光纖傳感檢測技術的效能評價

王曙光

1. 山東省天然氣管道有限責任公司, 山東 濟南 250101;2. 中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院, 山東 青島 266000

0 前言

近年來,隨著經濟水平的不斷發展,城市規模不斷擴大,城鄉結合速度加快,給天然氣管道運營維護帶來了占壓、蠻力施工等問題。大部分天然氣管道在設計時,基本都處于一類和二類地區,現在卻逐步演變為三類和四類地區,保障管道安全平穩運行,為沿線城鄉居民源源不斷地順利輸送清潔能源,成為考驗天然氣管道企業運營水平和管理能力的重要依據。

目前,天然氣管道保護基本采取人工巡護和部分管段架設監控等措施,不能實現全部管道的實時監控[1],新技術的引用迫在眉睫。近兩年,全國各天然氣管道企業已引入了許多新技術,如無人機巡護、光纖傳感技術[2-5]等。本文對光纖傳感檢測技術的應用及準確性的檢測[6]進行了總結,研究成果對提高天然氣管道企業運營水平和管理能力具有重要意義。

1 管道概況

山東省天然氣管道有限責任公司膠州站到膠西站天然氣管道于2007年12月建成投產,全長22.4 km,沿途經過膠州市膠北鎮、膠西鎮,地形地貌以平原為主。該段主管道規格為508 mm×8.7 mm,材質L 390螺旋縫埋弧焊鋼管,設計壓力6.3 MPa,管道防腐采用普通級三層PE加陰極保護聯合防腐技術,同時敷設8芯光纜(型號GYTA 53-8 B 1)。該管道穿越小新河、十米河等中型河流2條,穿越膠濟鐵路、膠新鐵路等鐵路2處,穿越325省道高級公路1處。該管道內天然氣溫度約14～16 ℃。光纜敷設在管道右下方(沿氣流方向),埋深1～3 m,光纜總長度25 km,尚余6芯未用(其中2芯備用)。

2 方案設計

光纖傳感檢測技術利用光纖振動檢測[7-9]和溫度檢測[10]原理,對管道全線振動和溫度場變化情況的實時檢測[11-15],實現對管道入侵、泄漏事件[12-15]的早期介入,避免事態擴大和減少事故發生。

2.1 分布式光纖振動檢測方案設計

分布式光纖傳感振動檢測系統主機檢測距離可以達到30 km,該管道長度22.4 km,同溝鋪設的光纜總長度25 km。在膠州站配置1臺振動主機連接1芯光纖,在膠西站光纖尾端接入1個反射模塊,即可完成管道第三方外力入侵檢測[16-17]。光纖振動檢測主機配置見圖1。

2.2 分布式光纖溫度檢測方案設計

分布式光纖溫度傳感檢測系統主機能檢測最大距離約10 km,擬在膠州站、膠西站分別配置1臺溫度傳感主機,分別占用1條空閑的光纖(共2芯),完成該管道的泄漏監測[16-17]。光纖溫度檢測主機配置見圖2。

圖1 光纖振動檢測主機配置

圖2 光纖溫度檢測主機配置

3 效能評價

效能評價[18]主要通過入侵模式識別測試和溫度測試獲得，主要用于總結光纖傳感檢測技術對天然氣管道入侵泄漏狀態的實時檢測、定位的效果，探索用于天然氣管道入侵泄漏狀態的預警[19-20]和報警。

3.1 設備布置

1)現場監控中心設在膠州站監控室,進行系統整體運行情況展示。現場配有1臺54 in(1 in=33.33 mm)液晶顯示器作為監控屏。

2)將1臺振動傳感主機、2臺溫度傳感主機及機柜,按測試要求安放在膠州站或膠西站機房,使用2芯空閑光纖(一芯光纖直接接入溫度傳感主機、一芯直接接入振動傳感主機)進行測試。

3)監控中心配置2臺服務器,1臺數據庫服務器,1臺WEB服務器。

設備配置見圖3,系統總體架構見圖4。

圖3 設備配置示意圖

圖4 系統總體架構圖

3.2 測試準備

3.2.1 測試光纜連接

將分布式光纖振動檢測所需光纜與分布式光纖振動檢測系統進行熔接,再將尾端光纜與光反射模塊進行熔接。

3.2.2 現場試驗環境

測試地點距離膠州站約1.4 km,該處在農田中間的1條土質路面附近,便于開挖。

3.3 測試結果

3.3.1 分布式光纖振動傳感系統測試

分布式光纖振動傳感系統測試時間為2015年1月。

3.3.1.1 測試目的

1)測試分布式光纖振動傳感系統檢測入侵信號的靈敏度及定位[2]的準確度。

2)現場進行挖掘機挖土、鐵锨鏟土和電鉆打孔等試驗,采集不同入侵類型的振動數據形成不同入侵源的振動樣本,然后由系統對樣本數據進行處理,建立入侵模式識別庫。

3)進行挖掘機挖土、鐵锨鏟土和電鉆打孔等不同入侵類型,對入侵信號進行模式識別,確定振動源,檢驗模式識別的精度。

3.3.1.2 樣本數據采集測試

現場進行電鉆打孔、挖掘機挖土、鐵锨鏟土等試驗,并定義6種類型入侵:電鉆打孔、挖掘機挖土、鐵锨鏟土、錘子捶地、火車駛過和重型車經過,分別編號為1、2、3、4、5、6號。管道未入侵情況下的檢測曲線見圖5。

圖5 無入侵情況下檢測曲線

3.3.1.3 模式識別測試

1)電鉆打孔現場試驗

在管道旁放置一段鋼管,使用電鉆對鋼管打孔,模擬打孔盜氣。光纖傳感檢測系統對電鉆打孔的振動信號進行自動檢測,并對入侵源進行識別和定位。電鉆打孔現場照片見圖6。

通過測試,系統能夠檢測到入侵信號,入侵類型為1號,實現管道預警[19-20]。入侵振動類別識別情況見圖7。

圖6 電鉆打孔現場照片

圖7 入侵振動類別識別情況

2)挖掘機挖土入侵試驗

在管道旁邊5 m處,用挖掘機進行挖土,對挖掘機挖掘振動信號進行檢測,并對入侵源進行識別。通過測試,系統能夠檢測到入侵信號。挖掘機挖掘現場見圖8,挖掘機挖掘檢測情況見圖9。

圖8 挖掘機挖掘現場

圖9 挖掘機挖掘檢測情況

3)鐵锨鏟土入侵測試

在管道附近用鐵锨鏟土測得振動信號。鐵锨鏟土檢測情況見圖10。

圖10 鐵锨鏟土檢測情況

4)錘子捶地入侵測試

在管道附近用錘子捶地能夠測得振動信號,通過模式識別,測得入侵類型鐵錘,識別正確并且入侵地點的定位誤差在10 m內。錘子捶地檢測情況見圖11。

圖11 錘子錘地檢測情況

5)火車駛過的入侵檢測及模式識別

14.7 km處測得有火車經過,由管道實際鋪設地理位置可知,此處為火車道,系統能夠對火車駛過的入侵進行準確地檢測和定位,并能夠正確識別。GIS報警軟件火車駛過檢測情況見圖12。

圖12 火車駛過檢測情況

6)重型車經過

9.3 km處測得有重型車經過,由管道實際鋪設地理位置可知,此處為公路路口,車輛頻繁駛過,識別正確。GIS報警軟件重型車經過檢測情況見圖13。

圖13 汽車經過檢測情況

3.3.1.4 測試結論

1)分布式光纖振動傳感系統能及時靈敏地檢測到6種入侵振動信息并準確進行定位,定位誤差為20 m。工作人員可在第一時間發現偷盜采行為,做出有效處理。

2)系統對電鉆打孔、重型車經過和火車駛過入侵的識別率較高,能夠進行一定程度的模式識別。

3)針對入侵源識別不準確問題,應從以下方面對入侵源模式識別進行改進:加大模式識別數據采集量,大量采集挖掘機、鐵锨、錘子在不同地點的入侵數據,進行模式分析和模式庫建立,提高識別精度。

3.3.2 溫度傳感系統測試

溫度傳感系統測試時間為2015年1月。

3.3.2.1 溫變測試一

光纜挖出后,暴露在環境中一段時間,使之與環境溫度基本相同,隨后為光纜附近敷上蓄水棉,進行澆水試驗,測試周圍溫度變化。

測試點距離工控機站約1.4 km,土壤溫度5.7 ℃,空氣溫度8.8 ℃,測試光纜長度1.2 m,穩定后澆水的鎧裝光纜表層溫度26 ℃,所測穩定后溫度17.4 ℃,第一次澆水反應時間1～2 min,管道、光纜、澆水位置見圖14。

圖14測試結果：燒水時，溫度明顯升高，系統給出了高溫報警提示，溫度升高檢測結果見圖15。隨著蓄水棉溫度逐漸降低，檢測曲線上的溫度突變點逐漸消失，溫度降低檢測結果見圖16。

圖14 溫度測試示意圖

圖15 溫度升高檢測結果簡圖

圖16 溫度下降檢測結果簡圖

3.3.2.2 溫變測試二

測試點距離工控機站約1.4 km,土壤溫度5.1 ℃,空氣溫度9.3 ℃,測試光纜長度1.2 m,穩定后澆水的鎧裝光纜表層溫度25 ℃,所測穩定后溫度19.4 ℃,澆水反應時間2～3 min。遠程服務端同步顯示情況見圖17。

圖17 溫度檢測結果簡圖(第二次升溫過程)

從圖17可看到,溫度產生了明顯的突變，與溫度測試的結果基本一致。

3.3.2.3 測試結論

1)在實驗室理想環境下,溫度傳感系統的最大檢測距離達24 km;但在實際環境中,由于光纖的熔接等原因,實際可穩定檢測的有效距離約15 km。

2)在溫度發生變化后,能夠進行準確地檢測、定位和報警。

4 結論與建議

4.1 結論

1)分布式光纖振動傳感系統能夠檢測到日常的入侵事件,定位誤差在20 m左右。

2)能夠對電鉆打孔、火車駛過和重型車經過進行入侵源識別,對挖掘機挖掘、鐵锨挖掘、錘子敲擊的入侵類型識別尚需進一步完善。

3)溫度傳感系統能夠對管道溫度變化帶來的異常進行檢測、報警和準確定位,定位誤差為10 m。

4)通過測試,數據能夠傳輸到監控中心并實現管道入侵、泄漏狀態的實時檢測、預警、報警和定位,在一定程度上能夠對管道進行有效的防護。

4.2 建議

1)進一步論證和評估光纜分布位置以及光纜偏移量對檢測效果的影響。

2)增加分區域檢測、屏蔽干擾信息和自動識別有效信息的功能。