基于分布式光纖振動傳感的長輸埋地管道安全監測技術

何 欣

(中石油管道有限公司西氣東輸分公司南昌管理處，江西 南昌 330000)

0 引言

隨著我國經濟的快速穩定增長和“一帶一路”推動下，我國的油氣管道建設及運營里程取得了令世人矚目的成就。目前，我國油氣管道已經突破13萬km，西氣東輸、北油南進、西油東進、海氣登陸的輸送格局已經形成，尤其是2019年中俄東線天然氣管道的投產通氣，均成為推動我國經濟發展的能源動脈。油氣管道運營里程長，隨著城市建設的不斷發展，沿公路的建筑物不斷增多，致使管線經常遭受非法占壓破壞；此外不法分子非法開挖鉆孔盜油事故時常發生。譬如西氣東輸管道輸送的天然氣是易燃易爆物品，輸送壓力高(10 MPa)、輸送距離長(4 000 km)，沿線存在的非法占壓、開挖盜油等事故可能會導致管線爆裂，造成天然氣泄漏乃至明火燃燒爆炸。因此，有必要采取有效的監測手段對長輸埋地管道的非法占壓、開挖盜油等危害事件進行快速監測及定位，及時對管道安全進行預警，確保管道服役期運營安全。

目前長輸埋地管道監測參量主要包括管道變形、管道腐蝕以及管道泄漏等。基于上述參量的管道安全監測方法主要有人工巡檢、無人機遙測、負壓波技術、管道機器人以及光纖傳感技術。人工巡檢和無人機遙測技術存在效率低等問題且不能對埋地管道隱蔽段進行很好的檢測[1]。負壓波方法主要用于管道泄漏監測，通過安裝在管道兩端的動態壓力傳感器監測負壓波信號，基于負壓波波速和傳感器監測信號的時間，可以對泄漏點進行較高精度的定位[2]。管道機器人主要用于管道內壁狀態檢測，存在檢測周期長等問題[3]。光纖傳感技術具有抗電磁場干擾、信號傳輸距離長、無源傳感等優點，目前有采用分布式光纖布里淵傳感技術和光纖光柵應變傳感技術開展管道變形監測，取得了一定的工程效果[4-6]。上述已有測試技術屬于“事后監/檢測”技術，即管道已經發生了損傷，不能對諸如非法占壓，開挖盜油等危害管道安全的事件進行監測預警。

分布式光纖振動傳感技術可以實現數十公里連續的振動場的在線監測，在管道上方占壓或附近開挖等工程會產生一定的特征信號。鑒于此，本文采用分布式光纖振動傳感技術，基于此特征振動信號的監測對管道占壓和開挖事件進行安全預警，并通過試驗驗證了該方法的可行性。

1 長輸埋地管道分布式光纖振動傳感技術

分布式光纖振動監控系統利用光的干涉現象。當由聲音或物體振動產生的壓力施加于傳感光纜時，由于彈光效應導致傳感光纜的長度和折射率發生變化，從而引起傳感光纜中傳輸光的相位改變。通過光干涉儀，將光相位的改變轉換為光強度的變化，從而實現信號的解調。以普通通訊光纜本身作為傳感設備，可以檢測一根長達幾千米到幾十千米的光纖的振動情況和應變，空間采樣間隔僅1 m，檢測周期可達秒級。基于相位敏感光時域反射(Φ-OTDR)的干涉機理，系統的總體結構示意圖如圖1所示，主要由光調制解調儀、光探測模塊、信號采集器、協處理器、監測分析報警系統和傳感光纜等組成。

圖2為基于分布式光纖振動傳感技術的管道安全監測系統示意圖。系統的主要功能是采用同溝鋪設的光纖對長輸埋地管道沿線的振源進行在線監測，通過大量樣本學習，識別對管道具有危害的振源，如非法盜油、重載汽車穿越、占壓等，以達到及時預警的目的。

2 試驗驗證及數據分析

圖3為某長輸管道振動監測現場，壓路機在某油氣管道上方行駛對土體產生一定的振動，傳感器為該油氣管道通訊光纜中的冗余光纖。圖4為壓路機和模擬鉆孔工況得到的光纖振動信號。從圖4可以看到，鉆孔產生的振動信號強度(288)和影響區域(4 m)均小于壓路機產生的振動信號強度(585)和影響區域(85 m)，與實際情況相符。

3 結語

基于分布式光纖振動傳感技術構建了長輸埋地管道非法占壓、鉆孔監測系統，并在某油氣管道中進行了振動測試試驗。試驗結果表明該方法依據同溝鋪設的通訊光纜可以有效監測管道上方及附近位置的振動信息，并可實現較高精度的振源區域定位。