基于光纖拉曼測溫的腐蝕性酸溶液滲漏檢測技術(shù)研究

馮維一，劉禮華，張旭蘋，趙 霞，黃曉煒，于春涵

1. 法爾勝泓昇集團(tuán)有限公司，江蘇 無錫 214433 2. 南京大學(xué)材料與工程博士后流動(dòng)站，江蘇 南京 210008 3. 江陰愛科森博頓聚合體有限公司，江蘇 無錫 214446

引 言

隨著市場競爭的日益激烈以及安全管理體制調(diào)整等因素的影響，化工行業(yè)的安全隱患和壓力日益增大?；て髽I(yè)和生物制藥企業(yè)的管道輸送介質(zhì)多數(shù)都是強(qiáng)腐蝕性物質(zhì)，主要含有硫酸根、硝酸根、鹽酸根和氫氧根離子的流體介質(zhì)[1]。這些輸送強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的化工管道多選擇不銹鋼材料，但即使在這種耐腐蝕性極好的管道上也常會(huì)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。有關(guān)酸溶液管道或儲(chǔ)罐泄漏而引起的化工安全環(huán)保的事故頻頻見諸媒體。2005年10月15日，青島東方化工股份有限公司發(fā)生硫酸儲(chǔ)罐破裂事故，罐內(nèi)2800多噸硫酸泄漏，造成6名職工死亡，13人受輕傷。2015年7月14日，韶關(guān)曲江烏石鎮(zhèn)一家工廠的鹽酸儲(chǔ)罐區(qū)內(nèi)發(fā)生鹽酸罐泄漏事故，兩個(gè)大型鹽酸桶內(nèi)總量約200 t濃鹽酸流出并揮發(fā)，對工廠附近居民以及周邊環(huán)境造成巨大威脅，事故初步確定與鹽酸儲(chǔ)罐老化有關(guān)。腐蝕性輸送介質(zhì)泄漏會(huì)給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成很大損失，因此，預(yù)防和控制管道泄漏事故的發(fā)生，是實(shí)現(xiàn)?；钒踩a(chǎn)的一項(xiàng)重要工作。

傳統(tǒng)的管道檢測技術(shù)包含電流法、超聲波法、漏磁法、負(fù)壓波法、射線法等[2]，如王永勝等[3]針對長距離輸送濃硫酸管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)所提出的“負(fù)壓波+輸差分析”測漏技術(shù)原理，實(shí)現(xiàn)了較大泄漏的在線監(jiān)測報(bào)警和定位，報(bào)警點(diǎn)定位誤差500 m。但這些方式容易受背景噪聲影響，誤報(bào)率高、探測距離短，不適合長距離大范圍監(jiān)測。

光纖傳感器具有無源、抗電磁干擾、靈敏度高、探測距離長等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了極大的發(fā)展，已成功應(yīng)用于輸油氣、輸水管道的泄漏檢測應(yīng)用中[4-6]。Jia等[7]開發(fā)了一種光纖光柵應(yīng)變箍傳感器，利用支持向量機(jī)SVM算法來分析管道環(huán)向應(yīng)力，對于管道的泄漏監(jiān)測表現(xiàn)出靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快、誤報(bào)率低等特性。王辰等[8]提出了一種基于高保真分布式光纖聲波傳感器的油氣管線泄漏在線監(jiān)測技術(shù)，采用小波降噪算法提升了泄漏事件的檢測靈敏度，實(shí)現(xiàn)對加壓0.05 MPa氣體泄漏的準(zhǔn)確檢測。但這些泄漏檢測系統(tǒng)只適合于泄漏量比較大或壓力管道輸送介質(zhì)的情況，無法檢測因酸溶液腐蝕產(chǎn)生的緩慢滲漏或儲(chǔ)罐開裂滲漏，且容易受到外界因素干擾，產(chǎn)生誤報(bào)。

本文基于拉曼光時(shí)域反射技術(shù)(Raman optical time domain reflection，ROTDR)[9]，開發(fā)了一種用于酸溶液管道或儲(chǔ)罐滲漏檢測的新型光纜，有效且有針對性地檢測腐蝕性酸液，不受外界干擾，誤報(bào)率低，適合工程化應(yīng)用推廣。

1 分布式光纖拉曼傳感技術(shù)簡介

目前基于散射的分布式光纖傳感技術(shù)主要是基于拉曼散射和基于布里淵散射兩種。其中基于布里淵散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本較高，且易受環(huán)境應(yīng)力的影響。因此，基于拉曼散射的分布式光纖拉曼測溫技術(shù)更受用戶的青睞，其測溫原理如圖1所示。

圖1 分布式光纖拉曼測溫原理圖Fig.1 Distributed fiber Raman temperature measurement schematic diagram

分布式光纖拉曼傳感技術(shù)是利用光時(shí)域反射原理結(jié)合拉曼散射光的溫度效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對光纖沿線的分布式溫度測量。當(dāng)具有一定能量的激光脈沖入射到光纖后，由于非彈性效應(yīng)而產(chǎn)生拉曼散射。其中，背向拉曼散射中波長大于入射光的為斯托克斯光，小于入射光的為反斯托克斯光。反斯托克斯光相比于斯托克斯光對溫度更敏感，當(dāng)光纖局部溫度升高時(shí)，反斯托克斯光強(qiáng)也隨之增加，反之則減小。為抑制光源的不穩(wěn)定性對光纖測溫精度造成影響，在實(shí)際測量過程中，通常采用光纖中反射回的反斯托克斯光信號(hào)強(qiáng)度值Ias與斯托克斯光信號(hào)強(qiáng)度值Is的比值來計(jì)算得到光纖中各個(gè)位置上的實(shí)際溫度

(1)

式(1)中：a為與溫度系數(shù)；h為普朗克常數(shù)；c為真空中的光速；ν0為入射光頻率；k為波爾茲曼常數(shù)。

值得注意的是，由于斯托克斯光在光纖中的傳播速度比反斯托克斯光快，因此光纖中相同距離上反射回的反斯托克斯光將滯后于斯托克斯光，為消除這種光纖色散引起的信號(hào)錯(cuò)位，解調(diào)過程中需要對斯托克斯光信號(hào)進(jìn)行平移處理，使其對應(yīng)的散射位置與反斯托克斯光信號(hào)的散射位置一致，從而消除錯(cuò)位誤差，如圖1所示。對后向散射光中的斯托克斯光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行色散補(bǔ)償處理可用式(2)表示

(2)

式(2)中：Is(l)為斯托克斯在光纜長度l處的光強(qiáng)值，ΔL為斯托克斯光和反斯托克斯光的菲涅爾反射峰之間的距離差，Las為反斯托克斯光的菲涅爾反射峰位置。

2 滲漏監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 自感知特種光纜

分布式光纖溫度傳感技術(shù)可實(shí)現(xiàn)長距離管道的溫度測量，特別適用于火災(zāi)定溫報(bào)警監(jiān)測、高溫液體泄漏和低溫氣體泄漏等應(yīng)用場景。但對于某些常溫介質(zhì)，如化工管道中輸送的強(qiáng)腐蝕性溶液，當(dāng)泄漏介質(zhì)溫度與周圍環(huán)境溫度相接近時(shí)，泄漏點(diǎn)處沒有產(chǎn)生明顯的溫度差，ROTDR測溫技術(shù)也很難識(shí)別泄漏的發(fā)生。測漏電纜雖然也能用于常溫化工介質(zhì)的管道泄漏檢測，但容易引起誤報(bào)，即外界雨水、地下水或者管道傳送的常溫酸溶液都會(huì)引起報(bào)警，且對于距離比較長的管道，電類的檢測方式顯然不合適，存在用電能耗、檢測點(diǎn)有限和密封失效等問題，不適合實(shí)際工程化應(yīng)用。

為解決常溫下腐蝕性酸溶液管道滲漏檢測的難題，本文設(shè)計(jì)了一種酸溶液自感知的特種光纜結(jié)構(gòu)。如圖2所示，該種光纜為芯包結(jié)構(gòu)，由外向內(nèi)依次為外護(hù)套、芳綸紗、松套管、阻水紗和纖芯。外護(hù)套的材質(zhì)采用耐堿不耐酸的材料，由尼龍PA6、氫氧化鎂、氫氧化鋁和少量色母粒組成，可以與一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽酸溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，迅速放熱，讓內(nèi)部纖芯溫度升高。其橫截面設(shè)計(jì)為多角形，可增加化學(xué)反應(yīng)的接觸面。芳綸紗作為加強(qiáng)件均勻地纏包在松套管外層，纖芯采用62.5/125的多模光纖。

圖2 酸溶液自感知特種光纜Fig.2 Acid self-sensing special cable structure

該光纜的外護(hù)套具有防紫外老化和阻燃的效果，同時(shí)與酸溶液產(chǎn)生的化學(xué)中和反應(yīng)能有效減少環(huán)境污染。護(hù)套料用電子萬能試驗(yàn)機(jī)(上海傾技儀器儀表QJ210A)測得的拉伸強(qiáng)度如圖3所示，其機(jī)械性能如表1所示。在測試溫度為235 ℃，測試負(fù)重2.16 kg的情況下，材料的熔融指數(shù)為2.1 g·(10 min)-1，測試性能可以滿足光纜的在線擠塑要求。

表1 護(hù)套料測試性能Table 1 Test performance of sheath material

圖3 護(hù)套料拉伸強(qiáng)度Fig.3 Sheath material tensile strength

2.2 傳感系統(tǒng)

如圖4所示，本文搭建了一套用于酸溶液輸送管道滲漏檢測的分布式光纖測溫系統(tǒng)裝置，主要由一體化光模塊、參考光纖環(huán)、特種光纜、采集卡和信號(hào)處理系統(tǒng)組成。其中一體化光模塊(彼格光電BG-DTS-10)內(nèi)部集成了重復(fù)頻率10 kHz的高速窄帶拉曼激光光源、波分復(fù)用器(WDM)和InGaAs-APD探測器。集成度高、尺寸小，具有長期可靠性和穩(wěn)定性；光纖環(huán)是由160 m長的多圈光纖在圓環(huán)金屬支架上按四極對稱繞法繞制的參考光纖環(huán)圈，減小了因骨架或光纖本身熱漲冷縮引起的應(yīng)力不均勻變化對光纖環(huán)的測溫影響，提高系統(tǒng)的溫度自校準(zhǔn)精度。

在發(fā)送端上，由一體化光模塊內(nèi)部產(chǎn)生1 550 nm波長、10 ns脈寬的激光脈沖信號(hào)，經(jīng)過參考光纖后連接特種光纜，特種光纜沿待測管道軸線方向敷設(shè)；在接收端上，特種光纜中傳播的激光脈沖信號(hào)會(huì)產(chǎn)生后向散射拉曼信號(hào)，傳播回一體化光模塊內(nèi)部的波分復(fù)用器中分成1 450 nm波長的反斯托克斯光信號(hào)和1 663 nm波長的斯托克斯光信號(hào)，由高速雪崩二極管(InGaAs-APD)接收后轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，然后通過放大電路將電信號(hào)放大，并由采樣率為100 MHz的采集卡(星爍華創(chuàng)USB9812)采集數(shù)據(jù)，傳輸給信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行溫度解調(diào)和分析，最后基于光時(shí)域反射技術(shù)求解出各個(gè)溫度點(diǎn)的位置，即利用入射激光脈沖回到入射端的時(shí)間和入射光在光纖中的傳播速度求解出傳輸距離。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)5 km的光纜溫度監(jiān)測，定位精度1 m，測溫精度±1 ℃。

圖4 用于酸溶液輸送管道滲漏檢測的分布式光纖測溫系統(tǒng)裝置

3 滲漏監(jiān)測模擬驗(yàn)證

如圖5所示，為驗(yàn)證自感知特種光纜的檢測效果，本文將長度為200 m的自感知特種光纜放置于待測管道正下方，管道中放入質(zhì)量比為18%的鹽酸溶液，在管道接頭部位利用小孔模擬管道滲漏，并用海綿將滲漏點(diǎn)包裹一圈，以便保持住滲漏溶液。當(dāng)管道發(fā)生滲漏時(shí)，特種光纜與滲漏點(diǎn)處流出的酸溶液接觸，外護(hù)套填充劑尼龍被酸溶液溶解，使護(hù)套內(nèi)部反應(yīng)物(氫氧化鎂、氫氧化鋁)與酸溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并釋放熱量，該區(qū)域的光纜被加熱升溫，由傳感系統(tǒng)接收后向拉曼散射光譜信號(hào)，并利用損耗補(bǔ)償后的反斯托克斯與斯托克斯光強(qiáng)比值來線性解調(diào)出滲漏點(diǎn)處的溫度值。實(shí)驗(yàn)在室溫29 ℃下進(jìn)行，采用sym4小波基作為濾波函數(shù)處理，在小波分解第4層中設(shè)置模極大閾值來濾除噪聲。

圖5 酸溶液滲漏檢測模擬試驗(yàn)裝置Fig.5 Simulation test equipment for acid solution leakage detection

鹽酸溶液導(dǎo)致光纜局部溫度變化見圖6，從圖6中可以看出，采用分布式光纖測溫系統(tǒng)可以測出光纜在酸溶液滲漏點(diǎn)處的溫升變化，自感知特種光纜在30 s內(nèi)就能和鹽酸溶液迅速反應(yīng)放熱，使局部光纜溫度升高，在1 min之后溫度達(dá)到最高點(diǎn)，上升7 ℃，在3 min后溫度開始回落。在5 min之內(nèi)，特種光纜與酸溶液的持續(xù)反應(yīng)能使光纜溫度維持升高5℃，傳感系統(tǒng)可通過設(shè)置溫度差閾值(Tth=5 ℃)和溫度變化速率(每分鐘4 ℃)的方式來判斷是否存在酸溶液滲漏事件，并給管道管理部門發(fā)送報(bào)警信息。當(dāng)管道滲漏事件發(fā)生后，可在維護(hù)管道時(shí)重新熔接一段新的特種光纜，即可繼續(xù)檢測。值得注意的是，為了減小誤報(bào)，實(shí)驗(yàn)中用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%以下的鹽酸溶液和弱堿溶液進(jìn)行測試，特種光纜均沒有升溫效果，不發(fā)生反應(yīng)，說明該特種光纜能夠保持耐弱酸的特性，能夠精確檢測出一定濃度的酸溶液管道滲漏事件，避免接觸外界弱酸性雨水或地下水后產(chǎn)生誤報(bào)。

圖6 滲漏點(diǎn)溫度變化隨時(shí)間的曲線圖Fig.6 Time curve of temperature change at the leakage point

4 結(jié) 論

提出了一種用于腐蝕性酸溶液輸送管道滲漏檢測的分布式光纖傳感裝置及酸溶液自感知特種光纜。當(dāng)酸溶液輸送管道發(fā)生滲漏時(shí)，滲漏點(diǎn)流出的腐蝕性酸溶液能與特種光纜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起光纜局部位置溫度升高，根據(jù)沿線光纜的升溫速率和溫差閾值即可判斷出是否有滲漏事件發(fā)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的自感知特種光纜能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%的腐蝕性酸溶液管道滲漏監(jiān)測，檢測精度高，誤報(bào)率低。同時(shí)，基于分布式光纖傳感技術(shù)的傳感光纜不需要通電，特別適合在長距離酸溶液輸送管道安全監(jiān)測中推廣應(yīng)用。