基于BOTDA的分布式輸油管線監測技術研究

賈振安+張童+劉穎剛+尉婷+徐成

摘 要 為了進一步提高輸油管線的監測技術，滿足小規模、高精度的泄露監測要求，文章基于布里淵光時域分析（BOTDA）原理，構建了局部應變的模擬實驗系統。利用以原油敏感材料為基底的應變傳感光纜進行監測。實驗結果表明：該系統能夠快速準確的定位小規模漏油，其中一號傳感光纜在9 min內準確定位，在1.70 km長的光纖上的空間分辨率為1 m、定位誤差為0.1 m。

關鍵詞 分布式；布里淵光時域分析；應變傳感；輸油管線

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）03-0040-02

隨著石油資源的不斷開發，管道運輸已逐漸成為較為主要的運輸方式，用以運輸原油、天然氣和其他液氣產品。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，造成巨大的經濟損失，而且會污染人們的生存環境，帶來不必要的資源浪費。因此，輸油管線進行泄漏監測技術、漏點定位技術具有重要的研究價值。

目前，應用于輸油管線泄漏監測的幾種傳統方法主要有：流量平衡法、壓力差法、應力波法、管內探測器法、負壓波法等。這些方法應用較成熟，但存在靈敏度低、成本高、定位精度低、無法定位小規模漏油等缺點。所以，研究能夠克服以上缺點的管道監測技術非常必要。光纖傳感器由于自身的諸多優點已逐漸被應用于管線健康檢測。本文將BOTDA技術應用于輸油管線監測，并設計了不同規格的應變傳感光纜，進行了實驗研究。實驗結果表明該方法可快速、精確地檢測并定位小規模漏油。

1 基本原理

1.1 BOTDA技術

將一束泵浦光和一束探測光分別從傳感光纖的兩端入射進光纖，當泵浦光與探測光的頻差與光纖中某區域的布里淵頻移相等時，在該區域內就會產生布里淵放大效應。因此，檢測從光纖一端耦合出來的連續光功率就可以確定光纖各小區間上能量轉移達到最大時所對應的頻率差。

圖1 BOTDA原理圖

假設溫度恒定不變時（即=20℃），布里淵頻移隨應變的變化關系為：

（1）

式中：為布里淵頻移的應變系數，取0。

1.2 傳感光纜的結構設計

圖2為傳感光纜的結構設計圖，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。當制作好的傳感光纜遇到油時，由于銅絲的固定作用（銅絲較穩定），當敏感材料發生膨脹時，會壓迫光纖發生形變，從而引起光纖應變變化，布里淵頻移即產生相應的變化，從而可以定位發生漏油的地點。

圖2 傳感光纜

矩形波型敏感材料的加工結構不是隨意的，其幾何結構對系統的響應時間有直接影響，想要獲得較高的靈敏度，就必須計算出合適的矩形波波長。對于階躍型光纖，微彎結構機械周期A有：

（2）

式中：是纖芯半徑；

是纖芯的折射率；

是數值孔徑。根據實驗所用光纖參數計算得出：

A約為25 mm。

2 實驗研究

2.1 實驗平臺

實驗平臺主要由DiTeSt STA-R系列BOTDA系統、0.9 mm的單模光纖、遇油膨脹的敏感材料組成。實驗采用BOTDA系統在10 ns脈沖寬度下可實現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，直接影響系統的檢測效果，故其必須有以下特征：

1）遇原油能在較短的時間內產生較大的形變。

2）成本低。

3）抗干擾性強，對外界因素不敏感，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 數據分析

將橡膠條制作成三組（六塊）規格（長寬高）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、二號、三號，制成傳感光纜。分別在三組傳感光纜的初始狀態和油浸3 min、6 min、9 min、12 min時測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，這是由于光纖內部應力、光纜制備等因素造成的。一號光纜在油浸3 min時布里淵頻移量小于最大頻移差，所以不能有效檢測漏油。油浸6 min時，一號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。當油浸9 min時，布里淵頻移量趨于最大值，遠高于最大頻移差。12 min時的布里淵頻移量較9 min時基本無變化。二號光纜在油浸3 min時布里淵頻移量變化很小，6 min時布里淵頻移量仍小于最大頻移差，9 min時頻移迅速增大，12 min時達到最大值，且遠遠大于最大頻移差。三號光纜油浸3 min后布里淵頻移量基本無變化，6 min時布里淵頻移量較明顯，9 min時布里淵頻移量變化較大，12 min時布里淵頻移量已足以有效檢測漏油。

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，遠遠高于未浸油時的最大頻移差，故可以實現分布式的漏油檢測。在此次實驗條件下，BOTDA的定位誤差為0.1 m，應用于實際檢測中，由于長距離會使損耗加劇，但造成的誤差不會影響定位。每一次漏油事件就需要更換敏感材料，所以制作光纜時不要做成和光纖長度一樣，而是分成小段，這樣在檢測后方便更換，同時也比較節約。

3 結束語

本文研究了基于BOTDA的分布式輸油管線監測技術，并利用傳感光纜進行實驗研究。主要可用于長距離輸油管線的在線檢漏，也可用于其他輸油、儲油等設備。結果表明：該技術能夠快速、有效地在線監測并定位小規模漏油。分析實驗數據可知，定位所需時間受敏感材料制作規格的影響。規格為1200 mm-20 mm-10 mm敏感材料封裝制備而成的光纜能在9分鐘內準確定位，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，但其響應時間較長，在12 min內才能有效檢測，實際使用中可根據使用環境和要求來制備較為合適的光纜。該技術能實現分布式高精度小規模的漏油檢測，且便于維護，通過不斷提升BOTDA的性能，提高敏感材料的靈敏度以及加工規格可進一步提高該傳感器的測試性能。

參考文獻

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

[2]聶俊，李端有，梁俊，等.基于BOTDA的溫度和應變測試探討[J].長江科學院院報，2011.

[3]莊須葉，王浚璞，鄧勇剛.光纖傳感技術在管道泄露檢測中的應用與發展[J].光學技術，2011.

[4]黃軍芬，黃民雙，馮音琦，等.基于BOTDA技術的分布式光纖溫度傳感技術試驗系統[J].儀表技術與傳感器，2011.endprint

摘 要 為了進一步提高輸油管線的監測技術，滿足小規模、高精度的泄露監測要求，文章基于布里淵光時域分析（BOTDA）原理，構建了局部應變的模擬實驗系統。利用以原油敏感材料為基底的應變傳感光纜進行監測。實驗結果表明：該系統能夠快速準確的定位小規模漏油，其中一號傳感光纜在9 min內準確定位，在1.70 km長的光纖上的空間分辨率為1 m、定位誤差為0.1 m。

關鍵詞 分布式；布里淵光時域分析；應變傳感；輸油管線

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）03-0040-02

隨著石油資源的不斷開發，管道運輸已逐漸成為較為主要的運輸方式，用以運輸原油、天然氣和其他液氣產品。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，造成巨大的經濟損失，而且會污染人們的生存環境，帶來不必要的資源浪費。因此，輸油管線進行泄漏監測技術、漏點定位技術具有重要的研究價值。

目前，應用于輸油管線泄漏監測的幾種傳統方法主要有：流量平衡法、壓力差法、應力波法、管內探測器法、負壓波法等。這些方法應用較成熟，但存在靈敏度低、成本高、定位精度低、無法定位小規模漏油等缺點。所以，研究能夠克服以上缺點的管道監測技術非常必要。光纖傳感器由于自身的諸多優點已逐漸被應用于管線健康檢測。本文將BOTDA技術應用于輸油管線監測，并設計了不同規格的應變傳感光纜，進行了實驗研究。實驗結果表明該方法可快速、精確地檢測并定位小規模漏油。

1 基本原理

1.1 BOTDA技術

將一束泵浦光和一束探測光分別從傳感光纖的兩端入射進光纖，當泵浦光與探測光的頻差與光纖中某區域的布里淵頻移相等時，在該區域內就會產生布里淵放大效應。因此，檢測從光纖一端耦合出來的連續光功率就可以確定光纖各小區間上能量轉移達到最大時所對應的頻率差。

圖1 BOTDA原理圖

假設溫度恒定不變時（即=20℃），布里淵頻移隨應變的變化關系為：

（1）

式中：為布里淵頻移的應變系數，取0。

1.2 傳感光纜的結構設計

圖2為傳感光纜的結構設計圖，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。當制作好的傳感光纜遇到油時，由于銅絲的固定作用（銅絲較穩定），當敏感材料發生膨脹時，會壓迫光纖發生形變，從而引起光纖應變變化，布里淵頻移即產生相應的變化，從而可以定位發生漏油的地點。

圖2 傳感光纜

矩形波型敏感材料的加工結構不是隨意的，其幾何結構對系統的響應時間有直接影響，想要獲得較高的靈敏度，就必須計算出合適的矩形波波長。對于階躍型光纖，微彎結構機械周期A有：

（2）

式中：是纖芯半徑；

是纖芯的折射率；

是數值孔徑。根據實驗所用光纖參數計算得出：

A約為25 mm。

2 實驗研究

2.1 實驗平臺

實驗平臺主要由DiTeSt STA-R系列BOTDA系統、0.9 mm的單模光纖、遇油膨脹的敏感材料組成。實驗采用BOTDA系統在10 ns脈沖寬度下可實現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，直接影響系統的檢測效果，故其必須有以下特征：

1）遇原油能在較短的時間內產生較大的形變。

2）成本低。

3）抗干擾性強，對外界因素不敏感，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 數據分析

將橡膠條制作成三組（六塊）規格（長寬高）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、二號、三號，制成傳感光纜。分別在三組傳感光纜的初始狀態和油浸3 min、6 min、9 min、12 min時測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，這是由于光纖內部應力、光纜制備等因素造成的。一號光纜在油浸3 min時布里淵頻移量小于最大頻移差，所以不能有效檢測漏油。油浸6 min時，一號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。當油浸9 min時，布里淵頻移量趨于最大值，遠高于最大頻移差。12 min時的布里淵頻移量較9 min時基本無變化。二號光纜在油浸3 min時布里淵頻移量變化很小，6 min時布里淵頻移量仍小于最大頻移差，9 min時頻移迅速增大，12 min時達到最大值，且遠遠大于最大頻移差。三號光纜油浸3 min后布里淵頻移量基本無變化，6 min時布里淵頻移量較明顯，9 min時布里淵頻移量變化較大，12 min時布里淵頻移量已足以有效檢測漏油。

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，遠遠高于未浸油時的最大頻移差，故可以實現分布式的漏油檢測。在此次實驗條件下，BOTDA的定位誤差為0.1 m，應用于實際檢測中，由于長距離會使損耗加劇，但造成的誤差不會影響定位。每一次漏油事件就需要更換敏感材料，所以制作光纜時不要做成和光纖長度一樣，而是分成小段，這樣在檢測后方便更換，同時也比較節約。

3 結束語

本文研究了基于BOTDA的分布式輸油管線監測技術，并利用傳感光纜進行實驗研究。主要可用于長距離輸油管線的在線檢漏，也可用于其他輸油、儲油等設備。結果表明：該技術能夠快速、有效地在線監測并定位小規模漏油。分析實驗數據可知，定位所需時間受敏感材料制作規格的影響。規格為1200 mm-20 mm-10 mm敏感材料封裝制備而成的光纜能在9分鐘內準確定位，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，但其響應時間較長，在12 min內才能有效檢測，實際使用中可根據使用環境和要求來制備較為合適的光纜。該技術能實現分布式高精度小規模的漏油檢測，且便于維護，通過不斷提升BOTDA的性能，提高敏感材料的靈敏度以及加工規格可進一步提高該傳感器的測試性能。

參考文獻

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

[2]聶俊，李端有，梁俊，等.基于BOTDA的溫度和應變測試探討[J].長江科學院院報，2011.

[3]莊須葉，王浚璞，鄧勇剛.光纖傳感技術在管道泄露檢測中的應用與發展[J].光學技術，2011.

[4]黃軍芬，黃民雙，馮音琦，等.基于BOTDA技術的分布式光纖溫度傳感技術試驗系統[J].儀表技術與傳感器，2011.endprint

摘 要 為了進一步提高輸油管線的監測技術，滿足小規模、高精度的泄露監測要求，文章基于布里淵光時域分析（BOTDA）原理，構建了局部應變的模擬實驗系統。利用以原油敏感材料為基底的應變傳感光纜進行監測。實驗結果表明：該系統能夠快速準確的定位小規模漏油，其中一號傳感光纜在9 min內準確定位，在1.70 km長的光纖上的空間分辨率為1 m、定位誤差為0.1 m。

關鍵詞 分布式；布里淵光時域分析；應變傳感；輸油管線

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）03-0040-02

隨著石油資源的不斷開發，管道運輸已逐漸成為較為主要的運輸方式，用以運輸原油、天然氣和其他液氣產品。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，造成巨大的經濟損失，而且會污染人們的生存環境，帶來不必要的資源浪費。因此，輸油管線進行泄漏監測技術、漏點定位技術具有重要的研究價值。

目前，應用于輸油管線泄漏監測的幾種傳統方法主要有：流量平衡法、壓力差法、應力波法、管內探測器法、負壓波法等。這些方法應用較成熟，但存在靈敏度低、成本高、定位精度低、無法定位小規模漏油等缺點。所以，研究能夠克服以上缺點的管道監測技術非常必要。光纖傳感器由于自身的諸多優點已逐漸被應用于管線健康檢測。本文將BOTDA技術應用于輸油管線監測，并設計了不同規格的應變傳感光纜，進行了實驗研究。實驗結果表明該方法可快速、精確地檢測并定位小規模漏油。

1 基本原理

1.1 BOTDA技術

將一束泵浦光和一束探測光分別從傳感光纖的兩端入射進光纖，當泵浦光與探測光的頻差與光纖中某區域的布里淵頻移相等時，在該區域內就會產生布里淵放大效應。因此，檢測從光纖一端耦合出來的連續光功率就可以確定光纖各小區間上能量轉移達到最大時所對應的頻率差。

圖1 BOTDA原理圖

假設溫度恒定不變時（即=20℃），布里淵頻移隨應變的變化關系為：

（1）

式中：為布里淵頻移的應變系數，取0。

1.2 傳感光纜的結構設計

圖2為傳感光纜的結構設計圖，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。當制作好的傳感光纜遇到油時，由于銅絲的固定作用（銅絲較穩定），當敏感材料發生膨脹時，會壓迫光纖發生形變，從而引起光纖應變變化，布里淵頻移即產生相應的變化，從而可以定位發生漏油的地點。

圖2 傳感光纜

矩形波型敏感材料的加工結構不是隨意的，其幾何結構對系統的響應時間有直接影響，想要獲得較高的靈敏度，就必須計算出合適的矩形波波長。對于階躍型光纖，微彎結構機械周期A有：

（2）

式中：是纖芯半徑；

是纖芯的折射率；

是數值孔徑。根據實驗所用光纖參數計算得出：

A約為25 mm。

2 實驗研究

2.1 實驗平臺

實驗平臺主要由DiTeSt STA-R系列BOTDA系統、0.9 mm的單模光纖、遇油膨脹的敏感材料組成。實驗采用BOTDA系統在10 ns脈沖寬度下可實現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，直接影響系統的檢測效果，故其必須有以下特征：

1）遇原油能在較短的時間內產生較大的形變。

2）成本低。

3）抗干擾性強，對外界因素不敏感，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 數據分析

將橡膠條制作成三組（六塊）規格（長寬高）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、二號、三號，制成傳感光纜。分別在三組傳感光纜的初始狀態和油浸3 min、6 min、9 min、12 min時測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，這是由于光纖內部應力、光纜制備等因素造成的。一號光纜在油浸3 min時布里淵頻移量小于最大頻移差，所以不能有效檢測漏油。油浸6 min時，一號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。當油浸9 min時，布里淵頻移量趨于最大值，遠高于最大頻移差。12 min時的布里淵頻移量較9 min時基本無變化。二號光纜在油浸3 min時布里淵頻移量變化很小，6 min時布里淵頻移量仍小于最大頻移差，9 min時頻移迅速增大，12 min時達到最大值，且遠遠大于最大頻移差。三號光纜油浸3 min后布里淵頻移量基本無變化，6 min時布里淵頻移量較明顯，9 min時布里淵頻移量變化較大，12 min時布里淵頻移量已足以有效檢測漏油。

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，遠遠高于未浸油時的最大頻移差，故可以實現分布式的漏油檢測。在此次實驗條件下，BOTDA的定位誤差為0.1 m，應用于實際檢測中，由于長距離會使損耗加劇，但造成的誤差不會影響定位。每一次漏油事件就需要更換敏感材料，所以制作光纜時不要做成和光纖長度一樣，而是分成小段，這樣在檢測后方便更換，同時也比較節約。

3 結束語

本文研究了基于BOTDA的分布式輸油管線監測技術，并利用傳感光纜進行實驗研究。主要可用于長距離輸油管線的在線檢漏，也可用于其他輸油、儲油等設備。結果表明：該技術能夠快速、有效地在線監測并定位小規模漏油。分析實驗數據可知，定位所需時間受敏感材料制作規格的影響。規格為1200 mm-20 mm-10 mm敏感材料封裝制備而成的光纜能在9分鐘內準確定位，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，但其響應時間較長，在12 min內才能有效檢測，實際使用中可根據使用環境和要求來制備較為合適的光纜。該技術能實現分布式高精度小規模的漏油檢測，且便于維護，通過不斷提升BOTDA的性能，提高敏感材料的靈敏度以及加工規格可進一步提高該傳感器的測試性能。

參考文獻

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

[2]聶俊，李端有，梁俊，等.基于BOTDA的溫度和應變測試探討[J].長江科學院院報，2011.

[3]莊須葉，王浚璞，鄧勇剛.光纖傳感技術在管道泄露檢測中的應用與發展[J].光學技術，2011.

[4]黃軍芬，黃民雙，馮音琦，等.基于BOTDA技術的分布式光纖溫度傳感技術試驗系統[J].儀表技術與傳感器，2011.endprint