環(huán)境因素對光纖傳感管道安全預(yù)警系統(tǒng)性能的影響

史家旭，齊迎峰，李小彤，郭　強(qiáng)，沈　珂，張海洋

(1.中石油北京天然氣管道有限公司，北京 100012; 2.北京裕榮眾聯(lián)科技有限公司,北京 100085)

0　引言

管道運(yùn)輸已成為繼鐵路、公路、水路、航空運(yùn)輸之后的第五大運(yùn)輸方式[1]。為了提高管道安全管理水平、及時(shí)發(fā)現(xiàn)針對管道安全的潛在威脅，必須采用先進(jìn)的技術(shù)手段，建立科學(xué)的管道安全管理平臺。

分布式光纖傳感技術(shù)是在20世紀(jì)70年代末提出的。自問世以來，該技術(shù)得到了廣泛關(guān)注，并取得了長足的發(fā)展。該技術(shù)對待測量的在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠▍⒘窟M(jìn)行調(diào)制，并對經(jīng)調(diào)制的光波信號進(jìn)行解調(diào)檢測，從而獲得待測量值。基于該技術(shù)的光纖傳感器可以廣泛應(yīng)用于各種參量測量，包括位移、振動(dòng)、壓力、彎曲、應(yīng)變、加速度、電流、電壓、溫度等；同時(shí)，它還具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、防電磁干擾、耐腐蝕等特點(diǎn)。分布式光纖傳感器可以利用現(xiàn)有的通信光纜進(jìn)行監(jiān)測，具有預(yù)警和定位功能，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)控，是組成管道安全監(jiān)控系統(tǒng)的理想產(chǎn)品。

1　分布式光纖傳感器

分布式光纖傳感技術(shù)能夠體現(xiàn)光纖的分布伸展優(yōu)勢。采用這種技術(shù)的光纖傳感器有許多種類型。其中，適用于管道安全預(yù)警系統(tǒng)的主要有散射型分布式光纖傳感器和干涉型分布式光纖傳感器兩種。

散射型分布式光纖傳感器通過監(jiān)測光纖在向前傳輸過程中所產(chǎn)生的后向散射光強(qiáng)進(jìn)行測量。其典型產(chǎn)品是光時(shí)域反射器(optical time domain reflector，OTDR)。根據(jù)傳統(tǒng)OTDR原理和結(jié)構(gòu)，提出了許多新的傳感原理和傳感結(jié)構(gòu)，如基于相位敏感的Φ-OTDR技術(shù)、基于偏振敏感的P-OTDR技術(shù)、基于布里淵散射的B-OTDR技術(shù)等[2]。這些技術(shù)發(fā)展相對成熟，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種測量系統(tǒng)中。

干涉型分布式光纖傳感器又稱相位調(diào)制型光纖傳感器，主要通過光干涉原理進(jìn)行信號檢測。根據(jù)不同的原理和裝置結(jié)構(gòu)，其可分為邁克爾遜(Michelson)干涉型、馬赫-曾德(Mach-Zebnder，M-Z)干涉型、薩格納克(Sagnac)干涉型以及法布里-珀羅腔(Fabry-Perot)干涉型[3]。由于具有敏感度高、測量的動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，干涉型分布式光纖傳感器可以根據(jù)各自的特點(diǎn)，分別應(yīng)用于長距離、大動(dòng)態(tài)信號設(shè)施的安全監(jiān)控。

2　管道安全預(yù)警系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)與要求

分布式光纖管道安全預(yù)警系統(tǒng)利用與管道同溝鋪設(shè)的通信光纜，構(gòu)成基于Mach-Zehnder光纖干涉儀原理的分布式振動(dòng)傳感器。其安裝方便，無需二次施工。通過標(biāo)準(zhǔn)特征庫和分類識別器，對振動(dòng)信號進(jìn)行模式識別，可準(zhǔn)確地對管道沿線的危害事件(如管道附近違章施工、人為破壞以及自然災(zāi)害等事件等)進(jìn)行威脅評定與分類，也可對較大范圍內(nèi)的油氣泄漏進(jìn)行報(bào)警和定位[4]。

由于管道沿線的地質(zhì)條件和周圍環(huán)境非常復(fù)雜，安全預(yù)警系統(tǒng)必須面對各種嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。其主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

①識別能力。

由于管道可能會(huì)穿越公路、鐵路、村莊、城鎮(zhèn)等不同的地域，來自外界的干擾源多而復(fù)雜，對安全預(yù)警系統(tǒng)的識別能力和抗干擾能力提出了很高要求。安全預(yù)警系統(tǒng)必須能夠準(zhǔn)確識別外界干擾，從而正確報(bào)警、減少誤報(bào)。

②動(dòng)態(tài)范圍。

管道安全預(yù)警系統(tǒng)涉及的信號包括各種物理參數(shù)，動(dòng)態(tài)范圍非常大。其中：信號的震幅相差幾十倍，震動(dòng)頻率一般為10～20 kHz，甚至能達(dá)到超聲波頻率(400 kHz)范圍。因此，系統(tǒng)必須具有足夠大的動(dòng)態(tài)范圍，否則將會(huì)存在漏報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)。

③適應(yīng)能力。

油氣管道分布地域廣，地質(zhì)條件復(fù)雜，可能經(jīng)過農(nóng)田、濕地、山地、河流等各種不同的地質(zhì)環(huán)境，甚至可能伸出地面。由于傳感光纜對不同地質(zhì)環(huán)境的感知度是不同的，因此要求系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，以確保系統(tǒng)整體性能基本一致，使性能指標(biāo)歸一化。

分布式光纖傳感器利用光纖的一維特性進(jìn)行測量。相對于傳統(tǒng)的傳感方法，分布式光纖傳感器具有更多的優(yōu)勢：它不但能同時(shí)得到被測空間分布狀態(tài)和隨時(shí)間變化的信息，還可以在整條光纖上對沿光纖分布的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測量，有較好的分辨率；結(jié)合了光纖的高靈敏度、抗電磁干擾、耐腐蝕、高可靠性、體積小等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)十公里管道的實(shí)時(shí)監(jiān)測[5]。

3　管道安全預(yù)警系統(tǒng)性能測試方法

分布式光纖傳感器在管道安全預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用中有許多優(yōu)勢，但是環(huán)境因素對系統(tǒng)性能有很大影響。這些因素主要包括光纜結(jié)構(gòu)、光纜埋設(shè)方式、光纜埋設(shè)深度以及土壤環(huán)境等。為了進(jìn)一步檢測管道安全預(yù)警系統(tǒng)的性能，選取市場上相對成熟的干涉型分布式光纖傳感器進(jìn)行測試，并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀分析和評估。

為了得到科學(xué)、合理的測試數(shù)據(jù)，有必要建立一個(gè)切實(shí)可行的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

3.1測試設(shè)備

測試產(chǎn)品選用基于干涉原理的分布式光纖傳感器。該傳感器由監(jiān)控主機(jī)、引導(dǎo)光纜、首末端模塊和傳感光纜四部分組成。傳感光纜采用三芯單模光纖。其中：兩芯作為傳感臂，第三芯用于回傳信號，使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)回路。干涉型分布式光纖傳感器有多種類型。本文選擇基于M-Z干涉技術(shù)的分布式光纖傳感器作為測試對象，其原理圖如圖1所示[6]。

圖1　基于M-Z干涉技術(shù)的分布式光纖傳感器原理圖Fig.1　Schematic diagram of the distributed optical fiber sensor based on M-Z interfere technology

3.2　測試方法

確定測試方法要考慮多種因素，包括測試環(huán)境、地質(zhì)條件和測試地點(diǎn)等。但現(xiàn)實(shí)中可能遇到的情況更為復(fù)雜。對此，可以通過數(shù)據(jù)分析進(jìn)行類比，綜合評定。

①測試管線：中石油陜京二線，管線長度22.6 km。

②傳感光纜：借用伴隨管線埋設(shè)的通信光纜，光纜長度約為25 km。

③測試時(shí)間：2017年5月至2017年10月，歷時(shí)6個(gè)月。

④測試地點(diǎn)：近距離，在整個(gè)測試管線的頭部；中距離，在整個(gè)測試管線的中部；遠(yuǎn)距離，在整個(gè)測試管線的尾部。

⑤地質(zhì)條件：土壤成分為黏土/沙土；土壤密度為軟/硬；土壤水分為干/濕。

⑥測試方式：人工作業(yè)采用大錘或鋤頭敲擊；機(jī)械作業(yè)采用夯機(jī)和挖掘機(jī)測試。

3.3　數(shù)據(jù)采集

無論是人工模擬測試還是機(jī)械模擬測試，每次均在選好的測試地點(diǎn)進(jìn)行測試，記錄十個(gè)數(shù)據(jù)；然后計(jì)算平均值，作為該點(diǎn)的真實(shí)數(shù)據(jù)。在測試的同時(shí)，記錄該測試點(diǎn)的光纜埋設(shè)情況、地質(zhì)條件、光纜深度和周邊環(huán)境等信息，作為參考數(shù)據(jù)。隔一段時(shí)間后，進(jìn)行同樣的測試，記錄數(shù)據(jù)并將其與前期采集的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

分布式光纖傳感器基本測試數(shù)據(jù)如表1所示。其測試時(shí)間為2017年8月2日，測試地點(diǎn)為陜京二線。

表1　分布式光纖傳感器基本測試數(shù)據(jù)Tab.1　Basic testing data of distributed optical fiber sensor

對表1的說明如下。

①表1顯示了在不同位置對分布式光纖傳感器的基本測試數(shù)據(jù)。

②在光纜正上方測試時(shí)，報(bào)警定位結(jié)果比較準(zhǔn)確。

③由于兩根纖芯平衡度變差，信噪比明顯惡化，導(dǎo)致遠(yuǎn)端定位的精度下降。

4　數(shù)據(jù)分析

由于光纜的結(jié)構(gòu)和材料不同、埋設(shè)方式不同以及埋設(shè)土壤的復(fù)雜性，存在諸多影響檢測靈敏度的不確定因素[7]。

通常情況下，管道傳輸距離比較長，沿線的地質(zhì)條件和環(huán)境情況比較復(fù)雜，這些因素對管道安全預(yù)警系統(tǒng)性能都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。該影響體現(xiàn)在很多方面。現(xiàn)根據(jù)測試結(jié)果作如下分析。

4.1　土壤密度對探測靈敏度的影響

土壤密度對探測靈敏度的影響如表2所示。其中，報(bào)警位置一位于960 m，土壤為半沙/較硬，光纜直埋1.5 m；報(bào)警位置二位于22 400 m，土壤為沙質(zhì)/較軟，光纜直埋1.7 m。

表2　土壤密度對探測靈敏度的影響Tab.2　Influence of soil density on detecting sensitivity

對表2的說明如下。

①黏質(zhì)土壤密度大，傳感效果較好，探測范圍較大；人工測試范圍為3 m，機(jī)械測試范圍為6 m。

②沙質(zhì)土壤密度小，傳感效果較差，探測范圍縮小；人工測試范圍為2 m，機(jī)構(gòu)測試范圍為3 m。

4.2　土壤含水量對探測靈敏度的影響

為測試土壤含水量對探測靈敏度的影響，選取960 m處的測試地點(diǎn)，光纜情況為直埋/深度1.5 m，采用大錘敲擊地面的方法，土壤性質(zhì)為較硬的半沙黏土。其中，8月2日為陰天，雨后，土壤含水量較大；8月21日為晴天，土壤含水量較小。測試結(jié)果如表3所示。

表3　土壤含水量對探測靈敏度的影響Tab.3　Influence of soil moisture on detecting sensitivity

對表3的說明如下。

①土壤含水量小時(shí)，探測靈敏度較高，探測范圍為3 m；土壤含水量大時(shí)，探測靈敏度較低，探測范圍為2 m。

②土壤含水量對靈敏度影響在10%～20%左右。

③冬季地面結(jié)冰，土壤密度增加，靈敏度增高；夏季雨水較多，土壤密度降低，靈敏度降低。

4.3　光纜結(jié)構(gòu)對探測靈敏度的影響

基于M-Z干涉原理的光纖傳感器需要兩根光纖作為傳感臂，其性能與光纜結(jié)構(gòu)和光纖分配方式密切相關(guān)，具體描述如下。

①層絞式結(jié)構(gòu)光纜。

實(shí)際測試結(jié)果表明，傳感光纖的兩臂可以靈活配置；在一定的條件下，兩根光纖之間的距離與探測靈敏度成正比。

層絞式光纜結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知，光纜中心為加強(qiáng)芯，周圍有六根束管，束管中間是光纖。基于干涉原理的光纖傳感器采用兩根光纖作為傳感臂，不同的分配方式標(biāo)志著不同的探測靈敏度[8]。

圖2　層絞式光纜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Structure of stranded optical fiber cable

②中心束管式結(jié)構(gòu)光纜。

根據(jù)以往測試結(jié)果，傳感光纜為中心束管式，傳感臂的兩根光纖出自同一根束管，且光纜外套有導(dǎo)管，因此傳感器探測靈敏度相對較低。中心束管式光纜結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　中心束管式光纜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Structure of center beam tube optical fiber cable

層絞式光纜光纖分配方式對探測靈敏度的影響如表4所示。表4中，★表示探測靈敏度的敏感程度。

表4　光纖分配方式對探測靈敏度的影響Tab.4　Influence of optical fiber cable configuration on detecting sensitivity

中心束管管式光纜測試結(jié)果與表4中“同一束管”測試結(jié)果基本一致。

4.4　光纜埋設(shè)條件對探測靈敏度的影響

光纜埋設(shè)條件對探測靈敏度有一定的影響。傳感光纜對周圍介質(zhì)的感應(yīng)程度不同；即使是相同介質(zhì)，不同深度的探測結(jié)果也不一樣。分別對以下3種光纜埋設(shè)條件進(jìn)行測試。

①60 m處，半沙/較硬地質(zhì)、光纜直徑為1.5 m；②6 280 m處，沙質(zhì)/較軟地質(zhì)，穿管2.5 m；③22 400 m處，沙質(zhì)/較軟地質(zhì)，直埋1.7m。

測試所得光纜埋設(shè)條件對提探測靈敏度影響結(jié)果如表5所示。

表5　光纜埋設(shè)條件對探測靈敏度的影響Tab.5　Influence of buried conditions of optical cable on detecting sensitivity　m

表5中的數(shù)據(jù)基于兩根傳感光纖，分別來自兩個(gè)相鄰束管。光纜埋設(shè)方式通常為穿入保護(hù)套管和直埋兩種。穿入保護(hù)套管的分布式光纖傳感器的探測靈敏度低于直埋分布式光纖傳器[7]。

由表5可知，光纜埋設(shè)深度與探測靈敏度存在一定的關(guān)系。光纜穿管埋設(shè)將降低探測靈敏度，對探測靈敏度的影響大約為20%。

4.5　光纖平衡度對定位精度的影響

基于M-Z干涉技術(shù)的分布式光纖傳感器定位原理，是利用與管道同溝敷設(shè)光纜中的三根普通通信光纖作為連續(xù)分布式的土壤振動(dòng)檢測傳感器。傳感器拾取管道附近沿線土壤的振動(dòng)信號；土壤振動(dòng)信號經(jīng)由不同的光路，在不同的時(shí)間分別傳到光電檢測器；由光電檢測器輸出的電信號經(jīng)過處理分析，可以根據(jù)傳輸時(shí)間差值分析、計(jì)算出管道附近土壤振動(dòng)事件的發(fā)生位置[8]。管道安全預(yù)警系統(tǒng)檢測到的振動(dòng)信號由于長距離傳輸，常常伴隨著強(qiáng)大的噪聲干擾。這些噪聲會(huì)降低信號的相關(guān)度和定位精度[9]。同時(shí)，這種光纖傳感器的兩根傳感光纖長度和衰減值是否一致(即光纖平衡度是否良好)，對系統(tǒng)的定位精度也有很大影響。

傳感臂兩根光纖OTDR數(shù)據(jù)測試結(jié)果如圖4所示。

圖4　OTDR數(shù)據(jù)測試結(jié)果Fig.4　Test results of OTDR data

由圖4可知，干涉法分布式光纖傳感器采用兩根光纖作為傳感臂，光纖總長度為24.93 km。第一芯衰減平均值為0.439 dB/km@1 550 nm；第二芯衰減平均值為0.437 dB/km@1 550 nm。兩根傳感光纖在近端平衡度較好，在遠(yuǎn)端較差。

傳感光纖平衡度對定位精度的影響如圖5所示。

圖5　傳感光纖平衡度對定位精度的影響Fig.5　Influence of optical fiber balance degreeon locating accuracy

光纖平衡度對定位精度有一定影響。光纖平衡度較好的區(qū)域(近端)，定位精度較好，定位平均誤差小于70 m；光纖平衡度較差的區(qū)域(遠(yuǎn)端)，定位精度較差，定位平均誤差小于300 m。

4.6　震動(dòng)源相對光纜位置對定位精度的影響

震動(dòng)源相對于光纜的位置不同，其定位精度也會(huì)產(chǎn)生一定的變化。

①震動(dòng)源產(chǎn)生的波向外擴(kuò)散時(shí)，其傳播呈現(xiàn)的是一個(gè)球面，在兩個(gè)不同的兩維剖面上都呈扇形。

②波前擴(kuò)散到傳感光纜時(shí)，光纜感受到的震動(dòng)不是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)線段。

以下具體分徑向剖面和橫向剖面兩種情況進(jìn)行分析。

4.6.1徑向剖面

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，在光纜正上方敲擊時(shí)，系統(tǒng)定位最為準(zhǔn)確；偏離光纜正上方的進(jìn)行敲擊，隨著偏離距離的增加，震動(dòng)波的波前到達(dá)光纜時(shí)與光纜接觸的區(qū)域增大，光纜的這一段區(qū)域都將產(chǎn)生回波信號。監(jiān)控主機(jī)結(jié)果表明，分析后得出的是多個(gè)定位信息，定位精度也有所下降。震源與光纜的距離對定位精度的影響如圖6所示。

圖6　震源與光纜的距離對定位精度的影響Fig.6　Influence of distance between vibration source and optical cable on locating accuracy

4.6.2橫向剖面

在同一個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行敲擊測試。隨著光纜埋設(shè)深度的增加，震動(dòng)波波前到達(dá)光纜時(shí)與光纜接觸的區(qū)域增加；光纜的這一段區(qū)域都將產(chǎn)生回波信號，監(jiān)控主機(jī)分析后得出的是多個(gè)定位信息，定位精度也有所下降。

光纜埋設(shè)深度對定位精度的影響如圖7所示。

圖7　光纜埋設(shè)深度對定位精度的影響Fig.7　Influence of optical cable buried depth on locating accuracy

震動(dòng)源離光纜越近，定位精度越高。隨著震源與光纜之間距離的增加，震動(dòng)波波前到達(dá)傳感光纜時(shí)與光纜的接觸區(qū)域也隨之增加，將會(huì)出現(xiàn)多個(gè)定位數(shù)據(jù)；而且，隨著分布范圍變大，定位精度相應(yīng)降低。

4.7　光纜質(zhì)量對有效探測距離的影響

通常情況下，層絞式光纜出廠時(shí)的衰減值為0.21 dB/km@1 550 nm；埋入地下施工后測量，光纜的衰減值一般在0.25 dB/km@1 550 nm左右；數(shù)年后，光纜的衰減值一般小于0.30 dB/km@1 550 nm。

根據(jù)本項(xiàng)目采用的基于干涉型分布式光纖傳感器要求，如果以衰減值0.25 dB/km@1 550 nm計(jì)算，系統(tǒng)的最大有效探測距離在40 km左右；如果以衰減值0.30 dB/km@1 550 nm計(jì)算，系統(tǒng)的最大有效探測距離在35 km左右。

以上分析表明，系統(tǒng)的有效探測距離與光纜質(zhì)量、光纜施工質(zhì)量密切相關(guān)。如果施工質(zhì)量差，會(huì)造成光纖衰減加劇、系統(tǒng)的有效探測距離相應(yīng)縮短。與此同時(shí)，還要考慮光纖隨時(shí)間增加、衰減值相應(yīng)增大的情況，留有一定的冗余，以備不時(shí)之需。

5　結(jié)束語

環(huán)境因素對管道安全預(yù)警系統(tǒng)性能有一定的影響，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

①土壤密度對探測靈敏度的影響：黏質(zhì)土壤密度大，探測范圍大，探測靈敏度高； 沙質(zhì)土壤密度小，探測范圍小，探測靈敏度低。

②土壤含水量對探測靈敏度的影響：土壤含水量小，探測靈敏度較高；土壤含水量大，探測靈敏度較低；土壤含水量對靈敏度的影響在10%～20%左右。

③光纜結(jié)構(gòu)對探測靈敏度的影響：層絞式結(jié)構(gòu)光纜比中心束管式結(jié)構(gòu)光纜更適用于管道安全監(jiān)測。

④光纜埋設(shè)條件對探測靈敏度的影響：光纜直埋能更大限度地發(fā)揮光纖傳感器的性能；光纜穿管埋設(shè)將降低探測靈敏度，對探測靈敏度的影響大約為20%。

⑤光纖平衡度對定位精度的影響：光纖平衡度較好的區(qū)域，定位精度較高；光纖平衡度較差的區(qū)域，定位精度相對降低。

⑥震源相對光纜位置對定位精度的影響：震源離光纜越近，定位精度越高；震源離光纜越遠(yuǎn)，定位精度越低。

⑦光纜質(zhì)量對有效探測距離的影響：光纖衰減值越小，有效探測距離越遠(yuǎn)；光纖衰減值越大，有效探測距離縮短。

該研究將為分布式光纖傳感器的信號分析和模式識別提供幫助，有助于分布式光纖傳感器在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

[1] 袁軍國.分布式馬赫-曾德干涉儀的原理與應(yīng)用研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2006.

[2] 施羿,封皓,曾周末.Φ-OTDR型分布式全光纖傳感器研究進(jìn)展[J].自動(dòng)化儀表,2017,38(7):70-74.

[3] 孫琪真,劉德明,王健.基于環(huán)結(jié)構(gòu)的新型分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)[J].物理學(xué)報(bào),2007,56(10):5903-5908.

[4] 封皓.基于雙Mach-Zenhnder干涉儀結(jié)構(gòu)的光纖管道安全預(yù)警系統(tǒng)建模及定位[D].天津:天津大學(xué),2011.

[5] 潘坤.應(yīng)用于石油管道安全檢測的分布式光纖傳感系統(tǒng)基礎(chǔ)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2011.

[6] 黎敏,廖延彪.光纖傳感器及其應(yīng)用技術(shù)[M].2版.武漢:武漢大學(xué)出版社,2012.

[7] 周琰,靳世久,曾周末,等.分布式光纖管道泄漏檢測及預(yù)警技術(shù)靈敏度分析[J].納米技術(shù)與精密工程,2008(9):372-375.

[8] 曾科宏,張金權(quán),王飛.光纖管道安全預(yù)警系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2011,32(5):1862-1865.

[9] 吳嬌.Mach-Zenhnder干涉儀在石油管道監(jiān)控中的應(yīng)用[D].北京:北京交通大學(xué),2011.