基于光纖光柵靜力水準傳感器的管道變形監測技術

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

截至2019年年底，我國油氣管道突破13萬km，根據《中長期油氣管網規劃》，到2020年全國長輸油氣管網規模將達到16.9萬km；到2025年，管網規模將達到24萬km。總體來說，我國已基本形成連通海外、覆蓋全國、橫跨東西、縱貫南北、區域管網緊密跟進的油氣骨干管網布局。油氣管道運營里程長且多為埋地管道，管道不可避免穿越復雜的軟土地基、凍土環境，存在發生管道變形導致管道開裂破壞的危險。管道變形是評價管道服役狀態最為重要的指標之一，開展管道變形監測，可以有效提高管道運營安全。

目前管道變形監測主要有人工巡檢、無人機遙測、管道機器人曲率監測以及基于應變監測的光纖傳感技術。其中人工巡檢、無人機遙測只能識別地面以上管道變形且無人機遙測技術的飛行距離較短[1]。管道機器人技術主要是依靠安裝在管道機器人上的曲率傳感器檢測管道各個位置的曲率然后重構管道變形形態，屬于檢測技術，檢測一次花費時間長且成本高[2]。基于應變監測的光纖傳感技術主要有局部光纖光柵傳感技術和分布式光纖傳感技術，通過監測管道長度方向或環向應變開展管道損傷或變形評估[3，4]。基于應變參量的管道安全評定方法是目前很有效的手段之一，但是在某些工況下，管道發生大的位移變形不一定對應大應變，且直接從應變計算管道位移存在一定的誤差。

鑒于此，本文提出采用光纖光柵靜力水準傳感器開展管道變形監測研究。基于光纖光柵波分復用功能構建具有多點準分布式監測的管道變形監測系統，并通過試驗驗證本監測方法的有效性。

1 光纖光柵傳感原理

光纖光柵是一種無源器件，作為傳感元件具有抗電磁場干擾、耐腐蝕、信號傳輸距離長等特點，特別適合油氣管道、儲罐等能源設施的安全監測。根據耦合模理論，光纖光柵布拉格中心反射波長λB為：

λB=2neffΛ

(1)

其中，neff,Λ分別為光纖有效折射率和光柵周期，已有研究表明光纖光柵有效折射率和周期均受施加在其上的溫度和應力場調制，當施加在光纖光柵上的溫度和應變同時變化時，光纖光柵中波長偏移量為：

ΔλB=KεΔε+KTΔT

(2)

其中,Kε,KT分別為光纖光柵應變靈敏度系數和溫度靈敏度系數；ΔλB,Δε,ΔT分別為布拉格中心波長偏移量，應變增量和溫度增量。已有試驗標定結果表明：Kε=1.2 pm/με，KT=10.8 pm/℃[5]。

由式(2)可知光纖光柵同時受溫度和應變調制，而管道所處環境年溫差往往變化大，因此實際工程測試中需要進行環境溫度補償。

光纖光柵傳感原理見圖1。

2 基于光纖光柵靜力水準傳感器的管道變形監測系統

圖2為基于光纖光柵靜力水準傳感器的管道變形監測系統示意圖。圖中多個光纖光柵靜力水準傳感器安裝在管道上方，每節管道安裝一個傳感器用于測量該節傳感器的變形，同時在地面上選擇一個不動點布設光纖光柵靜力水準傳感器作為參考點。基于波分復用技術，各個光纖光柵靜力水準傳感器可用一條光纖傳輸光纜串聯接入到光纖光柵解調儀中，光纖光柵解調儀讀取各個傳感器上的波長數據，然后通過有線或無線方式傳輸到管道變形分析中心計算管道各個位置的變形，并通過多點數據擬合方式重構管道線性。

為避免光纖光柵靜力傳感器能適應不同的地理環境，連通管中注入防凍液體。為防止傳感器長期使用防凍液損失的問題，需要定期補充防凍液并重新標定傳感器的變形系數。

3 管道變形監測試驗

本試驗在某油氣管道布設過程中在管道表面安裝了兩個光纖光柵靜力水準傳感器，傳感器通過機械夾持方式固定，整個安裝過程不帶電不帶火，如圖3a)所示。圖3b)為參考光纖光柵靜力水準傳感器安裝示意圖，為防止地面震動導致靜力水準傳感器測試誤差，該參考傳感器懸空固定在鋼板上，傳感器所在的位置為地面沉降為“0”的位置。圖4為用于管道測試的3個光纖光柵靜力水準傳感器的感知曲線，其中傳感器1為參考傳感器。各個傳感器的光纖光柵初始中心波長系數為1 536 nm，1 546 nm和1 556 nm，光纖光柵波長和位移的感知系數分別為-0.022 36 nm/mm，-0.023 55 nm/mm和-0.022 67 nm/mm，線性擬合系數均達到0.999 9以上。

圖5為各個傳感器近一個月的測試的位移數據，每天測試一次。因本管道屬于新埋入管道，管道服役期間基本上不會有變形，故各個傳感器監測的數據基本上保持不變，數據的擾動主要是環境溫度補償誤差和解調儀自身測試精度影響。選用的光纖光柵解調儀為帶有溫度自補償功能的傳感器。光纖光柵解調儀選用大連博瑞鑫科技有限公司的BRX-SA-C8型光纖光柵解調儀，測試精度±2 pm，采樣頻率3 Hz。

4 結語

基于光纖光柵靜力水準傳感器開展埋地管道變形監測，基于波分復用功能構建多點測試的管道變形監測系統，并在某油氣管道上安裝傳感器開展變形監測。測試結果表明：新建管道短期內的監測數據表明管道沒有發生變形，監測數據穩定可靠。