分布式光纖傳感器對油氣管道的檢測

1、分布式光纖傳感器對油氣管道的檢測儀器儀表工程樊陽陽2013704008摘要目前，我國國民經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展對能源特別是油氣資源的需求越來越迫切。管道由于自身具備的諸多優(yōu)勢，已成為主要的油氣資源運輸手段。但由于種種自然或人為原因，管道泄漏事故時有發(fā)生，有時會伴隨著巨大的生命財產(chǎn)損失和環(huán)境污染。目前，常用的油氣管道安全監(jiān)測裝置主要通過管道輸送壓力、流量以及溫度等參數(shù)的變化來判斷泄漏是否發(fā)生。該類方法容易受輸送介質(zhì)特性、工藝等因素影響，且報警都在發(fā)生泄漏之后。本文首先介紹了一些油氣管道安全監(jiān)測的方法，通過對比選出了一種比較合理的解決方案，最后選出了一種分布式光纖傳感器來檢測管道，并分析了傳感光纖結(jié)構(gòu)

2、對靈敏度的影響，最后設計出檢測管道泄漏的分布式光纖傳感器。1 關鍵字：油氣管道；檢測方法；分布式光纖傳感器.前言油氣長輸管道具有管道直徑大、運輸距離長、輸送壓力高和運量大等特點。其起點一般建在油氣田，終點為煉廠、石油化工廠或油庫等部門。隨著油氣管道的增多，管道服役時間的增長，由于管道腐蝕、自然災害和人為損壞等因素使得管道安全問題變得日益嚴重。長距離油氣管道沿途多為荒漠、沼澤、戈壁或河流等野外無人留守的地方，易受到外界人為破壞和突發(fā)性自然災害（如地震、泥石流等）的破壞。上述原因容易造成管道破裂而導致的油氣泄漏事故的發(fā)生。泄漏事故一旦發(fā)生，不僅給管道運輸造成嚴重后果，同時會帶來巨大的經(jīng)濟和環(huán)境損失

3、。除此之外，由于油氣管道運輸?shù)奈镔|(zhì)多為有毒害、易燃和易爆品，泄漏事故的發(fā)生還將會給人們的牛命財產(chǎn)安全造成巨大的威脅。因此，對威脅管道安全的事故進行預警和定位具有重要的現(xiàn)實意義。并且，導師的基金項目是對煤氣管道泄漏檢測機器人的研究，研究這種機器人的目的就是要機器人攜帶檢測裝置對煤氣管道進行檢測。所以，對管道的泄漏檢測的研究就是我們所要做的前期工作，各種方式的檢測都需要有一定程度的了解，所以，選了這個題目。2 .油氣管道安全監(jiān)測方法在眾多的油氣管道安全監(jiān)測技術(shù)中，從監(jiān)測管道泄漏的角度可將各種檢測方法分為直接檢漏法和間接檢漏法。直接檢漏法是利用安裝在管道外邊的檢測器，直接檢測泄漏到管道外的輸送液體或

4、其揮發(fā)的氣體，從而達到檢漏目的，例如：煤氣檢漏法、油膜檢漏法和電纜檢漏法等：間接檢漏法則指檢測由于泄漏對油氣管道的各種運行參數(shù)造成的影響，如流體壓力、流量的變化來判斷是否發(fā)生泄漏。包括流量平衡法、負壓波法、壓力梯度法、密封加壓法、實時模型法等。評價對一種管道安全監(jiān)測方法優(yōu)劣，應主要從以下幾方面加以考慮：(1)靈敏性：監(jiān)測系統(tǒng)能檢測出管道泄漏的最小的泄漏量；(2)定位精度：系統(tǒng)對發(fā)生泄漏地點位置的定位誤差大?。?3)檢測時間：從泄漏開始到系統(tǒng)檢測出泄漏總共所需要的時間；(4)有效性：是否能連續(xù)監(jiān)測整條管道；(5)準確性：能夠準確地檢測出泄漏，誤報率較低；(6)適應能力：是指監(jiān)測方法是否能對良好地

5、工作于不同的管道環(huán)境、輸送介質(zhì)，即該監(jiān)測方法是否具有通用性。(7)可維護性：是指系統(tǒng)運行或發(fā)生故障時，用戶是否易于維護。(8)性價比：是指系統(tǒng)建設、運行及維護的花費與系統(tǒng)所能提供性能的比值。目前國內(nèi)外常用的管道泄漏檢測方法有：負壓波法：當管道發(fā)生泄漏時，在泄漏處壓力瞬時下降，形成一個低于管道內(nèi)部壓力的低密度縱波，此縱波我們稱之為負壓波。該負壓波以一定的速度自泄漏點向管道兩端傳播。利用管道首末端的壓力傳感器檢測到得負壓波信號的時間差和傳播速度來實現(xiàn)對泄漏點的定位。負壓波法要求有突然的壓降，其主要適用于管道發(fā)生突變泄漏或者大泄漏，對于人工打孔或者緩慢開閥是無效的。壓力點分析法：管道運行正常時，其壓

6、力及各項參數(shù)保持穩(wěn)定狀態(tài)；發(fā)生泄漏后，這一穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，并向新的穩(wěn)態(tài)過度。這一過程會導致管道中的壓強發(fā)生變化，并將變化的信號傳播至沿線各點。用統(tǒng)計方法來分析壓力傳感器檢測到的信號值，根據(jù)信號值畫出變化的壓力曲線，與管道正常狀態(tài)的曲線做比較來判別泄漏。其缺點在于需要在管道上安裝多個傳感器。流量平衡法：根據(jù)管道進出口的流量是否平衡來檢測管道是否發(fā)生泄漏，但是無法確定泄漏點的位置。由于管道首末站一般均裝有流量計，無需增加設備投資。但是由于流體的流量與其性質(zhì)及溫度、壓力狀態(tài)有關，油氣集輸管道輸送量相對泄漏流量差別較大，所以容易造成誤檢，其一般與其它方法配合使用特別是氣體具有較大的可壓縮性，利用流量平

7、衡法檢測天然氣管道泄漏更加困難。分布式光纖檢測法：主要基于光纖干涉儀的原理。與管道平行鋪設的一條分布式微振動傳感器，實時獲取管道沿線振動信號。發(fā)生泄漏引起的振動時，就可以判斷。光纖檢測法靈敏度高，但鋪設成本較高，且不易維修。漏磁通檢測法：該方法是由磁粉檢測技術(shù)發(fā)展起來的、利用磁現(xiàn)象來檢測管道表面及近表面缺陷的一種無損檢測方法。管道缺陷的漏磁檢測法的檢測精度略低，但該方法具有結(jié)構(gòu)簡單、信號處理方便等優(yōu)點，易于實現(xiàn)管道缺陷的內(nèi)部檢測。由于緩變的缺陷不能引起產(chǎn)生足夠大的漏磁信號，因而該方法無法檢測非常平緩的管壁缺陷。另外，該技術(shù)對不同管徑的管道要求使用不同型號的檢測器，因而檢測費用較高，而且不能對管

8、道進行實時檢測。超聲波檢測法：該方法中超聲波檢測器垂直于管道壁，并發(fā)出一組超聲波脈沖，檢測器探頭首先接收到由管道壁內(nèi)表面反射的回波，隨后再接收到由管道壁缺陷或管道壁外表面反射的回波。探頭至管道壁內(nèi)表面的距離與管道壁厚度，可通過前波時問，以及兩次回波的時間差來確定。根據(jù)測得的管壁厚度，可檢測出管壁的腐蝕和穿孔。此外還必須根據(jù)探頭至管道壁內(nèi)表面的距離曲線，來判別缺陷是管道內(nèi)壁缺陷還是外壁缺陷。該方法適用于管壁較厚管道的在役檢測，檢測精度較高。但該方法對輸送的介質(zhì)非常敏感，不適用于天然氣管道的缺陷檢測。3 .分布式光纖檢測及預警機理光纖傳感器從傳感機理上來說，可分為振幅型（也稱強度型）和相位型（也稱

9、干涉儀型）兩種。相位型光纖傳感器的原理是在一段單模光纖中傳輸?shù)南喔晒?，由于待測物理場的作用，產(chǎn)生相位調(diào)制。從理論上講，相位型傳感器的靈敏度要比現(xiàn)有的傳感器高出幾個數(shù)量級，并可通過改變光纖上的涂層來改變其傳感的物理量。馬赫.澤彳惠（Mach.Zehnder）光纖干涉儀就是相位型光纖傳感器中的一種，與其它相關傳感器相比，其具有靈敏度很高、體積小、能耗少、重量輕、不受電磁影響、耐腐蝕、和易于實現(xiàn)等特點。1、分布式光纖傳感技術(shù)的特點分布式光纖傳感技術(shù)具有同時獲取在傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時間和空間變化的被測量分布信息的能力，其基本特征為：分布式光纖傳感系統(tǒng)中的傳感元件僅為光纖；一次測量就可以獲取整個光纖區(qū)域內(nèi)

10、被測量的一維分布圖，將光纖架設成光柵狀，就可測定被測量的二維和三維分布情況；系統(tǒng)的空間分辨力一般在米的量級，因而對被測量在更窄范圍的變化一般只能觀測其平均值；系統(tǒng)的測量精度與空間分辨力一般存在相互制約關系;檢測信號一般較微弱，因而要求信號處理系統(tǒng)具有較高的信噪比；由于在檢測過程中需進行大量的信號加法平均、頻率的掃描、相位的跟蹤等處理，因而實現(xiàn)一次完整的測量需較長的時間。2 .分布式光纖振動傳感器相位調(diào)制機理利用外界因素引起的光纖中光波相位變化來探測各種物理量的傳感器，稱為相位調(diào)制傳感型光纖傳感器。相位調(diào)制光纖傳感器主要通過被測能量場的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再利用干涉測量技術(shù)把相

11、位變化轉(zhuǎn)換為光強變化，從而檢測出待測的物理量。光纖中光波的相位由光纖波導的物理長度、折射率及其分布、波導橫向幾何尺寸所決定。一般在實際應用中，應力、應變和溫度等外界物理量均能導致光波產(chǎn)生相位變化，實現(xiàn)光纖的相位調(diào)制。由于目前所用的各類光探測器都無法直接測量光波的相位變化，而只能探測光的強度變化，因而需要通過干涉技術(shù)將光波的相位變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴娮兓瑢崿F(xiàn)對外界物理量的檢測。J管道）泄_）.高云松骨r一1I彘總長L分布式光纖振動傳感器檢測原理該振動傳感器檢測原理是將條三芯以上的光纜與管道同溝平行鋪設，同時在管道上方且距地面1米左右。光纜中的三條光纖中，兩條光纖用于傳感，另一條將傳輸光信號，三條光纖構(gòu)

12、成的一對MachZehnder光纖干涉儀，該傳感器可實時檢測管道沿線的振動信號。光源發(fā)出的光波在進入分布式光纖振動傳感器前被分為強度為1:1的兩束光，這樣在系統(tǒng)的兩條傳感光纖中同時有兩個方向（圖中的方向1和方向2）的光波在光纖中傳播。當管道沿線存在振動源時，光纜中的光纖受到應力作用，將導致光纖長度、直徑和折射率發(fā)生變化，從而對光纖中傳播的光波產(chǎn)生相位調(diào)制作用。此時沿方向l在光纖內(nèi)傳播的兩束光受到相位調(diào)制作用后，向分布式光纖振動傳感器的首端傳播，在首端處發(fā)生干涉，隨后進入光電探測器1;與此同時，沿方向2在光纖內(nèi)傳播的兩束光也受到同樣的相位調(diào)制作用后，向分布式光纖振動傳感器末端傳播，在末端處發(fā)生干

13、涉，通過第三條光纖傳播到首端，并隨后進入光電探測器2。兩個光電探測器將兩束干涉光轉(zhuǎn)化為電信號，電信號通過A/D轉(zhuǎn)換進入計算機進行相關信號處理、特征提取、識別和定位工作。3 .分布式光纖振動傳感器設計分布式光纖振動傳感器主要包括光纖、光源、光源驅(qū)動及保護電路、光電探測模塊等四部分組成。將一根不少于三芯單模光纖的光纜與管道平行同溝鋪設，將光源輸出端和光電探測器的輸入端，通過單模光纖作為引導光纖與傳感器首端耦合器進行連接。光源采用半導體激光二極管，其輸出光波中心波長為155011m光源驅(qū)動電路中，通過功率控制電路控制激光二極管輸出電流，從而保持光源輸出功率恒定。光源保護電路主要實現(xiàn)光源慢啟動、光源過

14、流保護和反向沖擊電流保護，防止光源損壞，保護光源使其能長期穩(wěn)定工作。光電探測模塊主要由兩個高靈敏度的光電二極管構(gòu)成，將兩路光信號轉(zhuǎn)換為電流信號。4 .傳感光纖結(jié)構(gòu)對靈敏度的影響光纖的基本結(jié)構(gòu)是兩層圓柱狀媒質(zhì)，如圖2-6所示。內(nèi)層為纖芯（單模光纖的纖芯直徑一般小于9um）;外層為包層（其直徑約125um）;最外層即包層的外面還有一層保護層，其用途是保護光纖免受環(huán)境污染和機械損傷。光纖基本結(jié)構(gòu)實際應用中，光纖多數(shù)為多層結(jié)構(gòu)。通常除了纖芯和包層外，還包括襯底（減少涂覆帶來的損耗）、一次涂覆層（軟性材料，用來減少光纖的微彎損耗）、二次涂覆層（較硬材料，用來保證光纖強度）。上述多層結(jié)構(gòu)要在對分布式光纖振

15、動傳感器的靈敏度分析中考慮進去。在分布式光纖振動傳感器中應力與應變之間的關系可表示為：二；（2，）ii;；仃g二|九i（?+2川）九i密a；|欠九i（九i+2Ni）產(chǎn)；式中，i為光纖的層數(shù)（0為纖芯，1,2,3指光纖的包層層數(shù)）；出、4、"和是極坐標下光纖中第i層的應力和應變的分量；，和”是雷姆方程系數(shù)，二者與材料的楊氏模量Ei和泊松比vi有以下關系:一(1vi)(1-vi)LiEi一2(1vi)光纖的長度改變而引起的相位變化占：對光纖傳感器靈敏度影響最大。通常單模光纖的一次涂覆層較軟（彈性模量低）；二次涂覆層較硬（彈性模量高）o一次涂覆層有利于光纖緩沖外界應力，防止微彎產(chǎn)生；二次涂覆層有利于光纖耐磨損，提高強度。一次涂覆層對于分布式光纖振動傳感器的靈敏度影響不大。因此，需要通過選擇適當?shù)亩瓮扛矊硬牧蟻硖岣叻植际焦饫w振動傳感器對對外界振動信號的靈敏度。4.結(jié)論隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展，油氣資源的管道運輸作為一種安全、經(jīng)濟的運輸方式得到了全社會各方面的重視和更為廣泛的應用。與之伴隨而生的是