔或節(jié)流閥,距離試驗(yàn)管道本體約30 cm。氣源為氮?dú)馄拷M,壓力為12 MPa,出口設(shè)置調(diào)壓閥。4個(gè)方向進(jìn)行的多組泄漏點(diǎn)測(cè)試,應(yīng)用DAS技術(shù)均能及時(shí)檢測(cè)到氣體泄漏并準(zhǔn)確定位。管道內(nèi)壓力越大,測(cè)試效果越好。

3.5 模式識(shí)別

該系統(tǒng)中關(guān)鍵的一步是對(duì)信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別,能夠在復(fù)雜的環(huán)境條件下對(duì)威脅管道安全的事件進(jìn)行快速和準(zhǔn)確的捕捉,對(duì)事發(fā)點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)報(bào)警和定位。模式識(shí)別的過(guò)程主要是信號(hào)的獲取、信號(hào)特征的提取、特征庫(kù)的建設(shè)以及分類決策。建立標(biāo)準(zhǔn)特征庫(kù)是指通過(guò)信號(hào)的樣本進(jìn)行一個(gè)學(xué)習(xí)的過(guò)程,分類決策是指在建立標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)之后,對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行分類和判斷的過(guò)程[7]。

該系統(tǒng)信號(hào)的獲取通過(guò)不同事件的振動(dòng)頻率、相位和能量特征,實(shí)時(shí)分析全段光纖振動(dòng)信號(hào)的能量譜分布。結(jié)合頻率、時(shí)間、空間等方法獲取信號(hào)的特征以區(qū)分當(dāng)前發(fā)生的行為,如機(jī)械挖掘的信號(hào)能量特征在時(shí)間上體現(xiàn)為間斷的能量沖擊信號(hào),其能量空間分布范圍較大,而且機(jī)械振動(dòng)多為低頻振動(dòng),且頻率集中在100 Hz以下。人工挖掘雖然也是間斷信號(hào),但其能量較小,沖擊信號(hào)的時(shí)間間隔比機(jī)械挖掘要小。氣體泄漏信號(hào)能量特征在時(shí)間上體現(xiàn)為連續(xù)的能量沖擊信號(hào),其能量空間分布范圍比較集中而且中心位置點(diǎn)穩(wěn)定不變,且頻率集中在1 kHz以下。

根據(jù)聲波信號(hào)的特性,可分為脈沖靜止、脈沖勻速、脈沖加速、持續(xù)靜止、持續(xù)勻速、持續(xù)加速、脈沖+持續(xù)靜止、脈沖+持續(xù)勻速、脈沖+靜止加速信號(hào)九大類,天然氣管道防護(hù)事件主要有脈沖靜止、脈沖+持續(xù)靜止、持續(xù)靜止三種類型。人工挖掘是一種典型的脈沖靜止事件,機(jī)械挖掘是一種典型的脈沖+持續(xù)靜止事件,氣體泄漏是一種典型的持續(xù)靜止信號(hào)。

對(duì)于未識(shí)別的疑似事件,如果在一段時(shí)間內(nèi)多次出現(xiàn),需采集足夠多的樣本并進(jìn)行分析,可定義為一種新的模式。根據(jù)該系統(tǒng)的事件識(shí)別功能升級(jí)后還增加了水流沖擊、管線開挖、人工鋤地、管道周邊施工、挖掘機(jī)入場(chǎng)、機(jī)械耕地、機(jī)械收割、發(fā)電機(jī)振動(dòng)等模式,同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了批處理作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控和清管器跟蹤的功能。

4 應(yīng)用效果

該系統(tǒng)反應(yīng)靈敏,針對(duì)模擬管道4個(gè)方向的氣體泄漏,可準(zhǔn)確迅速地采集到泄漏信號(hào)并報(bào)警。對(duì)于人工挖掘和機(jī)械挖掘等外力入侵信號(hào),該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別并報(bào)警,各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)了預(yù)期的目標(biāo)。

該系統(tǒng)應(yīng)用一段時(shí)間后,統(tǒng)計(jì)分析表明: 及時(shí)制止了管道上方多處挖掘機(jī)違章施工,杜絕了外力入侵對(duì)輸氣管道造成的不安全因素;在雨季提供了雨水沖刷點(diǎn)定位,準(zhǔn)確預(yù)報(bào)垮塌、管道沖開多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),經(jīng)過(guò)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)整改減少了山體滑坡、擠壓對(duì)管道造成的危害,減少了雨天巡線人員的風(fēng)險(xiǎn);還提供了管道清管通球定位服務(wù),在多次服務(wù)過(guò)程中記錄球體異常停頓位置、能量、速度等信息,為客戶提供管道潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)數(shù)據(jù),可與管道腐蝕監(jiān)測(cè)、歷史焊接數(shù)據(jù)綜合分析,確認(rèn)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)是否實(shí)際存在問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)該系統(tǒng)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了高含硫天然氣管道全面、實(shí)時(shí)的安全防護(hù),提高了問(wèn)題發(fā)現(xiàn)的及時(shí)性和處置效率,對(duì)高含硫氣田的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行意義重大。同時(shí),可以在高含硫氣田“集中監(jiān)控智能化”的模式下[8],進(jìn)一步探索將人工巡檢轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)巡檢,減少巡檢車輛和巡檢人員,提高管控水平、助推管網(wǎng)運(yùn)行管理模式的轉(zhuǎn)變,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益。