分布式光纖傳感器在管道微泄漏監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

劉故箐邵海年李瓊瑋

(1.西安通信學(xué)院;2.南海艦隊(duì);3.長(zhǎng)慶油田公司油氣工藝研究院)

分布式光纖傳感器在管道微泄漏監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

劉故箐1邵海年2李瓊瑋3

(1.西安通信學(xué)院;2.南海艦隊(duì);3.長(zhǎng)慶油田公司油氣工藝研究院)

在現(xiàn)有的管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)中,分布式光纖傳感器是一種非常具有發(fā)展前景的技術(shù)。它利用管道發(fā)生泄漏時(shí)管道周圍溫度發(fā)生變化的特性,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)輸管道的泄漏檢測(cè)。與傳統(tǒng)技術(shù)相比,分布式光纖傳感器能對(duì)小流量泄漏進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和準(zhǔn)確定位。通過(guò)國(guó)外近年相關(guān)文獻(xiàn)匯總,闡述了分布式光纖傳感器中布里淵光時(shí)域分析儀系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu),分析了光纖傳感系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)管道微泄漏監(jiān)測(cè),并重點(diǎn)介紹了國(guó)外公司在管道泄漏監(jiān)測(cè)中的三個(gè)典型實(shí)例。

分布式光纖傳感器 管道微泄漏 監(jiān)測(cè) 布里淵散射

1 引言

管道運(yùn)輸是石油和天然氣最經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)距離輸送方式。由于各種原因,管道故障經(jīng)常發(fā)生,不僅導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失,而且對(duì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響,因此建立管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有著重要的意義。

管網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)的傳統(tǒng)方法主要有:泄漏檢測(cè)電纜法、示蹤劑檢測(cè)法、負(fù)壓波法、壓力梯度法、質(zhì)量平衡法、實(shí)時(shí)模型法、統(tǒng)計(jì)決策法、應(yīng)力波法、聲波法等。這些方法在應(yīng)用中存在不同的缺點(diǎn),例如質(zhì)量平衡法只能判斷泄漏的發(fā)生,而不能對(duì)泄漏定位;普遍使用的負(fù)壓波法只對(duì)突發(fā)的大流量泄漏敏感,監(jiān)測(cè)不到緩慢發(fā)生的小流量泄漏。與上述技術(shù)相比,分布式光纖傳感器具有準(zhǔn)確度高、抗電磁干擾、耐腐蝕,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離分布式傳感,能對(duì)小流量泄漏進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和準(zhǔn)確定位等優(yōu)點(diǎn)。尤其近年來(lái)很多長(zhǎng)輸管道在建設(shè)過(guò)程中都同溝敷設(shè)通信光纜,為光纖傳感技術(shù)的實(shí)用化提供了良好的條件,因此在管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域,分布式光纖傳感技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。

2 分布式光纖傳感器

2.1 基本類型

當(dāng)前普遍研究和應(yīng)用的分布式光纖傳感器是基于布里淵 (Brillouin)散射和拉曼 (Raman)散射的光纖傳感器,這兩種技術(shù)都是利用光纖的非線性效應(yīng),通過(guò)監(jiān)測(cè)管道周圍的溫度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)泄漏的監(jiān)測(cè)。當(dāng)已知波長(zhǎng)的光入射進(jìn)光纖,沿著光纖的每個(gè)點(diǎn)會(huì)有光反射。反射光除了初始波長(zhǎng) (瑞利散射)的成分外,還有與初始波長(zhǎng)不同的波長(zhǎng)成分(布里淵散射和拉曼散射)。這些改變的波長(zhǎng)成分反映光纖很多局部屬性,特別是應(yīng)變和溫度。圖1給出在典型光纖中主要的散射波長(zhǎng)成分,可看出布里淵散射峰的位置 (布里淵頻移)與應(yīng)變和溫度有關(guān),而拉曼散射峰的光強(qiáng)與溫度有關(guān)。

圖1 光纖中的光散射

拉曼散射是光纖中入射光與光纖材料之間非線性效應(yīng)的結(jié)果。拉曼散射光的相對(duì)光強(qiáng)決定于光纖的局部溫度。已報(bào)道的典型拉曼散射傳感系統(tǒng)的溫度分辨率達(dá)到0.1℃,空間分辨率達(dá)到1 m,測(cè)試距離為8 km[1-2]。

布里淵散射效應(yīng)是注入光波場(chǎng)與光纖中彈性聲波場(chǎng)間相互耦合作用而產(chǎn)生的一種非線性光散射現(xiàn)象。根據(jù)入射光強(qiáng)的不同,光纖中會(huì)產(chǎn)生自發(fā)布里淵散射或受激布里淵散射。布里淵散射光的頻移具有溫度和應(yīng)變相關(guān)性,這是因?yàn)閺椥月暡ǖ膫鞑ニ俣入S光纖材料的密度改變而改變,因此布里淵傳感器除了能測(cè)試溫度,還能測(cè)試應(yīng)變。由于布里淵傳感器主要通過(guò)監(jiān)測(cè)布里淵頻移得到溫度或應(yīng)變等參數(shù),比利用強(qiáng)度的拉曼系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性和精度。因此,目前分布式傳感器的研究熱點(diǎn)主要集中于布里淵傳感器。較成熟的基于布里淵散射的傳感系統(tǒng)能提供0.1℃的溫度分辨率,20μ ε的應(yīng)變分辨率,測(cè)試距離為30 km,空間分辨率為1 m[8-9]。

利用布里淵散射的光纖傳感技術(shù)主要有布里淵光時(shí)域反射計(jì) (BOTDR)[3-4]、布里淵光頻域分析儀 (BOFDA)[5]、布里淵光時(shí)域分析儀 (BOTDA)[6-7]等。BOTDR技術(shù)利用光纖的自發(fā)后向布里淵散射光實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度的分布式測(cè)量,該技術(shù)有良好的應(yīng)用前景和可靠的技術(shù)研發(fā)可行性,是將來(lái)光纖傳感技術(shù)的主要發(fā)展方向之一;BOFDA基于布里淵散射現(xiàn)象和光頻域反射儀技術(shù)[5],該技術(shù)還主要停留在理論研究和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制上,沒(méi)有實(shí)用化儀器的報(bào)道;BOTDA技術(shù)利用受激布里淵散射效應(yīng),已發(fā)展成主要的布里淵分布式測(cè)量技術(shù)。瑞士的SMARTEC和Omnisens公司的BOTDA系統(tǒng)DiTeSt已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化[8-12],本文將以該系統(tǒng)為基礎(chǔ)介紹布里淵分布式傳感器在管道微泄漏監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

2.2 BOTDA系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)[7,9,10]

在BOTDA系統(tǒng)中,在光纖兩端同時(shí)注入不同頻率的光波。其中頻率高的光波稱為泵浦光,是脈沖光信號(hào);頻率低的光波稱為探測(cè)光,是連續(xù)光波信號(hào)。當(dāng)泵浦光和探測(cè)光的頻差等于光纖的布里淵頻移時(shí)產(chǎn)生受激布里淵散射,能量從泵浦信號(hào)轉(zhuǎn)移到探測(cè)信號(hào)上,探測(cè)信號(hào)光被放大 (圖2)。測(cè)試時(shí)不斷改變探測(cè)光的頻率進(jìn)行掃描,當(dāng)泵浦光和探測(cè)光的頻差等于光纖的布里淵頻移時(shí),散射增益得到極大值,同時(shí)根據(jù)散射信號(hào)的返回時(shí)間對(duì)布里淵頻移進(jìn)行定位,從而得到沿著光纖的布里淵頻移圖(圖3和圖4)。根據(jù)溫度和應(yīng)變與布里淵頻移的對(duì)應(yīng)關(guān)系 (圖5)[13],能將頻移信息轉(zhuǎn)換為所需測(cè)量的溫度和應(yīng)變信息。

圖2 BOTDA中光信號(hào)的相互作用

BOTDA儀器原理結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示[9]。該系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)是只有一個(gè)光源LD,光源采用Mach-Zehnder電光調(diào)制器 (EOM)實(shí)現(xiàn)外調(diào)制。EOM有兩個(gè)作用:一是將連續(xù)光調(diào)制成脈沖光,作為泵浦光;二是對(duì)光頻率進(jìn)行調(diào)制,產(chǎn)生探測(cè)光,探測(cè)光的頻率可以連續(xù)調(diào)制。摻鉺光纖放大器(EDFA)對(duì)泵浦光和探測(cè)光同時(shí)進(jìn)行放大,波分復(fù)用器 (WDM)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行分路。傳感光纖構(gòu)成環(huán)路,泵浦光和探測(cè)光通過(guò)WDM分別送入光纖的兩端。當(dāng)探測(cè)信號(hào)從傳感光纖返回后,經(jīng)WDM送往光電探測(cè)儀 (PD)進(jìn)行光強(qiáng)檢測(cè),結(jié)果記錄在數(shù)字存儲(chǔ)卡DAC中。

3 管道泄漏監(jiān)測(cè)原理[8,11]

分布式光纖傳感器的檢測(cè)原理非常簡(jiǎn)單:當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí),管道周圍的溫度分布會(huì)改變,對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),其空間定位能確定泄漏的大概位置,時(shí)間定位能確定泄漏的開(kāi)始時(shí)間。管道周圍的溫度分布取決于管道的類型和它所處的環(huán)境,如地埋石油和鹽水管道,泄漏液體比周圍土壤溫度高,會(huì)改變土壤的熱性質(zhì),特別是熱容量,在很多情況下管道周圍將形成溫度較高的污染區(qū)域;而對(duì)于氣體管道,由于壓力被釋放,泄漏氣體產(chǎn)生局部冷卻效應(yīng);在多相流管道中則會(huì)綜合出現(xiàn)以上現(xiàn)象。設(shè)計(jì)光纜的理想放置位置時(shí)需考慮以上效應(yīng)的影響。

對(duì)于地埋石油管道,傳感光纜的最佳位置在管道下方,并且光纜不和管道直接接觸。無(wú)論泄漏點(diǎn)在何處,這個(gè)位置接觸到泄漏石油的概率最大。當(dāng)管道處于水下時(shí),泄漏石油會(huì)上升而不會(huì)下沉,此時(shí)光纜的理想位置與上述情況相反。氣體泄漏會(huì)使泄漏位置的溫度降低,傳感光纜最好與管道表面直接接觸,光纜的最佳位置在管道正上方。這種裝置還可以對(duì)第三方侵入進(jìn)行監(jiān)測(cè),因?yàn)楫?dāng)管道表面暴露在空氣中時(shí),溫度會(huì)產(chǎn)生變化。

4 實(shí)際應(yīng)用

4.1 鹽水管道泄漏監(jiān)測(cè)

鹽水管道位于柏林至 Heckelberg之間,距離為55 km。系統(tǒng)選用兩個(gè)DiTeSt分析儀,一個(gè)分析儀能接收處理兩根傳感光纖的信號(hào),因此整個(gè)管道分為四個(gè)監(jiān)測(cè)段,最長(zhǎng)的傳感監(jiān)測(cè)距離為16.056 km(圖7)。傳感光纜選用標(biāo)準(zhǔn)通信光纜,光纜中的一根光纖用于溫度監(jiān)測(cè),另一根用于儀表和控制室之間的數(shù)據(jù)通信。

圖7 55 km鹽水管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中,首先將光纜敷設(shè)在管溝中,上面填埋沙子,然后敷設(shè)鹽水管道,光纜大約位于管道下10 cm處,以便監(jiān)測(cè)到所有泄漏。鹽水從地下抽出并注入管道時(shí)溫度大約為35℃。在正常流速下溫度沿整個(gè)管道下降8℃。管道埋在地下2～3 m處,土壤溫度約為5℃,并且隨季節(jié)變化不大,因此,即使在很低的泄漏速率下,任何溫度升高都意味著泄漏發(fā)生。

圖8給出泄漏發(fā)生時(shí)的測(cè)試曲線圖。該泄漏的速度很慢,只有50 mL/min,泄漏引起的溫度升高為8℃。當(dāng)檢測(cè)到泄漏時(shí),傳感系統(tǒng)立刻啟動(dòng)警報(bào)并自動(dòng)關(guān)斷鹽水。該系統(tǒng)的溫度分辨率達(dá)到1℃,測(cè)量響應(yīng)時(shí)間低于10 min,至今還在穩(wěn)定運(yùn)行。

圖8 泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4.2 石油微泄漏模擬試驗(yàn)[11]

意大利的Praoil進(jìn)行了地埋管道石油微泄漏模擬試驗(yàn)。一根兩芯光纜埋在地下1.5 m處,上蓋一層薄沙。將一根注水小孔徑聚乙烯管道置于光纜上,管道上不同位置安裝多個(gè)閥門,每個(gè)閥門上安裝流量計(jì),注入水的流量和溫度可控,用以模擬流速為300～3 500 m3/h的大孔徑管道的不同微泄漏情況。

試驗(yàn)中泄漏的平均流速是0.6 m3/h,相當(dāng)于能監(jiān)測(cè) 300 m3/h流量的 0.2%的泄漏和 3 500 m3/h流量的0.02%的泄漏,監(jiān)測(cè)微泄漏的能力明顯優(yōu)于其他檢漏技術(shù)。

模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)影響測(cè)量響應(yīng)時(shí)間和泄漏損失量的因素主要有:土壤的滲透性和密實(shí)度、發(fā)生泄漏的位置與傳感器的距離、泄漏導(dǎo)致的土壤溫度與地面溫度的溫差等。

4.3 天然氣泄漏模擬試驗(yàn)[11]

為評(píng)價(jià)分布式光纖傳感器是否適用于天然氣泄漏監(jiān)測(cè),意大利在天然氣管道上進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。一根光纜安裝在 500 m長(zhǎng)的 10 in(1 in=25.4mm)天然氣管道的頂部。距離測(cè)試起始端50 m處安裝了一根中空的塑料管,它使管道表面和空氣相接觸,用以模擬天然氣泄漏。實(shí)際操作中,向塑料管注入CO2使管道冷卻,產(chǎn)生類似氣體泄漏的情況。

在管道冷卻前先進(jìn)行參考測(cè)試。當(dāng)CO2注入后,每2～10 min測(cè)試一次溫度,并與參考值進(jìn)行比較,模擬的泄漏點(diǎn)在圖中能明顯觀察到 (圖9中畫圈處)。

圖9 氣體壓力的釋放導(dǎo)致的溫度降低指示泄漏的存在

5 結(jié)論

在管道監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,分布式光纖傳感器是一種比較新的技術(shù),具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),尤其適用于地埋管道的微泄漏監(jiān)測(cè)。BOTDA技術(shù)是目前最成熟和商用化程度最高的技術(shù),除了以上三個(gè)典型應(yīng)用,BOTDA技術(shù)還應(yīng)用于德國(guó)原油管道的泄漏檢測(cè)、意大利3 km氨水管道泄漏監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目。在實(shí)際應(yīng)用中,發(fā)現(xiàn)傳感系統(tǒng)成功的關(guān)鍵在于針對(duì)特定的傳感需求,選擇合適的傳感光纜并正確地安裝[11-12],有時(shí)可以利用與管道同溝敷設(shè)的光纜通信線路來(lái)實(shí)現(xiàn)管道監(jiān)測(cè)。此外,人們還在不斷研究新技術(shù),以期進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測(cè)試距離、空間分辨率和溫度分辨率[10]等性能參數(shù)。

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