利用光纖技術實現油氣管道破損在線預警

孫俊

摘要：本文通過對現有的油氣管道預警檢測技術進行對比分析，對新型的光纖預警技術工作原理、應用環境、系統組成、現場檢驗等方面進行闡述、分析。利用光纖技術實現管線破損預警定位，是基于光纖干涉技術發展而成，通過檢測光纖中產生的散射和反射信號來進行判斷，經光電轉換和信號處理后，可以得到外界振動信號，從而判斷出報警類型與位置，保護油氣管道設施安全。

關鍵詞：油氣；管道；光纖；預警；定位

1概述

油氣資源作為一次能源的三大支柱之一，是一種潔凈環保的優質能源，熱值高，安全性較高，燒穩定，是保障國家安全的重要資源。我國的油氣管道具有點多、線長、地域廣的特點，為了有效防止油氣管道危害事件的發生，管道運營方面投入了大量的人力、物力，但是限于油氣管道距離長、沿途路況復雜、突發事件多等因素影響，實際效果并不理想。

2國內外常見預警技術分析

目前，在國內外較為常用的油氣管道破壞預警技術有準分布式光纖泄漏檢測、多光纖探頭遙測、光纖溫度傳感器檢漏等幾種，下面就這幾種技術的優缺點進行分析比較。

（1）準分布式光纖泄漏檢測法

NEC公司已研制出能在10Km油氣管道長度范圍內進行漏油檢測的傳感器，它對水不敏感，可在易燃易爆和高壓環境中使用。傳感器的核心部件由棱鏡、光發與光收裝置構成，當棱鏡底面接觸不同種類的液體時，光線在棱鏡中的傳輸損耗不同，根據光探測器接收的光強來確定油氣管道是否泄漏。這種傳感器的缺點是不能及時發現破壞事件，且只能檢測液體，對天然氣不適用。

（2）多光纖探頭遙測法

美國拉斯維加斯市的FCI環保公司開發的PETROSENSE光纖傳感系統，可對水中和蒸氣態的碳氫化合物總量進行連續檢測。在現場選擇配置1-16個探頭，探頭核心部分是一小段光纖化學傳感器，通過光纖包層選擇性地吸附碳氫化合物，使其折射率得到改變，從而使光纖中光的傳播特性發生變化，由此判斷泄漏位置。這項技術的缺點是在事件發生前無法預判，且施工復雜，后期維護費用高。

（3）塑料包覆石英光纖傳感器泄漏檢測法

塑料包覆石英光纖傳感器泄漏檢測法，當液體與光纖接觸滲透到包層，引起包層折射率變化，造成光纖傳輸損耗升高。當探測器的接收光強低于設定水平時，會觸發報警電路。這項技術需要特殊的光纖傳感器，設備造價昂貴，不適合長輸油氣管道。

（4）光纖溫度傳感器檢漏法

該技術通過分布式光纖溫度傳感器可連續測量沿油氣管道的溫度分布情況，檢測判斷油氣管道沿途的泄漏發生情況。利用光纖反stkoesRamna背向散射的溫度效應，光纖所處空間各點溫度場調制了光纖中傳輸的光載波，經解調將空間溫度場的信息實時顯示出來。但由于油氣管道周圍環境會形成一個溫度場，泄漏產生的溫度變化不會很明顯，因此該技術不能檢出微小的泄漏，另外，該方法檢測距離較短，不適用于長輸油氣管道的檢測。

3光纖預警定位技術原理

光纖預警定位技術屬于OTDR檢測技術的發展延伸，當外界有振動作用于傳感光纜時，引起光纜中纖芯發生形變，導致纖芯長度和折射率發生變化，繼而導致光纜中光的相位發生變化，成為一種攜帶外界振動信息的信號光，這種信號光反射回系統監測設備后，進行光學系統處理，經光電轉換和信號處理后可以得到外界振動信號，通過對振動信號的波形進行分析判斷出報警類型與位置。

3.1光纖預警工作原理

當有振動信號作用于信號光纖時，會產生明顯的干涉條紋，由干涉原理可知同頻率同振動方向的兩束光在任意點發生干涉時，該點的干涉光強為式3.1所示。

（3.1）

其中I1、I2分別為發生干涉的兩束光的光強，△φ為兩束光之間的相位差。通過后期的數據處理，我們就可以很清楚地得到外界應力的大小。通過對光纖輸出干涉光功率檢測獲得的數據進行分析，就可以獲得沿光纖路徑上壓力變化和振動信號的頻譜特征，判定是否有油氣管道泄漏、機械施工或人為破壞等事件的發生，實現故障類型判定。

3.2光纖定位工作原理

由以上原理可知，當有振動作用于信號光纖時，會產生明顯的干涉條紋，那么如何確定預警事件的位置呢？設定光纖總長度為L，光線在光纖中的速度為C，在光纖中的折射率為n，光纖在最末端形成的干涉信號返回時間t，由此可以列出公式3.2。

（3.2）

由于處在同一條光纖內，因此C與n為固定值，因此可以判斷，受外力干擾的信號位置為L1時，時間為t1，綜合可得如下公式3.3

（3.3）

由于L與t均可在現場實際測出，因此，只需要測量t1就可以確定預警事件發生的位置。

4系統組成與運行

4.1光纖預警定位系統設備組成

預警定位系統可以由傳感光纜、引導光纜、主控儀、操作臺這幾部分組成。其中，客戶端操作臺、主控儀位于站場機房內，引導光纜、傳感光纜安裝于室外，通過系統主機即可進行動態監測。

4.2油氣管道環境信息采集

采集油氣管道環境信息，屬于設備自檢期，設備運行檢測油氣管道周邊環境信息值，由于背景噪聲不同，顯示出各種報警信息，此時的報警信息屬于適應油氣管道周邊各穿越區域的背景噪聲期，不具備實際的報警價值。系統運行調試期，進行頻譜和報警值綜合分析，對試驗油氣管道沿線特征、不同地理位置的報警閾值特征，自動進行報警閾值相應設定。系統正式運行期，在此期間，系統報警數據逐步降低的趨勢，系統運行趨于穩定，報警信息準確。

5 結論

光纖預警定位技術利用油氣管道同溝鋪設光纖作為傳感器，拾取油氣管道沿途的振動信號，通過對振動信號的采集、處理和分析，對油氣管道周圍發生破損實現了有效監測。該技術利用現有的資源，效果好、智能化高、安裝與維護簡單，能夠確保油氣管道在遭受破壞前預警與定位，可以及時制止油氣泄漏等危險事件發生，最大限度降低人員傷亡、環境污染、國家或企業財產損失，保證油氣管道安全穩定運行。

參考文獻

[1]杭利軍，何存富，吳斌等，基于Sagnac光纖干涉儀的管道泄漏檢測和定位技術.關學技術，2007（9）：651-653

[2]郭兆坤，鄭曉亮，陸兆輝，等. 分布式光纖溫度傳感技術及其應用[J]. 中國電子科學研究院學報，2008（5）：543-546.

[3] 周新. 天然氣管道在線預警與定位技術應用研究. 價值工程. 2014（05）：68-69

（作者單位：中石油遼河油田錦州采油廠）