光纖傳感檢測(cè)技術(shù)的效能評(píng)價(jià)

王曙光

1. 山東省天然氣管道有限責(zé)任公司, 山東 濟(jì)南 250101;2. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院, 山東 青島 266000

0 前言

近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展,城市規(guī)模不斷擴(kuò)大,城鄉(xiāng)結(jié)合速度加快,給天然氣管道運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)了占?jí)?、蠻力施工等問(wèn)題。大部分天然氣管道在設(shè)計(jì)時(shí),基本都處于一類(lèi)和二類(lèi)地區(qū),現(xiàn)在卻逐步演變?yōu)槿?lèi)和四類(lèi)地區(qū),保障管道安全平穩(wěn)運(yùn)行,為沿線城鄉(xiāng)居民源源不斷地順利輸送清潔能源,成為考驗(yàn)天然氣管道企業(yè)運(yùn)營(yíng)水平和管理能力的重要依據(jù)。

目前,天然氣管道保護(hù)基本采取人工巡護(hù)和部分管段架設(shè)監(jiān)控等措施,不能實(shí)現(xiàn)全部管道的實(shí)時(shí)監(jiān)控[1],新技術(shù)的引用迫在眉睫。近兩年,全國(guó)各天然氣管道企業(yè)已引入了許多新技術(shù),如無(wú)人機(jī)巡護(hù)、光纖傳感技術(shù)[2-5]等。本文對(duì)光纖傳感檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用及準(zhǔn)確性的檢測(cè)[6]進(jìn)行了總結(jié),研究成果對(duì)提高天然氣管道企業(yè)運(yùn)營(yíng)水平和管理能力具有重要意義。

1 管道概況

山東省天然氣管道有限責(zé)任公司膠州站到膠西站天然氣管道于2007年12月建成投產(chǎn),全長(zhǎng)22.4 km,沿途經(jīng)過(guò)膠州市膠北鎮(zhèn)、膠西鎮(zhèn),地形地貌以平原為主。該段主管道規(guī)格為508 mm×8.7 mm,材質(zhì)L 390螺旋縫埋弧焊鋼管,設(shè)計(jì)壓力6.3 MPa,管道防腐采用普通級(jí)三層PE加陰極保護(hù)聯(lián)合防腐技術(shù),同時(shí)敷設(shè)8芯光纜(型號(hào)GYTA 53-8 B 1)。該管道穿越小新河、十米河等中型河流2條,穿越膠濟(jì)鐵路、膠新鐵路等鐵路2處,穿越325省道高級(jí)公路1處。該管道內(nèi)天然氣溫度約14～16 ℃。光纜敷設(shè)在管道右下方(沿氣流方向),埋深1～3 m,光纜總長(zhǎng)度25 km,尚余6芯未用(其中2芯備用)。

2 方案設(shè)計(jì)

光纖傳感檢測(cè)技術(shù)利用光纖振動(dòng)檢測(cè)[7-9]和溫度檢測(cè)[10]原理,對(duì)管道全線振動(dòng)和溫度場(chǎng)變化情況的實(shí)時(shí)檢測(cè)[11-15],實(shí)現(xiàn)對(duì)管道入侵、泄漏事件[12-15]的早期介入,避免事態(tài)擴(kuò)大和減少事故發(fā)生。

2.1 分布式光纖振動(dòng)檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

分布式光纖傳感振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī)檢測(cè)距離可以達(dá)到30 km,該管道長(zhǎng)度22.4 km,同溝鋪設(shè)的光纜總長(zhǎng)度25 km。在膠州站配置1臺(tái)振動(dòng)主機(jī)連接1芯光纖,在膠西站光纖尾端接入1個(gè)反射模塊,即可完成管道第三方外力入侵檢測(cè)[16-17]。光纖振動(dòng)檢測(cè)主機(jī)配置見(jiàn)圖1。

2.2 分布式光纖溫度檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

分布式光纖溫度傳感檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī)能檢測(cè)最大距離約10 km,擬在膠州站、膠西站分別配置1臺(tái)溫度傳感主機(jī),分別占用1條空閑的光纖(共2芯),完成該管道的泄漏監(jiān)測(cè)[16-17]。光纖溫度檢測(cè)主機(jī)配置見(jiàn)圖2。

圖1 光纖振動(dòng)檢測(cè)主機(jī)配置

圖2 光纖溫度檢測(cè)主機(jī)配置

3 效能評(píng)價(jià)

效能評(píng)價(jià)[18]主要通過(guò)入侵模式識(shí)別測(cè)試和溫度測(cè)試獲得，主要用于總結(jié)光纖傳感檢測(cè)技術(shù)對(duì)天然氣管道入侵泄漏狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、定位的效果，探索用于天然氣管道入侵泄漏狀態(tài)的預(yù)警[19-20]和報(bào)警。

3.1 設(shè)備布置

1)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心設(shè)在膠州站監(jiān)控室,進(jìn)行系統(tǒng)整體運(yùn)行情況展示?，F(xiàn)場(chǎng)配有1臺(tái)54 in(1 in=33.33 mm)液晶顯示器作為監(jiān)控屏。

2)將1臺(tái)振動(dòng)傳感主機(jī)、2臺(tái)溫度傳感主機(jī)及機(jī)柜,按測(cè)試要求安放在膠州站或膠西站機(jī)房,使用2芯空閑光纖(一芯光纖直接接入溫度傳感主機(jī)、一芯直接接入振動(dòng)傳感主機(jī))進(jìn)行測(cè)試。

3)監(jiān)控中心配置2臺(tái)服務(wù)器,1臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器,1臺(tái)WEB服務(wù)器。

設(shè)備配置見(jiàn)圖3,系統(tǒng)總體架構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖3 設(shè)備配置示意圖

圖4 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3.2 測(cè)試準(zhǔn)備

3.2.1 測(cè)試光纜連接

將分布式光纖振動(dòng)檢測(cè)所需光纜與分布式光纖振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行熔接,再將尾端光纜與光反射模塊進(jìn)行熔接。

3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境

測(cè)試地點(diǎn)距離膠州站約1.4 km,該處在農(nóng)田中間的1條土質(zhì)路面附近,便于開(kāi)挖。

3.3 測(cè)試結(jié)果

3.3.1 分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)測(cè)試

分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)測(cè)試時(shí)間為2015年1月。

3.3.1.1 測(cè)試目的

1)測(cè)試分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)檢測(cè)入侵信號(hào)的靈敏度及定位[2]的準(zhǔn)確度。

2)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行挖掘機(jī)挖土、鐵锨鏟土和電鉆打孔等試驗(yàn),采集不同入侵類(lèi)型的振動(dòng)數(shù)據(jù)形成不同入侵源的振動(dòng)樣本,然后由系統(tǒng)對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,建立入侵模式識(shí)別庫(kù)。

3)進(jìn)行挖掘機(jī)挖土、鐵锨鏟土和電鉆打孔等不同入侵類(lèi)型,對(duì)入侵信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別,確定振動(dòng)源,檢驗(yàn)?zāi)Ｊ阶R(shí)別的精度。

3.3.1.2 樣本數(shù)據(jù)采集測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行電鉆打孔、挖掘機(jī)挖土、鐵锨鏟土等試驗(yàn),并定義6種類(lèi)型入侵:電鉆打孔、挖掘機(jī)挖土、鐵锨鏟土、錘子捶地、火車(chē)駛過(guò)和重型車(chē)經(jīng)過(guò),分別編號(hào)為1、2、3、4、5、6號(hào)。管道未入侵情況下的檢測(cè)曲線見(jiàn)圖5。

圖5 無(wú)入侵情況下檢測(cè)曲線

3.3.1.3 模式識(shí)別測(cè)試

1)電鉆打孔現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在管道旁放置一段鋼管,使用電鉆對(duì)鋼管打孔,模擬打孔盜氣。光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)電鉆打孔的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè),并對(duì)入侵源進(jìn)行識(shí)別和定位。電鉆打孔現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖6。

通過(guò)測(cè)試,系統(tǒng)能夠檢測(cè)到入侵信號(hào),入侵類(lèi)型為1號(hào),實(shí)現(xiàn)管道預(yù)警[19-20]。入侵振動(dòng)類(lèi)別識(shí)別情況見(jiàn)圖7。

圖6 電鉆打孔現(xiàn)場(chǎng)照片

圖7 入侵振動(dòng)類(lèi)別識(shí)別情況

2)挖掘機(jī)挖土入侵試驗(yàn)

在管道旁邊5 m處,用挖掘機(jī)進(jìn)行挖土,對(duì)挖掘機(jī)挖掘振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),并對(duì)入侵源進(jìn)行識(shí)別。通過(guò)測(cè)試,系統(tǒng)能夠檢測(cè)到入侵信號(hào)。挖掘機(jī)挖掘現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖8,挖掘機(jī)挖掘檢測(cè)情況見(jiàn)圖9。

圖8 挖掘機(jī)挖掘現(xiàn)場(chǎng)

圖9 挖掘機(jī)挖掘檢測(cè)情況

3)鐵锨鏟土入侵測(cè)試

在管道附近用鐵锨鏟土測(cè)得振動(dòng)信號(hào)。鐵锨鏟土檢測(cè)情況見(jiàn)圖10。

圖10 鐵锨鏟土檢測(cè)情況

4)錘子捶地入侵測(cè)試

在管道附近用錘子捶地能夠測(cè)得振動(dòng)信號(hào),通過(guò)模式識(shí)別,測(cè)得入侵類(lèi)型鐵錘,識(shí)別正確并且入侵地點(diǎn)的定位誤差在10 m內(nèi)。錘子捶地檢測(cè)情況見(jiàn)圖11。

圖11 錘子錘地檢測(cè)情況

5)火車(chē)駛過(guò)的入侵檢測(cè)及模式識(shí)別

14.7 km處測(cè)得有火車(chē)經(jīng)過(guò),由管道實(shí)際鋪設(shè)地理位置可知,此處為火車(chē)道,系統(tǒng)能夠?qū)疖?chē)駛過(guò)的入侵進(jìn)行準(zhǔn)確地檢測(cè)和定位,并能夠正確識(shí)別。GIS報(bào)警軟件火車(chē)駛過(guò)檢測(cè)情況見(jiàn)圖12。

圖12 火車(chē)駛過(guò)檢測(cè)情況

6)重型車(chē)經(jīng)過(guò)

9.3 km處測(cè)得有重型車(chē)經(jīng)過(guò),由管道實(shí)際鋪設(shè)地理位置可知,此處為公路路口,車(chē)輛頻繁駛過(guò),識(shí)別正確。GIS報(bào)警軟件重型車(chē)經(jīng)過(guò)檢測(cè)情況見(jiàn)圖13。

圖13 汽車(chē)經(jīng)過(guò)檢測(cè)情況

3.3.1.4 測(cè)試結(jié)論

1)分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)能及時(shí)靈敏地檢測(cè)到6種入侵振動(dòng)信息并準(zhǔn)確進(jìn)行定位,定位誤差為20 m。工作人員可在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)偷盜采行為,做出有效處理。

2)系統(tǒng)對(duì)電鉆打孔、重型車(chē)經(jīng)過(guò)和火車(chē)駛過(guò)入侵的識(shí)別率較高,能夠進(jìn)行一定程度的模式識(shí)別。

3)針對(duì)入侵源識(shí)別不準(zhǔn)確問(wèn)題,應(yīng)從以下方面對(duì)入侵源模式識(shí)別進(jìn)行改進(jìn):加大模式識(shí)別數(shù)據(jù)采集量,大量采集挖掘機(jī)、鐵锨、錘子在不同地點(diǎn)的入侵?jǐn)?shù)據(jù),進(jìn)行模式分析和模式庫(kù)建立,提高識(shí)別精度。

3.3.2 溫度傳感系統(tǒng)測(cè)試

溫度傳感系統(tǒng)測(cè)試時(shí)間為2015年1月。

3.3.2.1 溫變測(cè)試一

光纜挖出后,暴露在環(huán)境中一段時(shí)間,使之與環(huán)境溫度基本相同,隨后為光纜附近敷上蓄水棉,進(jìn)行澆水試驗(yàn),測(cè)試周?chē)鷾囟茸兓?/p>

測(cè)試點(diǎn)距離工控機(jī)站約1.4 km,土壤溫度5.7 ℃,空氣溫度8.8 ℃,測(cè)試光纜長(zhǎng)度1.2 m,穩(wěn)定后澆水的鎧裝光纜表層溫度26 ℃,所測(cè)穩(wěn)定后溫度17.4 ℃,第一次澆水反應(yīng)時(shí)間1～2 min,管道、光纜、澆水位置見(jiàn)圖14。

圖14測(cè)試結(jié)果：燒水時(shí)，溫度明顯升高，系統(tǒng)給出了高溫報(bào)警提示，溫度升高檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖15。隨著蓄水棉溫度逐漸降低，檢測(cè)曲線上的溫度突變點(diǎn)逐漸消失，溫度降低檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖16。

圖14 溫度測(cè)試示意圖

圖15 溫度升高檢測(cè)結(jié)果簡(jiǎn)圖

圖16 溫度下降檢測(cè)結(jié)果簡(jiǎn)圖

3.3.2.2 溫變測(cè)試二

測(cè)試點(diǎn)距離工控機(jī)站約1.4 km,土壤溫度5.1 ℃,空氣溫度9.3 ℃,測(cè)試光纜長(zhǎng)度1.2 m,穩(wěn)定后澆水的鎧裝光纜表層溫度25 ℃,所測(cè)穩(wěn)定后溫度19.4 ℃,澆水反應(yīng)時(shí)間2～3 min。遠(yuǎn)程服務(wù)端同步顯示情況見(jiàn)圖17。

圖17 溫度檢測(cè)結(jié)果簡(jiǎn)圖(第二次升溫過(guò)程)

從圖17可看到,溫度產(chǎn)生了明顯的突變，與溫度測(cè)試的結(jié)果基本一致。

3.3.2.3 測(cè)試結(jié)論

1)在實(shí)驗(yàn)室理想環(huán)境下,溫度傳感系統(tǒng)的最大檢測(cè)距離達(dá)24 km;但在實(shí)際環(huán)境中,由于光纖的熔接等原因,實(shí)際可穩(wěn)定檢測(cè)的有效距離約15 km。

2)在溫度發(fā)生變化后,能夠進(jìn)行準(zhǔn)確地檢測(cè)、定位和報(bào)警。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1)分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)能夠檢測(cè)到日常的入侵事件,定位誤差在20 m左右。

2)能夠?qū)﹄娿@打孔、火車(chē)駛過(guò)和重型車(chē)經(jīng)過(guò)進(jìn)行入侵源識(shí)別,對(duì)挖掘機(jī)挖掘、鐵锨挖掘、錘子敲擊的入侵類(lèi)型識(shí)別尚需進(jìn)一步完善。

3)溫度傳感系統(tǒng)能夠?qū)艿罍囟茸兓瘞?lái)的異常進(jìn)行檢測(cè)、報(bào)警和準(zhǔn)確定位,定位誤差為10 m。

4)通過(guò)測(cè)試,數(shù)據(jù)能夠傳輸?shù)奖O(jiān)控中心并實(shí)現(xiàn)管道入侵、泄漏狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、預(yù)警、報(bào)警和定位,在一定程度上能夠?qū)艿肋M(jìn)行有效的防護(hù)。

4.2 建議

1)進(jìn)一步論證和評(píng)估光纜分布位置以及光纜偏移量對(duì)檢測(cè)效果的影響。

2)增加分區(qū)域檢測(cè)、屏蔽干擾信息和自動(dòng)識(shí)別有效信息的功能。