分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在管道泄漏檢測(cè)中的應(yīng)用

鄭小梅，王榮昌,*，張榮斌，馬暉斌，韓 明，陸海濤

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，同濟(jì)大學(xué)長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092；2.嘉興市聯(lián)合污水管網(wǎng)有限責(zé)任公司，浙江嘉興 314000)

管道運(yùn)輸是借助管道輸送氣體、液體等流體的運(yùn)輸技術(shù)。近年來(lái)，該技術(shù)發(fā)展迅速，因其運(yùn)輸量大、占地少、管道運(yùn)輸建設(shè)周期短、費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于能源、市政建設(shè)和水利灌溉等領(lǐng)域，已成為陸上水、油、氣的主要運(yùn)輸方式，與鐵路、公路、水運(yùn)、航空運(yùn)并列為當(dāng)今世界的五大運(yùn)輸方式，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展有著舉足輕重的作用[1]。實(shí)際工程應(yīng)用中的管道多埋藏在地下，且距離長(zhǎng)，長(zhǎng)期埋藏在地下的管道易受周圍環(huán)境的腐蝕、地質(zhì)下沉和地面車輛壓力、人為損壞等外力的破壞，從而發(fā)生泄漏事故[2-5]。保證管道運(yùn)輸?shù)陌踩蔷S持管道正常運(yùn)作的基本要求。因此，必須對(duì)運(yùn)輸管道的健康情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保管道的運(yùn)作安全。

傳統(tǒng)的管道泄漏檢測(cè)方法包括人工巡檢、平衡法、負(fù)壓波法和應(yīng)力波法等[6-7]，這些方法都是在管道發(fā)生泄漏時(shí)或泄漏后進(jìn)行檢測(cè)，存在定位難、距離短、成本高等缺陷，且沒(méi)有預(yù)警功能。近年來(lái)，以光纖為傳感元件及傳光介質(zhì)的新型傳感技術(shù)克服了傳統(tǒng)技術(shù)的不足，為管道泄漏的檢測(cè)提供了一個(gè)新思路[8]。基于光纖傳感器具有防腐蝕、重量輕體積小、每個(gè)感應(yīng)點(diǎn)均不需電能、免疫電磁干擾、靈敏度高、可實(shí)現(xiàn)分布式等優(yōu)勢(shì)[9-10]，英國(guó)南安普敦大學(xué)于1981年首次提出分布式光纖傳感系統(tǒng)成為中國(guó)管道檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛和最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)手段之一[11]。實(shí)際工程中的輸送管道一般經(jīng)過(guò)的地形復(fù)雜多樣，途經(jīng)山川、河谷、鐵路、公路等，而沿管道敷設(shè)的分布式光纖傳感系統(tǒng)可提供全線連續(xù)的溫度監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離的傳感監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送管道全方位的監(jiān)測(cè)，保證管道的安全運(yùn)行。分布式光纖傳感系統(tǒng)基于不同的光纖測(cè)溫原理可分為3類：分布式瑞利光纖溫度傳感器、分布式拉曼光纖溫度傳感器和分布式布里淵光纖溫度傳感器[12]。自英國(guó)的Hartog首次以半導(dǎo)體激光器為光源，成功研制出分布式拉曼光纖溫度傳感器試驗(yàn)裝置以來(lái)，分布式拉曼光纖溫度傳感技術(shù)不斷發(fā)展，在工程上已處于成熟階段[13]。2002年，德國(guó)柏林地區(qū)在修建地下儲(chǔ)氣庫(kù)時(shí)伴隨大量鹽水的產(chǎn)生，鹽水需要輸送到指定地點(diǎn)進(jìn)行處理，該項(xiàng)目采用GESO公司開(kāi)發(fā)的管道泄漏系統(tǒng)檢測(cè)鹽水輸送管道。光纖被埋在距離管道下方10 cm的沙子中，采用2臺(tái)采集儀串聯(lián)的方式采集溫度數(shù)據(jù)，每30 min采集儀將數(shù)據(jù)傳送到中央控制電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并在檢測(cè)到泄漏時(shí)生成警報(bào)，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)發(fā)送警報(bào)、生成報(bào)告、定期重置和重新啟動(dòng)測(cè)量，幾乎不需要維護(hù)。2013年，Mirzaei等[14]利用光纖傳感技術(shù)進(jìn)行石油模擬泄漏試驗(yàn)，根據(jù)拉曼散射和布里淵散射原理檢測(cè)管道周圍的土壤溫度變化，從而判斷泄漏點(diǎn)的位置。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)模型計(jì)算，還提出了一種通過(guò)光纖泄漏傳感器測(cè)量泄漏流量的方法。Wang等[15]設(shè)計(jì)了一種分布式差分溫度傳感器，該技術(shù)幾乎可以瞬間檢測(cè)出光纖中的差分溫度，從而對(duì)流體運(yùn)輸管道的泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。2020年，Zhou等[16]采用溫度傳感器和纖維陣列收集土壤溫度的變化，對(duì)地下管道的高壓天然氣進(jìn)行泄漏測(cè)試，研究了滲漏孔周圍土壤溫度的變化規(guī)律，結(jié)合數(shù)值計(jì)算，建立了最現(xiàn)實(shí)的泄漏模型，為氣體管道泄漏的光纖溫度檢測(cè)提供指導(dǎo)。分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在各類流體運(yùn)輸管道測(cè)漏領(lǐng)域的應(yīng)用擁有巨大的潛能。本文從分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的特點(diǎn)、工作原理、光纖的敷設(shè)方式和實(shí)際應(yīng)用案例分析等方面對(duì)其在管道泄漏檢測(cè)的應(yīng)用進(jìn)行論述和分析。

1 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的基本原理

光從不均勻的介質(zhì)中通過(guò)時(shí)，一部分光的前進(jìn)方向會(huì)發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為光的散射。光纖中光的散射分為：瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射(散射光譜如圖1所示)，其中瑞利散射對(duì)溫度的敏感度很低，目前較少應(yīng)用于測(cè)溫技術(shù)中；布里淵散射存在偏振相關(guān)性問(wèn)題，實(shí)際工程中應(yīng)用較少；拉曼散射感溫靈敏且易與入射光分離開(kāi)，被廣泛應(yīng)用于管道泄漏檢測(cè)的實(shí)際工程中[17]。拉曼散射是一種非彈性反射現(xiàn)象，是光與傳輸介質(zhì)中分子的振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)模式相互作用的結(jié)果[18]。如若向光纖中打入一束激光脈沖，能量在構(gòu)成物質(zhì)分子的能級(jí)和入射光之間傳遞[19]，激光在光纖內(nèi)部產(chǎn)生折損和消耗，而反射回入射端的散射光中包括斯托克斯光和反斯托斯克斯光，斯托克斯光與感溫不敏感但反斯托斯克斯光的強(qiáng)度與溫度成等比效應(yīng)，反斯托克斯光與溫度之間的函數(shù)關(guān)系如式(1)[20]。

圖1 光纖中的3種后向散射光譜[21]Fig.1 Three Types of Backscattering Spectra in Fiber[21]

(1)

式(1)取對(duì)數(shù)可得式(2)。

(2)

其中：Lm——反斯托克斯光的光強(qiáng),cd；

Ln——斯托克斯光的光強(qiáng),cd；

h——布朗克系數(shù)；

c——光速,m/s；

α——與溫度有關(guān)的系數(shù)；

v——拉曼平移量，m-1；

k——鮑爾次曼常數(shù)，J/K；

T——溫度,℃。

因此，對(duì)反射回來(lái)的散射光進(jìn)行過(guò)濾，提取影響其強(qiáng)度、頻率、相位、偏振或光譜內(nèi)容的物理參數(shù)，并通過(guò)計(jì)算分析即可得到光纖上的溫度分布[22]。

光時(shí)域反射技術(shù)主要運(yùn)用于光纖測(cè)溫技術(shù)的定位工作中。光源向光纖發(fā)送一束激光脈沖，脈沖在前進(jìn)的過(guò)程中不斷地與周圍的光纖發(fā)生碰撞，產(chǎn)生的散射光返回入射端，通過(guò)計(jì)算檢測(cè)到反射光與發(fā)射光的時(shí)間差，即可定位光纖中發(fā)出反射光的位置，計(jì)算如式(3)。

(3)

其中：c——光在真空中的傳播速度,m/s；

n——光纖的折射率；

t——反射光與發(fā)射光的時(shí)間差,s。

分布式拉曼光纖測(cè)溫系統(tǒng)的工作原理是結(jié)合光在光纖中的拉曼散射和光時(shí)域反射技術(shù)，如圖2所示。光纖測(cè)溫系統(tǒng)由用戶軟件、激光光源、信號(hào)接收器、波分復(fù)用器、光電轉(zhuǎn)換器和感溫光纖組成。其工作原理是：管道泄漏會(huì)引起管壁和周圍土體的振動(dòng)，以及介質(zhì)和溫度的變化，如果將感溫光纜沿管道敷設(shè)，光纖感應(yīng)到管道泄漏溫度變化后，對(duì)激光源的激光產(chǎn)生反射光感應(yīng)信號(hào)，傳回信號(hào)接收器。隨后，波分復(fù)用模塊將拉曼散射中對(duì)溫度不敏感的斯托克斯光和對(duì)溫度敏感的反斯托克斯光分離，經(jīng)由光電轉(zhuǎn)換器將分離開(kāi)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳送給信號(hào)處理模塊；信號(hào)處理模塊采集電信號(hào)并通過(guò)信號(hào)變化檢測(cè)出光功率的變化量，將數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比，判斷管道是否發(fā)生泄漏。終端管理平臺(tái)為接警管理平臺(tái)，用戶軟件實(shí)時(shí)顯示溫度分布曲線和待測(cè)區(qū)域報(bào)警狀態(tài)，可根據(jù)實(shí)際工況分區(qū)設(shè)置多級(jí)報(bào)警閾值，一旦監(jiān)測(cè)到檢測(cè)部位環(huán)境溫度值或溫升速率超過(guò)設(shè)定的警戒值，用戶軟件會(huì)把超限值報(bào)告的報(bào)警信息傳送給接警平臺(tái)，發(fā)出警報(bào)，同時(shí)，手機(jī)短信及時(shí)通知管理人員。

圖2 分布式拉曼光纖測(cè)溫系統(tǒng)的組成Fig.2 Composition of Distributed Raman Optical Fiber Temperature Measurement System

2 光纖傳感器的敷設(shè)方式

分布式拉曼光纖測(cè)溫系統(tǒng)中的整根光纖既充當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸介質(zhì)，又被用于管道沿線的溫度探測(cè)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)管道的全方位監(jiān)測(cè)，對(duì)每個(gè)點(diǎn)的報(bào)警探測(cè)可實(shí)現(xiàn)定溫、差溫和溫度均勻程度3種方式的任意混合，保證報(bào)警的可靠性。因此，合理的光纖安裝方式為整個(gè)光纖測(cè)溫系統(tǒng)的正常運(yùn)作提供可靠保障。針對(duì)不同功能的輸送管道，光纖的安裝方式也各不相同。常見(jiàn)傳感光纖一般敷設(shè)于管道底部延伸線距離管道側(cè)面垂直線交點(diǎn)30 cm處；施工條件允許的情況下，也可將光纖緊貼管道敷設(shè)；在一些特殊的工程中也可采用光纖內(nèi)置分布的安裝方式?？偠灾?，光纖的敷設(shè)方式要結(jié)合實(shí)際工程背景進(jìn)行確定。管道泄漏引起周圍環(huán)境的溫度變化與管道運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)及管道所處環(huán)境密切相關(guān)，例如，埋地石油管道和輸水管道泄漏時(shí)介質(zhì)向下方土壤滲透，導(dǎo)致管道下方的溫度異常，此時(shí)管道下部是敷設(shè)光纖的最佳位置；而當(dāng)管道處于水下時(shí)，管道泄漏往往導(dǎo)致石油上浮，此時(shí)光纖的理想敷設(shè)位置則與上述情況相反；當(dāng)運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)為氣體時(shí)，敷設(shè)光纖的最佳位置在管道正上方，因?yàn)闊o(wú)論泄漏點(diǎn)在何處，此位置接觸到泄漏氣體的可能性最大。張琨鵬等[23]基于分布式光纖測(cè)溫傳感技術(shù)，在設(shè)計(jì)針對(duì)發(fā)電企業(yè)供熱管網(wǎng)的智能型全程溫度場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)時(shí)，采用了兩種不同的安裝方式，即以閥門前后多匝感溫光纖纏繞方式敷設(shè)和管道保溫層同軸內(nèi)外方式敷設(shè)的辦法。如圖3(a)所示，纏繞式安裝方式利用了光纖自身的柔韌性，直接貼近管道外壁螺旋狀固定，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的360°泄漏監(jiān)測(cè)。如圖3(b)所示，光纖內(nèi)外雙層布置方式常見(jiàn)于保溫層中，保溫層內(nèi)外各均勻布置等量獨(dú)立的光纖，通過(guò)對(duì)比保溫層內(nèi)外的實(shí)時(shí)溫度差與初始溫度差，判斷保溫是否失效。如圖3(c)所示，邱偉豪等[24]直接將感溫光纖植入電纜，以檢測(cè)導(dǎo)體和絕緣層溫度分布為直接檢測(cè)導(dǎo)體和絕緣層溫度分布。趙亞等[25]將傳感光纖布放在距泄漏點(diǎn)5 mm的試驗(yàn)管道表面，研究分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在自來(lái)水管道泄漏檢測(cè)與定位中的應(yīng)用[圖3(d)]。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)用于污水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)外來(lái)水量滲入方面，采用直接將整根光纖布置在污水管道內(nèi)部的安裝方式，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。因此，根據(jù)不同功能的運(yùn)輸管道及測(cè)漏對(duì)象，選擇理想的光纖敷設(shè)方式顯得尤為重要。

圖3 感溫光纖測(cè)漏安裝工藝結(jié)構(gòu) (a)纏繞方式結(jié)構(gòu)；(b)雙層布置結(jié)構(gòu)；(c)內(nèi)置結(jié)構(gòu)；(d)外置結(jié)構(gòu)Fig.3 Temperature-Sensing Optical Fiber Leak Detection Installation Process Structure(a) Winding Structure; (b) Double-Layer Arrangement Structure; (c) Built-In Structure;(d)External structure

3 光纖測(cè)溫技術(shù)在管道泄漏檢測(cè)中的應(yīng)用案例

分布式光纖測(cè)溫技術(shù)是一項(xiàng)新技術(shù)，其在管道泄漏檢測(cè)中的典型應(yīng)用案例如表1所示。光纖測(cè)溫技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于各類氣體和液體運(yùn)輸管道的腐蝕和泄漏檢測(cè)，管道運(yùn)輸介質(zhì)主要包括自來(lái)水、冷卻水、鹽水、石油、天然氣、乙烯等。實(shí)際工程中使用的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的工作原理，大多是基于拉曼散射和光時(shí)域反射技術(shù)。目前，市場(chǎng)上存在各種規(guī)格的光纖可供選擇，且光纖的測(cè)溫范圍較廣。現(xiàn)有光纖測(cè)溫系統(tǒng)的精度能達(dá)到較高水平，測(cè)溫精度大多在1 ℃左右，定位誤差范圍在1 m以內(nèi)，測(cè)量響應(yīng)在幾秒內(nèi)就能完成，充分說(shuō)明拉曼光纖測(cè)溫系統(tǒng)檢測(cè)管道泄漏技術(shù)穩(wěn)定可靠、技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，為管道運(yùn)輸安全提供了重要保障。實(shí)際工程的光纖敷設(shè)方式多采用單光纖外置的敷設(shè)方式，只有對(duì)定位精度較高、危險(xiǎn)系數(shù)高的少數(shù)工程才采用多根光纖或纏繞敷設(shè)的方式，這主要是出于成本考慮。綜上，如何進(jìn)一步提高光纖測(cè)溫技術(shù)的檢測(cè)精度、降低成本、實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離大范圍的管道泄漏檢測(cè)是光纖測(cè)溫系統(tǒng)在未來(lái)發(fā)展中面臨的挑戰(zhàn)。

表1 光纖測(cè)溫技術(shù)在管道測(cè)漏中的應(yīng)用案例Tab.1 Cases of Optical Fiber Temperature Measurement Technology in Pipeline Leakage Detection

4 結(jié)論與展望

綜上所述，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在管道運(yùn)輸泄漏檢測(cè)方面得到了大量應(yīng)用，包括天然氣和石油存儲(chǔ)管道、自來(lái)水運(yùn)輸管道、供熱管道等。但截至目前，關(guān)于分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在污水管網(wǎng)測(cè)漏方面的應(yīng)用尚起步，針對(duì)污水管道呈網(wǎng)狀分布在地下、管道內(nèi)有沉積物、污水水質(zhì)復(fù)雜、污水為重力流等特點(diǎn)[37-38]，對(duì)光纖提出了更高的要求，光纖的測(cè)溫精度、空間分布率、溫度場(chǎng)識(shí)別能力等亟待進(jìn)一步提高。此外，基于拉曼散射的光纖測(cè)溫技術(shù)在實(shí)際工程中應(yīng)用較多，但基于布里淵散射和瑞利散射的光纖測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程較緩慢，且現(xiàn)有基于拉曼散射的分布式光纖測(cè)溫技術(shù)仍存在許多問(wèn)題。

盡管分布式光纖測(cè)溫技術(shù)目前發(fā)展尚不十分成熟，但其在管道運(yùn)輸測(cè)漏中的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿s顯而易見(jiàn)。相信隨著科技的進(jìn)步，分布式光纖測(cè)溫技術(shù)將不斷發(fā)展完善，其在管運(yùn)輸測(cè)漏領(lǐng)域中的應(yīng)用會(huì)有進(jìn)一步的發(fā)展，為中國(guó)能源管道運(yùn)輸?shù)陌踩峁┯辛ΡＵ稀?/p>