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光纤传感安全预警技术应用于管道监测

光子瑞利   2020-07-06

1 前言

随着管道运行后期,管道的老化、腐蚀、人为破坏和管道自身缺陷等问题,常常造成管道泄漏事故,在生产上造成不必要的损失。油气管道的泄漏不仅给企业带来巨大的经济损失,同时,管道内外漏后的油气存在安全隐患,如果不及时发现,很容易引发火灾、中毒、爆炸、伤亡等事故。因此高质量的管道泄漏检测技术就是油气安全运输的根本保障。
目前,我国的管道监测系统还比较落后,大部分停留在人工巡逻的基础上。传统的检测还是利用人工巡检并携带仪器检测管道泄漏,虽然国内一些研究单位已经开始了自动化监测系统的研制,但还存在系统稳定性差、灵敏度低、容易误报和漏报、无法准确定位故障点、信息化程度低等问题。另外还有各类间接检测及新型检测技术,本文就光纤传感检漏技术原理及工作方法进行介绍。


2 光纤检测法简介

管道发生泄漏时,会对管道周围的介质进行扰动,介质参数将会发生变化,铺设在管道沿线的电缆会感应到这些参数的变化。这种电缆具有传感器和数据传输的功能,感应到的信息会被传感器采集,随后传递到控制中心的计算机进行参数对比与判断,这就是光纤检测法。

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图1 管道泄漏监测原理图


光纤传感技术是20世纪70年代中期发展的基于光导纤维的新型传感技术,是在光通信技术和光信号处理技术、电信号处理技术基础上发展的新型技术。光纤传感技术使光纤既是信息载体,又是感知外界信号的敏感媒介;既保持了光纤具有极大容量的高速传输信息的特点,又具有通过光的振幅、相位、频率、偏振态各种参数的调制和处理,灵敏感知外界各种物理量和化学量细微变化的传感特性。采用光纤检测法的传感系统具有抗干扰、耐腐蚀、准确度高等特点,可以对管线重要部位进行实时监测,定位精度在2m之内。

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3 光纤传感原理

光纤传感技术在上世纪70年代,随着光纤通讯的迅速发展而被人们所关注。
国外对光纤检测法的研究已经超过40年,并取得了显著成果和广泛应用。分布式光纤检测法的类型较多,但技术成熟,能够实时监控长输管道的方法只有干涉法。干涉式光纤检测技术根据光纤检测的物理场的不同,主要分为分布式温度传感法和分布式声波(振动)传感法。
1、分布式温度传感法
该方法的基本原理是根据管道中输送的流体泄漏后。会改变管道周围的温度,沿管道敷设的光纤检测温度的变化,当温度变化量超过一定的范围,就认为管道泄漏。该方法适用于输送气体和输送液体管道,但光纤敷设的位置不同。沿输送气体管道敷设时,光纤电缆位于管线之上,输送液体管道正好相反。
2、分布式声波(振动)传感法
该方法的基本原理是管道泄漏后,会产生声波,光纤检测到声波(或振动),系统便会报警。
分布式温度传感法和分布式声波(振动)传感法报警迅速、定位精度高,可应用于输油、输气和多相流管道。具体使用哪种方法更有效,取决于管道泄漏产生的信号。例如,油品温度跟环境温度相差不大时,采用分布式温度传感法是不可取的。分布式温度传感法适用于输气管道和热油管道。如果管线经常出现偷油、偷气事件,应该采用分布式声波(振动)传感法。
分布式光纤油气管道监测系统,采用普通通信光缆作为传感原件和信号传输原件,当外界破坏作用于传感光缆和油气管道时,会引起光缆中光纤发生应变,导致长度和纤芯折射率发生变化。当传感光缆中有光通过时,引起光信号的相位发生变化,传感光缆将相位变化信息传输至信号处理中心,系统对返回的传感信息进行处理,得出传感光缆周围的振动变化和故障发生点,由此监控事件的发生。图2为分布式光纤油气管道监测系统结构示意图。

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图2 分布式光纤油气管道监测系统结构图


光纤检漏技术主要依靠光纤后向散射光的分布变化,来分析检测应变、光纤周围温度等被测量的分布变化。
后向散射光又分为弹性散射光和非弹性散射光,其中弹性散射光包括瑞利散射光,非弹性散射光包括喇曼散射光和布里渊散射光。

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图3 光纤后向散射光分类


利用不同散射光的不同性质可以研制出多种传感器。例如:利用背向瑞利散射研制的OTDR传感器,利用布里渊散射研制的B-OTDR、B-OTDA( Brillouin Optical TimeDomain Analysis)传感器,利用喇曼散射研制的R-OTDR等。


4 光纤传感技术优点

光纤监测优点:

(1) 全光纤:探测及传输部件皆为无源光学器件,对外无辐射,又防电磁、射频、雷击、雷达等影响;

(2) 耐腐蚀:可埋设在潮湿、水下等多种环境中长期使用;

(3) 安装方式灵活多样:可采用紧贴管道敷设、隐蔽地埋等方式;

(4) 弱电低耗:除监测终端需要电供应外,整套系统无需能源供应,大大降低能耗;

(5) 隐蔽性:系统可采用隐蔽地埋方式安装,不易被入侵人员发现,避免被破坏和跨越失效;

(6) 不受温度影响:采用特殊温度解调技术,抗干扰能力优于同类产品;

(7) 潮湿环境:系统可以布设于潮湿区域,实现在野外环境下使用;

(8) 误报低:建立丰富的事件模型,采用高效算法,有效避免背景噪声信号的干扰;

(9) 能够准确定位油气管道事故发生泄漏的地点,并可与视频等设备联动,为事故处理提供依据;

(10) 传感光纤上的任意一点都具有传感能力,可以获得连续的信息。检测距离远并且具有很高的灵敏度。


5 光纤传感技术应用场合

光纤传感技术应用领域十分广泛。

1、边界防卫

国境线、边境线、隔离带、长距离边界的限制接近防入侵

2、周界安防警戒

(1)军事基地、机场、军港、航天发射场、雷达站、通讯站等

(2)国民经济重要设施护卫、变电站、水库、文博、金融机构等

(3)易燃易爆场所、油库、液化气灌瓶厂、气站、炸药库等

(4)政府、司法系统(监狱等)、高档住宅、工业园区、学校、酒店等

3、管道防护

(1)石油、天然气长输管道

(2)城市供水、供热管道、电力系统

(3)各类输送危险或高价值化工品管道等

使用光纤检测法可以对管道进行实时监测,管道发生微量渗漏也能够及时地检测出来。光纤检测技术是比较有应用前途的泄漏检测技术,具有很大的发展空间。

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