光纖傳感及其在管道監測中應用研究

李先良

【摘 要】作為能源運輸的重要介質，管道危險性較高，具有易燃、易爆和易腐蝕等特點，如果出現問題，會造成較為嚴重的后果，因此，油氣管道安全運行管理工作非常重要。為確保管道的安全性，必須加強管道監測，從而及時發現管道損傷問題。光纖傳感技術具有高效、準確的監測作用，在管道監測中具有重要應用價值。本文對光纖傳感技術進行了簡單分析，并探討了光纖傳感技術在管道監測中的應用。

【關鍵詞】光纖傳感；管道監測；應用

引言：

長輸油氣管道是國家重點工程之一，關系到我國經濟建設與社會發展，同時也是滿足人們日常生活需要的公用設施，其運行的安全性與穩定性直接影響到國家能源安全。全面保證長輸油氣管道運行安全，有利于維護社會穩定、推動經濟建設。目前，管道通常采用無損檢測技術進行檢測，如管體腐蝕和焊接缺陷檢測、油氣管道內外檢測等，但無損檢測技術采用的是離線檢測方式，無法對管道缺陷引發的侵害提前予以識別并進行報警，來防止損害發生。隨著光導纖維和光纖通信技術的發展，光纖傳感技術得到應用，具有分布式、長距離、實時性、耐腐蝕、抗電磁、輕便靈巧等優點，成為管道監測領域中的研究熱點。

一、光纖傳感技術分析

（一）基本原理

光纖是光導型纖維材料的總稱，具備尺寸小、質量輕便、安裝條件寬泛、使用年限長等優勢，制作原材料類型豐富，便于鋪設及市場推廣，不僅能保護環境，減少金屬資源浪費，還能節約成本投入。光纖傳感技術是以光波為載體、光纖為媒質、感知和傳輸外界被測信號的新型傳感技術。光纖傳感技術的基本原理為：將來自光源的光經過光纖送入調制器，使待測參數與進入調制區的光相互作用后，導致光的光學性質（如強度、波長、頻率、相位、偏振態等）發生變化，再經過光纖送入探測器，經解調后獲得被測參數。

（二）技術特點

第一，抗干擾性，光纖傳感技術在信號傳播過程中不會受到任何的電磁干擾，也不會給外界的電磁場造成影響，非常安全可靠，這些特點使光纖傳感技術在惡劣環境中、油氣管道中、高壓高溫和強腐蝕環境中能進行快速準確的信號傳輸；第二，靈敏性，長光纖和光波干涉技術的靈敏度要比一般的傳感器高，實踐證明，在測量轉動、水聲、加速度、位移、溫度、磁場等物理量時，光纖傳感技術具有較高的靈敏度；第三，功能強大，光纖傳感技術應用于油氣管道中，可以監測各種參數，包括溫度、壓力、位移、速度、加速度、液面、流量、振動、水聲、電流、電場、磁場、電壓、雜質含量、液體濃度、核輻射等各種物理量、化學量。

（三）常見技術

第一，分布式光纖傳感技術，利用感測光纜對沿光纖分布的被測量進行連續測量，同時獲取被測量的空間分布狀態及其隨時間變化的數據信息，OTDR技術是實現分布式光纖傳感的關鍵技術，如圖1所示，它的基本原理是光源發出的光在沿光纖向前傳輸的過程中產生后向散射，后向散射光強在向后傳播過程中隨著距離增長而按一定規律衰減，在光速不變的情況下，距離與時間成正比，因此，根據探測器探測到的后向散射光強及其到達探測器的時間，就可以知道沿光纖路徑上任一點的初始后向散射光強，可實現對沿光纖線路監測問題點的定位；第二，光纖光柵傳感技術，該技術近些年在國內外傳感領域都受到極大關注，光纖光柵是纖芯中具有折射率周期性變化結構的光纖，因而具備光波波長選擇功能，基于光纖光柵傳感開發的主要產品有光纖布拉格光柵（FBG）傳感器，其折射率、調制深度和光柵周期都是常數，具有結構簡單、非傳導性、波長編碼、高靈敏度、高分辨率等諸多優點；第三，光纖智能化傳感，隨著新的傳感技術不斷出現，特別是光纖傳感、通信及計算機技術的深入發展及融合交叉，極大促進了光纖傳感及相關領域的智能化發展，如使用單片機、虛擬儀器及多層次計算等實現智能化數據控制處理，同時，光纖傳感網絡促進智能材料和智能結構的發展，光子晶體光纖促進光子晶體的發展等。

二、光纖傳感技術在管道監測中的應用

（一）管道運行現狀分析

從目前管道安全運行管理的主要問題來看，管道腐蝕及破裂絕對是其中最為嚴重的問題。埋藏在地下的管道一旦遭遇酸性土壤，管道被氧化的程度將會大大增加，很容易出現管道腐蝕的情況，而那些暴露在野外的管道，更是受到酸雨等自然因素的侵蝕。由于長輸油氣管道通常所處的土壤環境都非常復雜，并且輸送的油氣資源的腐蝕性也很強。因此，不管是長距離輸送油氣的管道內壁還是外壁都極易被腐蝕，如果出現腐蝕穿孔的情況，就會造成大量油氣泄漏，這不僅會導致輸送中斷，而且還會造成嚴重的環境污染問題。

（二）光纖傳感技術在管道監測中的應用

1.管道應變/變形監測

油氣管道傳輸距離長，冷熱變形量大，在長期服役過程中容易受到地質災害，如地基沉降、沿線滑坡、凍脹融沉等不利因素而引起變形，因此需要對管道進行實時變形監測。分布式光纖傳感技術采用光纜作為傳感和信號傳輸元件，當有外界因素對光纜和管道產生作用時，會引起光纖產生一定的應變，從而導致光纜長度和纖芯折射率發生變化。當光纜中有光通過時，則會使得光信號相位等參數發生變化，傳感光纜把這種相位變化信息傳輸至信號處理中心并進行處理，得到傳感光纜周圍的外界作用變化和作用點，從而對外界作用事件進行監控。分布式光纖管道監測技術屬于長距離、低靈敏度的靜態監測，因此對了解管道結構性能的整體變化趨勢較為適用。

2.管道泄露監測

管道由于人為穿孔或破壞引起的泄漏，不僅造成自然資源的浪費、環境污染，而且容易發生火災、爆炸等災難性事故，危害工農業生產和人民生活。因此，及時、準確地發現泄漏及其位置具有重大意義。溫度、壓力和流量是對流體管道進行漏泄檢測、泄漏定位和生產控制所需要的基本數據。對于輸油/氣管道或熱力管道，當高溫、高壓的液體泄漏時會導致周圍的溫度升高，而氣體泄漏時周圍溫度將降低，根據這一性質可將光纖光柵準分布式傳感系統和分布式光纖溫度傳感器系統應用到管道泄漏檢測中。結合熱力管道泄漏處的溫度場變化規律，利用FBG溫度傳感器的溫度特性可以對熱力管道關鍵點溫度進行連續監測，從而及時發現泄漏。

三、結束語

總而言之，管道輸運是現代工業和國民經濟的命脈，具有運量大、連續、經濟、平穩、占地少、費用低等諸多優點，被譽為五大運輸方式之一。由于油氣的高壓、易燃特性，對運輸管道要求特別高，管道事故一旦發生就會給社會造成巨大的環境污染和經濟損失。因此，相關單位要積極應用光纖傳感技術加強管道監測，對管道事故發生點進行精確定位，進而確保管道運輸安全。

【參考文獻】

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