分布式光纖傳感系統(tǒng)及其在在在管道泄漏檢測(cè)中的應(yīng)用

1、分布式光纖傳感系統(tǒng)及其在在在管道泄漏檢測(cè)中的應(yīng)用摘要分布式光纖傳感技術(shù)由于能夠獲得被測(cè)物理場(chǎng)沿空間和時(shí)間上的連續(xù)分布信息，非常 適合用于非常適用于線形海底管道的健康監(jiān)測(cè)。介紹了基于布里淵散射的分布式光纖傳感技 術(shù)在海底管道健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況和面臨的問題，對(duì)該技術(shù)在海底管道健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞 分布式光纖傳感技術(shù)；海底管道；健康監(jiān)測(cè)；受激布里淵散射1前言海底管道作為海上油氣集輸系統(tǒng)的主要形式，在海上油氣田開發(fā)過程中發(fā)揮著重的作 用。由于工作環(huán)境條件惡劣，海底管道既要受到管外波流等環(huán)境荷載的作用，又要受到管內(nèi) 油氣腐蝕、壓力等作用以及海上墜落物撞擊、漁網(wǎng)拖拉等意外荷載的作用，

2、其失效概率高， 運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大。海底管道失效后果嚴(yán)重，不僅直接影響到海上油氣田的正常生產(chǎn)，而且管內(nèi)原 油若發(fā)生外泄還會(huì)嚴(yán)重污染海洋環(huán)境，帶來相應(yīng)的社會(huì)負(fù)面影響。為了避免因海底管道失效 所造成的重大經(jīng)濟(jì)損失和不良社會(huì)影響，必須采取有效的措施防止發(fā)生海底管道失效問題。引起海底管道失效的原因具有很大的隨機(jī)性和偶然性，很多因素至今沒有被認(rèn)識(shí)，從設(shè) 計(jì)角度來避免海底管道失效是很困難的或者是很不經(jīng)濟(jì)的;常規(guī)的檢測(cè)方法，如射線法、漏 磁法、超聲波法、滲透法等，只能用于海底管道的定時(shí)和定點(diǎn)檢測(cè)，期望用這些方法以有 限次的檢測(cè)來完全避免海底管道失效也是不現(xiàn)實(shí)的。近年來，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展和健康監(jiān) 測(cè)概念的提出，利用

3、傳感技術(shù)對(duì)海底管道進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，為解決海底管道失效問題提供了新 的途徑。利用傳感技術(shù)對(duì)海底管道進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，是指利用無損的傳感監(jiān)測(cè)方法獲得海底管 道結(jié)構(gòu)的內(nèi)部信息，分析包括海底管道結(jié)構(gòu)反應(yīng)在內(nèi)的各種特征，了解海底管道因損傷或者 退化而造成的改變。在各種傳感元件中，光纖由于具有體積小、重量輕、幾何形狀適應(yīng)性 強(qiáng)、抗電磁干擾、電絕緣性好、化學(xué)穩(wěn)定性好以及頻帶寬、靈敏度高、易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距 離遙測(cè)與控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，比其他傳感元件更適用于工作條件惡劣的海底管道監(jiān)測(cè)。利用設(shè) 置在海底管道中的監(jiān)測(cè)光纖及其光強(qiáng)、頻率、偏振態(tài)等特性隨海底管道溫度、應(yīng)變等狀 態(tài)參數(shù)變化的性質(zhì)，通過對(duì)這些特性進(jìn)行測(cè)量，就可得到海底管

4、道狀態(tài)參數(shù)，從而可以判斷 海底管道的安全性，在海底管道出現(xiàn)危險(xiǎn)前及時(shí)采取措施避免管道發(fā)生失效。在各種光纖傳 感技術(shù)中，分布式光纖傳感技術(shù)集傳感與傳輸于一體，可以獲得沿光纖分布被測(cè)量的連續(xù)信息，適合長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)，因此，非常適合于線形海底管道的監(jiān)測(cè)，在海底管道健康監(jiān)測(cè)中應(yīng)用 前景極好。分布式光纖傳感器的主要技術(shù)方法有：基于光纖拉曼散射或布里淵散射的光時(shí)域反射 (ROTDR/BOTDR)及頻域反射技術(shù)(ROFDR/BOFDR)基于光纖瑞利散射的偏振光時(shí)域反 射技術(shù)(POTDR)長(zhǎng)距離光干涉技術(shù)以及準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵復(fù)用技術(shù)等。基于布里淵 散射的分布式光纖傳感技術(shù)利用光纖中的后向布里淵散射，由于它一

5、般工作在1. 55pm或 1. 3 pm的單模光纖，布里淵散射信號(hào)受到的衰減和色散較小，使得它在溫度、應(yīng)變測(cè)量上 所達(dá)到的測(cè)量精度和測(cè)量范圍以及空間分辨率均高于其它分布式傳感技術(shù)。2布里淵散射的傳感機(jī)理布里淵散射是入射光與光纖中的熱激勵(lì)聲波或傳播的壓力波相互作用的結(jié)果，這個(gè)傳 播的壓力波等效于一個(gè)以一定速度(且具有一定頻率)移動(dòng)的密度光柵，因此布里淵散射可看 作是入射光在移動(dòng)的光柵上的散射，多普勒效應(yīng)使得散射光相對(duì)于入射光產(chǎn)生一個(gè)頻移，稱 為布里淵頻移。其計(jì)算公式為：匕=2nV /人oVb為布里淵頻移;n為光纖纖芯折射率;Va為聲波的速度;入0為入射光在真空中的波長(zhǎng)。光纖折射率和聲速都與光纖的

6、溫度及所受的應(yīng)力等因素有關(guān)，這使布里淵頻移vb隨這 些參數(shù)的變化而變化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)布里淵功率與溫度應(yīng)變之間也存在著線性關(guān)系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié) 果人們總結(jié)出了下面的方程僅：B sp BPB8V 8TV T=C s + C s8P 8TP T其中0 v是布里淵頻移變化量 PB / PB是布里淵功率相對(duì)變化量,6 及0 T分別是應(yīng)變和溫度變化量,C v及CT v分別是布里淵頻移應(yīng)變系數(shù)和頻移溫度系數(shù)CP及CTP分別是布里 淵功率應(yīng)變系數(shù)和功率溫度系數(shù)因此通過檢測(cè)布里淵信號(hào)的頻移和歸一化的信號(hào)功率變化 值就可獲得沿光纖分布的溫度及應(yīng)變信息，實(shí)現(xiàn)分布式傳感。3基于受激布里淵散射的分布式光纖溫度/應(yīng)變傳感器目前，

7、基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)從整體上分主要有3種方案:基于布里淵 光時(shí)域反射(BOTDR)的光纖傳感技術(shù)、基于布里淵光時(shí)域分析(BOTDA)的光纖傳感技術(shù)、基 于布里淵光頻域分析(BOFDA)的光纖傳感技術(shù)。BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)基于BOTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)與在光纖測(cè)量中廣泛應(yīng)用的光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)相 似。采用相干檢測(cè)技術(shù)的BOTDR傳感系統(tǒng)原理框圖如圖1所示2 。在OTDR中，從光纖的一端發(fā)射1個(gè)光脈沖，同時(shí)在發(fā)射端檢測(cè)背向瑞利散射信號(hào)，發(fā)送 脈沖與散射信號(hào)之間的時(shí)延結(jié)合光的傳播速度可以提供散射點(diǎn)的位置信息測(cè)量散射信號(hào)的 強(qiáng)度可以得到光纖的衰減情況。在BOTDR中,被

8、測(cè)信號(hào)是布里淵散射信號(hào)，由于布里淵頻移 和強(qiáng)度與光纖所受應(yīng)力和溫度有關(guān)所以通過測(cè)量布里淵散射信號(hào)的頻移和強(qiáng)度就可以得到 沿光纖軸向分布的應(yīng)變和溫度信息。圖1相干BOTDR傳感系統(tǒng)原理BOTDA分布式光纖傳感技術(shù)基于BOTDA的分布式光纖傳感技術(shù)利用受激布里淵放大效應(yīng)，其原理框圖如圖2所示3】。圖2 BOTDA傳感系統(tǒng)原理2個(gè)激光器分別置于傳感光纖的兩端，其中1個(gè)激光器在Z = 0端發(fā)射脈沖光，傳播方 向?yàn)? Z方向，另一個(gè)激光器在Z =L處向-Z方向發(fā)射連續(xù)光。BOT DA可以工作于脈沖光作為布里淵放大的泵浦和連續(xù)光作為布里淵放大的泵浦兩種方式對(duì)于第1種情況，脈沖光 在單模光纖中產(chǎn)生后向布里淵

9、增益。布里淵增益譜的中心頻率為斯托克斯頻率V - VB , V為 脈沖光頻率。當(dāng)連續(xù)光頻率等于斯托克斯光頻率時(shí)，連續(xù)光通過與脈沖光的受激布里淵作用 而得到放大。被放大了的連續(xù)光通過分束器并由光濾波器取出，再經(jīng)光電檢測(cè)器檢測(cè)得到沿 光纖各點(diǎn)的布里淵頻譜分布，從而得到待測(cè)量的信息。對(duì)于第2種情況，連續(xù)光頻率高于脈沖光頻率，連續(xù)光的能量向脈沖光轉(zhuǎn)移。由于這種 方式不會(huì)出現(xiàn)因泵浦能量不斷轉(zhuǎn)移而出現(xiàn)的泵浦耗盡現(xiàn)象，所以傳感距離比第一種方式大 大增加。(3) BOFDA分布式光纖傳感技術(shù)基于BOFDA的分布式光纖傳感技術(shù)最初是由德國(guó)的DieterGarus等人于1996年提出 的。不同于OTDR定位方法，

10、BOFDA是基于測(cè)量光纖的傳輸函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量點(diǎn)定位的一種 傳感方法。這個(gè)傳輸函數(shù)把探測(cè)光和經(jīng)過光纖傳輸?shù)谋闷止獾膹?fù)振幅與光纖的幾何長(zhǎng)度相互 關(guān)聯(lián)起來，通過計(jì)算光纖的沖擊響應(yīng)函數(shù)確定沿光纖的應(yīng)變和溫度信息。BOFDA傳感系統(tǒng)原 理如圖3所示4。圖3 BOFDA傳感系統(tǒng)原理一束窄線寬連續(xù)泵浦激光從一端入射進(jìn)單模光纖，另一束窄線寬連續(xù)探測(cè)激光從光纖 的另一端入射。探測(cè)光的頻率被調(diào)節(jié)到比泵浦光頻率低，且二頻率差近似等于光纖的布里淵 頻移。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)單模通信光纖，當(dāng)光波長(zhǎng)為1.3Mm時(shí)，光纖的布里淵頻移為13 GHz左右。 探測(cè)光由一個(gè)頻率f m可變的正弦信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制,對(duì)每一個(gè)確定的信號(hào)頻率值，由光電

11、 探測(cè)器分別檢測(cè)探測(cè)光和泵浦光的光強(qiáng)，光電探測(cè)器的輸出信號(hào)輸入到網(wǎng)絡(luò)分析儀，由網(wǎng)絡(luò) 分析儀計(jì)算出光纖的基帶傳輸函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出信號(hào)經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行快速傅立葉反 變換，其輸出信號(hào)h(t)中即包含了沿光纖軸向的溫度與應(yīng)變分布信息。4分布式光纖傳感技術(shù)在海底管道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用及其面臨的問題海底管道是海洋石油工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。因?yàn)楹５坠艿赖木€性結(jié)構(gòu)非常適于用分 布式光纖傳感技術(shù)，采用該技術(shù)較其他海洋工程結(jié)構(gòu)物有更大的技術(shù)支持優(yōu)勢(shì)，所以在現(xiàn)階 段海底管道式應(yīng)用分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)最多的海洋工程結(jié)構(gòu)物。雖然近年來對(duì)分布式光纖傳感技術(shù)在海底管道健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究取得很大進(jìn)展，但 是真正

12、用于實(shí)際工程中的分布式光纖傳感系統(tǒng)很少，這主要是由于目前人存在的一些技術(shù)問 題制約了該技術(shù)實(shí)際應(yīng)用到海底管道健康監(jiān)測(cè)中。其中主要的技術(shù)問題如下：1）光纖傳感系統(tǒng)保護(hù)和埋設(shè)問題。光纖傳感的保護(hù)和埋設(shè)是利用分布式光纖傳感技術(shù) 對(duì)海底管道進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)的一個(gè)關(guān)鍵問題，光纖埋設(shè)成功與否關(guān)涉到光纖傳感系統(tǒng)在使用期 間是否得到有效保護(hù)，其結(jié)果直接影響結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)效果。解決光纖傳感系統(tǒng)保護(hù)和埋設(shè)問題不 僅要考慮如何保證光纖和光纖傳感器不受損壞，還要考慮光纖保護(hù)岑不影響被監(jiān)測(cè)量在結(jié)構(gòu) 域光纖之間變化一致性以及埋沒難易，不影響海底管道正常施工問題。2）惡劣海洋環(huán)境下光纖傳感系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠性問題。對(duì)光纖和光纖傳感器可靠性

13、問題已 有很多研究，這些研究10多是針對(duì)陸上環(huán)境的，而對(duì)惡劣的海洋環(huán)境條件下光纖和光纖傳 感器在海底管道長(zhǎng)期使用期間的可靠性研究進(jìn)行的非常少。光纖及光纖傳感器的長(zhǎng)期可靠 性，包括制成光纖及光纖傳感器的材料在海洋環(huán)境荷載長(zhǎng)期作用下的可靠性問題，這與它們 所受的保護(hù)是否有效密切相關(guān)。3）監(jiān)測(cè)信號(hào)處理算法問題。利用分布式光纖傳感系統(tǒng)對(duì)海底管道運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān) 測(cè)，其信號(hào)采集量非常大。采集到的信號(hào)能否得到及時(shí)處理非常關(guān)鍵，這取決于信號(hào)吹算法 速度和計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度。而目前常規(guī)的信號(hào)處理算法四度和計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度。而目前常規(guī)的 信號(hào)處理算法速度并不快，在很多情況下現(xiàn)在的普通的計(jì)算機(jī)包括服務(wù)器都無法達(dá)到對(duì)采

14、集 信號(hào)進(jìn)行及時(shí)處理所應(yīng)達(dá)到的運(yùn)行速度，因此需要尋找快速的信號(hào)哦處理算法，確保采集信 號(hào)能夠及時(shí)處理。5結(jié)論與展望對(duì)海底管道進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)室在目前無法對(duì)引起海底管道失效的各種因素進(jìn)行有效控制 的情況下，通過對(duì)海底管道運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)來間接實(shí)現(xiàn)海底管道安全運(yùn)行的有效方法。分 布式光纖傳感技術(shù)由于可以獲得被測(cè)量咋空間和時(shí)間上的連續(xù)分布信息，在海底管道健康監(jiān) 測(cè)中較其他光纖傳感技術(shù)具有更大的優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于研究海底管道健康監(jiān)測(cè)的問題中；但 受現(xiàn)階段許多技術(shù)問題的制約，分布式光纖傳感技術(shù)在海底管道健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用還處于研 究和試驗(yàn)階段。可以預(yù)期，隨著分布式光纖傳感技術(shù)和海洋工程技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這些制

15、約性的技術(shù)問題將被逐步解決，分布式光纖傳感技術(shù)會(huì)被越來越多的用于海底管道健康監(jiān)測(cè) 中，為海洋油氣田的安全開發(fā)提供可靠的保證。參考文獻(xiàn)1 Luc Thevenaz. Fiber distributed sensing for a more secure societyA . Proceeding of the Symposium on Photonics Technologies for 7 th Framework ProgramC . 2006.T R Parker , M Farhadiroushan , V A Handerek , et al . The simultaneous me

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