基于BOTDA的分布式輸油管線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

賈振安+張童+劉穎剛+尉婷+徐成

摘 要 為了進(jìn)一步提高輸油管線的監(jiān)測(cè)技術(shù)，滿足小規(guī)模、高精度的泄露監(jiān)測(cè)要求，文章基于布里淵光時(shí)域分析（BOTDA）原理，構(gòu)建了局部應(yīng)變的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用以原油敏感材料為基底的應(yīng)變傳感光纜進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確的定位小規(guī)模漏油，其中一號(hào)傳感光纜在9 min內(nèi)準(zhǔn)確定位，在1.70 km長(zhǎng)的光纖上的空間分辨率為1 m、定位誤差為0.1 m。

關(guān)鍵詞 分布式；布里淵光時(shí)域分析；應(yīng)變傳感；輸油管線

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）03-0040-02

隨著石油資源的不斷開發(fā)，管道運(yùn)輸已逐漸成為較為主要的運(yùn)輸方式，用以運(yùn)輸原油、天然氣和其他液氣產(chǎn)品。但由于管道自身老化、酸堿土壤或液體的腐蝕、人為損壞等因素，管道泄漏難以避免。不僅威脅到人們的安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)污染人們的生存環(huán)境，帶來(lái)不必要的資源浪費(fèi)。因此，輸油管線進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)、漏點(diǎn)定位技術(shù)具有重要的研究?jī)r(jià)值。

目前，應(yīng)用于輸油管線泄漏監(jiān)測(cè)的幾種傳統(tǒng)方法主要有：流量平衡法、壓力差法、應(yīng)力波法、管內(nèi)探測(cè)器法、負(fù)壓波法等。這些方法應(yīng)用較成熟，但存在靈敏度低、成本高、定位精度低、無(wú)法定位小規(guī)模漏油等缺點(diǎn)。所以，研究能夠克服以上缺點(diǎn)的管道監(jiān)測(cè)技術(shù)非常必要。光纖傳感器由于自身的諸多優(yōu)點(diǎn)已逐漸被應(yīng)用于管線健康檢測(cè)。本文將BOTDA技術(shù)應(yīng)用于輸油管線監(jiān)測(cè)，并設(shè)計(jì)了不同規(guī)格的應(yīng)變傳感光纜，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可快速、精確地檢測(cè)并定位小規(guī)模漏油。

1 基本原理

1.1 BOTDA技術(shù)

將一束泵浦光和一束探測(cè)光分別從傳感光纖的兩端入射進(jìn)光纖，當(dāng)泵浦光與探測(cè)光的頻差與光纖中某區(qū)域的布里淵頻移相等時(shí)，在該區(qū)域內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)。因此，檢測(cè)從光纖一端耦合出來(lái)的連續(xù)光功率就可以確定光纖各小區(qū)間上能量轉(zhuǎn)移達(dá)到最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率差。

圖1 BOTDA原理圖

假設(shè)溫度恒定不變時(shí)（即=20℃），布里淵頻移隨應(yīng)變的變化關(guān)系為：

（1）

式中：為布里淵頻移的應(yīng)變系數(shù)，取0。

1.2 傳感光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為傳感光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，主要由敏感材料（遇原油膨脹）、0.9 mm的單模光纖、銅絲三部分構(gòu)成。如圖所示，將敏感材料做成矩形波齒形狀，用銅絲以周期A與光纖固定，制成傳感光纜。當(dāng)制作好的傳感光纜遇到油時(shí)，由于銅絲的固定作用（銅絲較穩(wěn)定），當(dāng)敏感材料發(fā)生膨脹時(shí)，會(huì)壓迫光纖發(fā)生形變，從而引起光纖應(yīng)變變化，布里淵頻移即產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而可以定位發(fā)生漏油的地點(diǎn)。

圖2 傳感光纜

矩形波型敏感材料的加工結(jié)構(gòu)不是隨意的，其幾何結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間有直接影響，想要獲得較高的靈敏度，就必須計(jì)算出合適的矩形波波長(zhǎng)。對(duì)于階躍型光纖，微彎結(jié)構(gòu)機(jī)械周期A有：

（2）

式中：是纖芯半徑；

是纖芯的折射率；

是數(shù)值孔徑。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所用光纖參數(shù)計(jì)算得出：

A約為25 mm。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由DiTeSt STA-R系列BOTDA系統(tǒng)、0.9 mm的單模光纖、遇油膨脹的敏感材料組成。實(shí)驗(yàn)采用BOTDA系統(tǒng)在10 ns脈沖寬度下可實(shí)現(xiàn)1 m的空間分辨率。敏感材料是連接原油和光纖形變的重要媒介，直接影響系統(tǒng)的檢測(cè)效果，故其必須有以下特征：

1）遇原油能在較短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的形變。

2）成本低。

3）抗干擾性強(qiáng)，對(duì)外界因素不敏感，如：溫度、水、酸堿液體等。

4）容易加工。

因此選取氫化丁腈橡膠（HNBR）作為制作光纜的敏感材料。

2.2 數(shù)據(jù)分析

將橡膠條制作成三組（六塊）規(guī)格（長(zhǎng)寬高）分別是：1200 mm-20 mm-10 mm、1200 mm-20 mm-20 mm、1200 mm-20 mm-40 mm。然后將三組橡膠條分別封裝在光纖250.40 m到251.60 m、253.10 m到254.30 m、255.80 m到257.00 m處，并分別記作一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)，制成傳感光纜。分別在三組傳感光纜的初始狀態(tài)和油浸3 min、6 min、9 min、12 min時(shí)測(cè)其布里淵頻移量的變化情況。

由圖4可以看出，光纜在初始狀態(tài)下的布里淵頻移曲線并非一條直線，最大頻移差為0.01726 GHz，這是由于光纖內(nèi)部應(yīng)力、光纜制備等因素造成的。一號(hào)光纜在油浸3 min時(shí)布里淵頻移量小于最大頻移差，所以不能有效檢測(cè)漏油。油浸6 min時(shí)，一號(hào)光纜的布里淵頻移量已大于最大頻移差，但是較為接近，容易造成誤判。當(dāng)油浸9 min時(shí)，布里淵頻移量趨于最大值，遠(yuǎn)高于最大頻移差。12 min時(shí)的布里淵頻移量較9 min時(shí)基本無(wú)變化。二號(hào)光纜在油浸3 min時(shí)布里淵頻移量變化很小，6 min時(shí)布里淵頻移量仍小于最大頻移差，9 min時(shí)頻移迅速增大，12 min時(shí)達(dá)到最大值，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大頻移差。三號(hào)光纜油浸3 min后布里淵頻移量基本無(wú)變化，6 min時(shí)布里淵頻移量較明顯，9 min時(shí)布里淵頻移量變化較大，12 min時(shí)布里淵頻移量已足以有效檢測(cè)漏油。

三組傳感光纜的布里淵頻移量的最大差值分別為0.04489 GHz、0.05739 GHz、0.08665 GHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未浸油時(shí)的最大頻移差，故可以實(shí)現(xiàn)分布式的漏油檢測(cè)。在此次實(shí)驗(yàn)條件下，BOTDA的定位誤差為0.1 m，應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)中，由于長(zhǎng)距離會(huì)使損耗加劇，但造成的誤差不會(huì)影響定位。每一次漏油事件就需要更換敏感材料，所以制作光纜時(shí)不要做成和光纖長(zhǎng)度一樣，而是分成小段，這樣在檢測(cè)后方便更換，同時(shí)也比較節(jié)約。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了基于BOTDA的分布式輸油管線監(jiān)測(cè)技術(shù)，并利用傳感光纜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。主要可用于長(zhǎng)距離輸油管線的在線檢漏，也可用于其他輸油、儲(chǔ)油等設(shè)備。結(jié)果表明：該技術(shù)能夠快速、有效地在線監(jiān)測(cè)并定位小規(guī)模漏油。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，定位所需時(shí)間受敏感材料制作規(guī)格的影響。規(guī)格為1200 mm-20 mm-10 mm敏感材料封裝制備而成的光纜能在9分鐘內(nèi)準(zhǔn)確定位，而1200 mm-20 mm-20 mm、1200 mm-20 mm-40 mm兩組雖然布里淵頻移量較大，但其響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，在12 min內(nèi)才能有效檢測(cè)，實(shí)際使用中可根據(jù)使用環(huán)境和要求來(lái)制備較為合適的光纜。該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)分布式高精度小規(guī)模的漏油檢測(cè)，且便于維護(hù)，通過(guò)不斷提升BOTDA的性能，提高敏感材料的靈敏度以及加工規(guī)格可進(jìn)一步提高該傳感器的測(cè)試性能。

參考文獻(xiàn)

[1]周琰，靳世久，曾周末.分布式光纖管道安全檢測(cè)定位技術(shù)研究[J].光電子激光，2008.

[2]聶俊，李端有，梁俊，等.基于BOTDA的溫度和應(yīng)變測(cè)試探討[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2011.

[3]莊須葉，王浚璞，鄧勇剛.光纖傳感技術(shù)在管道泄露檢測(cè)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].光學(xué)技術(shù)，2011.

[4]黃軍芬，黃民雙，馮音琦，等.基于BOTDA技術(shù)的分布式光纖溫度傳感技術(shù)試驗(yàn)系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011.endprint

摘 要 為了進(jìn)一步提高輸油管線的監(jiān)測(cè)技術(shù)，滿足小規(guī)模、高精度的泄露監(jiān)測(cè)要求，文章基于布里淵光時(shí)域分析（BOTDA）原理，構(gòu)建了局部應(yīng)變的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用以原油敏感材料為基底的應(yīng)變傳感光纜進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確的定位小規(guī)模漏油，其中一號(hào)傳感光纜在9 min內(nèi)準(zhǔn)確定位，在1.70 km長(zhǎng)的光纖上的空間分辨率為1 m、定位誤差為0.1 m。

關(guān)鍵詞 分布式；布里淵光時(shí)域分析；應(yīng)變傳感；輸油管線

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）03-0040-02

隨著石油資源的不斷開發(fā)，管道運(yùn)輸已逐漸成為較為主要的運(yùn)輸方式，用以運(yùn)輸原油、天然氣和其他液氣產(chǎn)品。但由于管道自身老化、酸堿土壤或液體的腐蝕、人為損壞等因素，管道泄漏難以避免。不僅威脅到人們的安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)污染人們的生存環(huán)境，帶來(lái)不必要的資源浪費(fèi)。因此，輸油管線進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)、漏點(diǎn)定位技術(shù)具有重要的研究?jī)r(jià)值。

目前，應(yīng)用于輸油管線泄漏監(jiān)測(cè)的幾種傳統(tǒng)方法主要有：流量平衡法、壓力差法、應(yīng)力波法、管內(nèi)探測(cè)器法、負(fù)壓波法等。這些方法應(yīng)用較成熟，但存在靈敏度低、成本高、定位精度低、無(wú)法定位小規(guī)模漏油等缺點(diǎn)。所以，研究能夠克服以上缺點(diǎn)的管道監(jiān)測(cè)技術(shù)非常必要。光纖傳感器由于自身的諸多優(yōu)點(diǎn)已逐漸被應(yīng)用于管線健康檢測(cè)。本文將BOTDA技術(shù)應(yīng)用于輸油管線監(jiān)測(cè)，并設(shè)計(jì)了不同規(guī)格的應(yīng)變傳感光纜，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可快速、精確地檢測(cè)并定位小規(guī)模漏油。

1 基本原理

1.1 BOTDA技術(shù)

將一束泵浦光和一束探測(cè)光分別從傳感光纖的兩端入射進(jìn)光纖，當(dāng)泵浦光與探測(cè)光的頻差與光纖中某區(qū)域的布里淵頻移相等時(shí)，在該區(qū)域內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)。因此，檢測(cè)從光纖一端耦合出來(lái)的連續(xù)光功率就可以確定光纖各小區(qū)間上能量轉(zhuǎn)移達(dá)到最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率差。

圖1 BOTDA原理圖

假設(shè)溫度恒定不變時(shí)（即=20℃），布里淵頻移隨應(yīng)變的變化關(guān)系為：

（1）

式中：為布里淵頻移的應(yīng)變系數(shù)，取0。

1.2 傳感光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為傳感光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，主要由敏感材料（遇原油膨脹）、0.9 mm的單模光纖、銅絲三部分構(gòu)成。如圖所示，將敏感材料做成矩形波齒形狀，用銅絲以周期A與光纖固定，制成傳感光纜。當(dāng)制作好的傳感光纜遇到油時(shí)，由于銅絲的固定作用（銅絲較穩(wěn)定），當(dāng)敏感材料發(fā)生膨脹時(shí)，會(huì)壓迫光纖發(fā)生形變，從而引起光纖應(yīng)變變化，布里淵頻移即產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而可以定位發(fā)生漏油的地點(diǎn)。

圖2 傳感光纜

矩形波型敏感材料的加工結(jié)構(gòu)不是隨意的，其幾何結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間有直接影響，想要獲得較高的靈敏度，就必須計(jì)算出合適的矩形波波長(zhǎng)。對(duì)于階躍型光纖，微彎結(jié)構(gòu)機(jī)械周期A有：

（2）

式中：是纖芯半徑；

是纖芯的折射率；

是數(shù)值孔徑。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所用光纖參數(shù)計(jì)算得出：

A約為25 mm。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由DiTeSt STA-R系列BOTDA系統(tǒng)、0.9 mm的單模光纖、遇油膨脹的敏感材料組成。實(shí)驗(yàn)采用BOTDA系統(tǒng)在10 ns脈沖寬度下可實(shí)現(xiàn)1 m的空間分辨率。敏感材料是連接原油和光纖形變的重要媒介，直接影響系統(tǒng)的檢測(cè)效果，故其必須有以下特征：

1）遇原油能在較短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的形變。

2）成本低。

3）抗干擾性強(qiáng)，對(duì)外界因素不敏感，如：溫度、水、酸堿液體等。

4）容易加工。

因此選取氫化丁腈橡膠（HNBR）作為制作光纜的敏感材料。

2.2 數(shù)據(jù)分析

將橡膠條制作成三組（六塊）規(guī)格（長(zhǎng)寬高）分別是：1200 mm-20 mm-10 mm、1200 mm-20 mm-20 mm、1200 mm-20 mm-40 mm。然后將三組橡膠條分別封裝在光纖250.40 m到251.60 m、253.10 m到254.30 m、255.80 m到257.00 m處，并分別記作一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)，制成傳感光纜。分別在三組傳感光纜的初始狀態(tài)和油浸3 min、6 min、9 min、12 min時(shí)測(cè)其布里淵頻移量的變化情況。

由圖4可以看出，光纜在初始狀態(tài)下的布里淵頻移曲線并非一條直線，最大頻移差為0.01726 GHz，這是由于光纖內(nèi)部應(yīng)力、光纜制備等因素造成的。一號(hào)光纜在油浸3 min時(shí)布里淵頻移量小于最大頻移差，所以不能有效檢測(cè)漏油。油浸6 min時(shí)，一號(hào)光纜的布里淵頻移量已大于最大頻移差，但是較為接近，容易造成誤判。當(dāng)油浸9 min時(shí)，布里淵頻移量趨于最大值，遠(yuǎn)高于最大頻移差。12 min時(shí)的布里淵頻移量較9 min時(shí)基本無(wú)變化。二號(hào)光纜在油浸3 min時(shí)布里淵頻移量變化很小，6 min時(shí)布里淵頻移量仍小于最大頻移差，9 min時(shí)頻移迅速增大，12 min時(shí)達(dá)到最大值，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大頻移差。三號(hào)光纜油浸3 min后布里淵頻移量基本無(wú)變化，6 min時(shí)布里淵頻移量較明顯，9 min時(shí)布里淵頻移量變化較大，12 min時(shí)布里淵頻移量已足以有效檢測(cè)漏油。

三組傳感光纜的布里淵頻移量的最大差值分別為0.04489 GHz、0.05739 GHz、0.08665 GHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未浸油時(shí)的最大頻移差，故可以實(shí)現(xiàn)分布式的漏油檢測(cè)。在此次實(shí)驗(yàn)條件下，BOTDA的定位誤差為0.1 m，應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)中，由于長(zhǎng)距離會(huì)使損耗加劇，但造成的誤差不會(huì)影響定位。每一次漏油事件就需要更換敏感材料，所以制作光纜時(shí)不要做成和光纖長(zhǎng)度一樣，而是分成小段，這樣在檢測(cè)后方便更換，同時(shí)也比較節(jié)約。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了基于BOTDA的分布式輸油管線監(jiān)測(cè)技術(shù)，并利用傳感光纜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。主要可用于長(zhǎng)距離輸油管線的在線檢漏，也可用于其他輸油、儲(chǔ)油等設(shè)備。結(jié)果表明：該技術(shù)能夠快速、有效地在線監(jiān)測(cè)并定位小規(guī)模漏油。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，定位所需時(shí)間受敏感材料制作規(guī)格的影響。規(guī)格為1200 mm-20 mm-10 mm敏感材料封裝制備而成的光纜能在9分鐘內(nèi)準(zhǔn)確定位，而1200 mm-20 mm-20 mm、1200 mm-20 mm-40 mm兩組雖然布里淵頻移量較大，但其響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，在12 min內(nèi)才能有效檢測(cè)，實(shí)際使用中可根據(jù)使用環(huán)境和要求來(lái)制備較為合適的光纜。該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)分布式高精度小規(guī)模的漏油檢測(cè)，且便于維護(hù)，通過(guò)不斷提升BOTDA的性能，提高敏感材料的靈敏度以及加工規(guī)格可進(jìn)一步提高該傳感器的測(cè)試性能。

參考文獻(xiàn)

[1]周琰，靳世久，曾周末.分布式光纖管道安全檢測(cè)定位技術(shù)研究[J].光電子激光，2008.

[2]聶俊，李端有，梁俊，等.基于BOTDA的溫度和應(yīng)變測(cè)試探討[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2011.

[3]莊須葉，王浚璞，鄧勇剛.光纖傳感技術(shù)在管道泄露檢測(cè)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].光學(xué)技術(shù)，2011.

[4]黃軍芬，黃民雙，馮音琦，等.基于BOTDA技術(shù)的分布式光纖溫度傳感技術(shù)試驗(yàn)系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011.endprint

摘 要 為了進(jìn)一步提高輸油管線的監(jiān)測(cè)技術(shù)，滿足小規(guī)模、高精度的泄露監(jiān)測(cè)要求，文章基于布里淵光時(shí)域分析（BOTDA）原理，構(gòu)建了局部應(yīng)變的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用以原油敏感材料為基底的應(yīng)變傳感光纜進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確的定位小規(guī)模漏油，其中一號(hào)傳感光纜在9 min內(nèi)準(zhǔn)確定位，在1.70 km長(zhǎng)的光纖上的空間分辨率為1 m、定位誤差為0.1 m。

關(guān)鍵詞 分布式；布里淵光時(shí)域分析；應(yīng)變傳感；輸油管線

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）03-0040-02

隨著石油資源的不斷開發(fā)，管道運(yùn)輸已逐漸成為較為主要的運(yùn)輸方式，用以運(yùn)輸原油、天然氣和其他液氣產(chǎn)品。但由于管道自身老化、酸堿土壤或液體的腐蝕、人為損壞等因素，管道泄漏難以避免。不僅威脅到人們的安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)污染人們的生存環(huán)境，帶來(lái)不必要的資源浪費(fèi)。因此，輸油管線進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)、漏點(diǎn)定位技術(shù)具有重要的研究?jī)r(jià)值。

目前，應(yīng)用于輸油管線泄漏監(jiān)測(cè)的幾種傳統(tǒng)方法主要有：流量平衡法、壓力差法、應(yīng)力波法、管內(nèi)探測(cè)器法、負(fù)壓波法等。這些方法應(yīng)用較成熟，但存在靈敏度低、成本高、定位精度低、無(wú)法定位小規(guī)模漏油等缺點(diǎn)。所以，研究能夠克服以上缺點(diǎn)的管道監(jiān)測(cè)技術(shù)非常必要。光纖傳感器由于自身的諸多優(yōu)點(diǎn)已逐漸被應(yīng)用于管線健康檢測(cè)。本文將BOTDA技術(shù)應(yīng)用于輸油管線監(jiān)測(cè)，并設(shè)計(jì)了不同規(guī)格的應(yīng)變傳感光纜，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可快速、精確地檢測(cè)并定位小規(guī)模漏油。

1 基本原理

1.1 BOTDA技術(shù)

將一束泵浦光和一束探測(cè)光分別從傳感光纖的兩端入射進(jìn)光纖，當(dāng)泵浦光與探測(cè)光的頻差與光纖中某區(qū)域的布里淵頻移相等時(shí)，在該區(qū)域內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)。因此，檢測(cè)從光纖一端耦合出來(lái)的連續(xù)光功率就可以確定光纖各小區(qū)間上能量轉(zhuǎn)移達(dá)到最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率差。

圖1 BOTDA原理圖

假設(shè)溫度恒定不變時(shí)（即=20℃），布里淵頻移隨應(yīng)變的變化關(guān)系為：

（1）

式中：為布里淵頻移的應(yīng)變系數(shù)，取0。

1.2 傳感光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為傳感光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，主要由敏感材料（遇原油膨脹）、0.9 mm的單模光纖、銅絲三部分構(gòu)成。如圖所示，將敏感材料做成矩形波齒形狀，用銅絲以周期A與光纖固定，制成傳感光纜。當(dāng)制作好的傳感光纜遇到油時(shí)，由于銅絲的固定作用（銅絲較穩(wěn)定），當(dāng)敏感材料發(fā)生膨脹時(shí)，會(huì)壓迫光纖發(fā)生形變，從而引起光纖應(yīng)變變化，布里淵頻移即產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而可以定位發(fā)生漏油的地點(diǎn)。

圖2 傳感光纜

矩形波型敏感材料的加工結(jié)構(gòu)不是隨意的，其幾何結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間有直接影響，想要獲得較高的靈敏度，就必須計(jì)算出合適的矩形波波長(zhǎng)。對(duì)于階躍型光纖，微彎結(jié)構(gòu)機(jī)械周期A有：

（2）

式中：是纖芯半徑；

是纖芯的折射率；

是數(shù)值孔徑。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所用光纖參數(shù)計(jì)算得出：

A約為25 mm。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由DiTeSt STA-R系列BOTDA系統(tǒng)、0.9 mm的單模光纖、遇油膨脹的敏感材料組成。實(shí)驗(yàn)采用BOTDA系統(tǒng)在10 ns脈沖寬度下可實(shí)現(xiàn)1 m的空間分辨率。敏感材料是連接原油和光纖形變的重要媒介，直接影響系統(tǒng)的檢測(cè)效果，故其必須有以下特征：

1）遇原油能在較短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的形變。

2）成本低。

3）抗干擾性強(qiáng)，對(duì)外界因素不敏感，如：溫度、水、酸堿液體等。

4）容易加工。

因此選取氫化丁腈橡膠（HNBR）作為制作光纜的敏感材料。

2.2 數(shù)據(jù)分析

將橡膠條制作成三組（六塊）規(guī)格（長(zhǎng)寬高）分別是：1200 mm-20 mm-10 mm、1200 mm-20 mm-20 mm、1200 mm-20 mm-40 mm。然后將三組橡膠條分別封裝在光纖250.40 m到251.60 m、253.10 m到254.30 m、255.80 m到257.00 m處，并分別記作一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)，制成傳感光纜。分別在三組傳感光纜的初始狀態(tài)和油浸3 min、6 min、9 min、12 min時(shí)測(cè)其布里淵頻移量的變化情況。

由圖4可以看出，光纜在初始狀態(tài)下的布里淵頻移曲線并非一條直線，最大頻移差為0.01726 GHz，這是由于光纖內(nèi)部應(yīng)力、光纜制備等因素造成的。一號(hào)光纜在油浸3 min時(shí)布里淵頻移量小于最大頻移差，所以不能有效檢測(cè)漏油。油浸6 min時(shí)，一號(hào)光纜的布里淵頻移量已大于最大頻移差，但是較為接近，容易造成誤判。當(dāng)油浸9 min時(shí)，布里淵頻移量趨于最大值，遠(yuǎn)高于最大頻移差。12 min時(shí)的布里淵頻移量較9 min時(shí)基本無(wú)變化。二號(hào)光纜在油浸3 min時(shí)布里淵頻移量變化很小，6 min時(shí)布里淵頻移量仍小于最大頻移差，9 min時(shí)頻移迅速增大，12 min時(shí)達(dá)到最大值，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大頻移差。三號(hào)光纜油浸3 min后布里淵頻移量基本無(wú)變化，6 min時(shí)布里淵頻移量較明顯，9 min時(shí)布里淵頻移量變化較大，12 min時(shí)布里淵頻移量已足以有效檢測(cè)漏油。

三組傳感光纜的布里淵頻移量的最大差值分別為0.04489 GHz、0.05739 GHz、0.08665 GHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未浸油時(shí)的最大頻移差，故可以實(shí)現(xiàn)分布式的漏油檢測(cè)。在此次實(shí)驗(yàn)條件下，BOTDA的定位誤差為0.1 m，應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)中，由于長(zhǎng)距離會(huì)使損耗加劇，但造成的誤差不會(huì)影響定位。每一次漏油事件就需要更換敏感材料，所以制作光纜時(shí)不要做成和光纖長(zhǎng)度一樣，而是分成小段，這樣在檢測(cè)后方便更換，同時(shí)也比較節(jié)約。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了基于BOTDA的分布式輸油管線監(jiān)測(cè)技術(shù)，并利用傳感光纜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。主要可用于長(zhǎng)距離輸油管線的在線檢漏，也可用于其他輸油、儲(chǔ)油等設(shè)備。結(jié)果表明：該技術(shù)能夠快速、有效地在線監(jiān)測(cè)并定位小規(guī)模漏油。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，定位所需時(shí)間受敏感材料制作規(guī)格的影響。規(guī)格為1200 mm-20 mm-10 mm敏感材料封裝制備而成的光纜能在9分鐘內(nèi)準(zhǔn)確定位，而1200 mm-20 mm-20 mm、1200 mm-20 mm-40 mm兩組雖然布里淵頻移量較大，但其響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，在12 min內(nèi)才能有效檢測(cè)，實(shí)際使用中可根據(jù)使用環(huán)境和要求來(lái)制備較為合適的光纜。該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)分布式高精度小規(guī)模的漏油檢測(cè)，且便于維護(hù)，通過(guò)不斷提升BOTDA的性能，提高敏感材料的靈敏度以及加工規(guī)格可進(jìn)一步提高該傳感器的測(cè)試性能。

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