集輸管道分布式光纖聲波泄漏監測系統的設計與試驗*

張麗 周巍

1中石化中原油田分公司石油工程技術研究院

2唐山冀東油田設計工程有限公司

目前，我國大部分油氣管道都處于服役的中后期階段，故障率不斷增加，尤其對于高含硫天然氣集輸管道系統，由于自然或人為破壞等因素使管道遭到破壞而導致天然氣泄漏，會嚴重威脅人民的生命財產安全，給高含硫氣田的安全平穩運行帶來了極大的挑戰[1]。普光氣田屬于特大型高含硫氣田，酸性氣體平均質量分數高達23.18%[2]。對普光氣田高風險區開展高含硫集輸管道泄漏監測與定位技術的研究，對于提升高含硫氣田集輸系統安全水平，優化泄漏風險控制及安全保障方案，促進高含硫氣田的長期、安全、穩定運行具有重要意義。

光纖傳感技術以其優良的抗電磁干擾能力、絕緣性、靈敏度和可靠性被廣泛用于管道泄漏檢測[3]。而聲波傳感技術在泄漏檢測方面的應用國內起步較晚，技術發展稍顯不足[4]。目前用于安全監測的分布式光纖傳感技術有四類，即光纖干涉環技術、偏振光時域反射技術、相位光時域反射技術和陣列式光纖光柵振動傳感技術[5-7]。

（1）基于光纖干涉環型技術的光纜監測技術具有靈敏度高、響應速度快、監測距離長等技術特點，但是其虛警率高、定位精度差（定位精度誤差達到100～200 m，監測距離越長定位精度越差）等缺點，尤其是缺乏多個振動點同時探測與定位的能力。

（2）基于偏振光時域反射技術的分布式光纖振動傳感器監測距離可達到幾十千米，具有非常高的定位精度（定位精度5～10 m）[8]。

（3）基于相位光時域反射技術的分布式光纖振動傳感器具有簡單結構、振動探測靈敏度高等優勢，尤其是其成本代價低，具有非常高的性價比，但該技術受偏振消光比和光接收靈敏度的限制，同樣缺乏多個振動擾動點同時探測與定位的能力。當然采用監測區域分區的方法也可改善其多點同時探測定位的能力，但也會使系統光纖鏈路結構異常復雜，實用性差[9-11]。

（4）陣列式光纖光柵振動傳感系統監控范圍一般只有數百米，并且只能對布置了光纖光柵的位置進行定點監測，在監控范圍內有大量監測盲區，需要鋪設特殊的光柵陣列，無法滿足天然氣管道泄漏監測的需要[12-14]。

以上四類用于泄漏監測的光纖傳感技術都有同樣的問題：周圍環境噪音的干擾給漏點探測和定位帶來很大難度，特別是天然氣管道上發生比例較大的小泄漏監測，還沒有很好的解決方案。針對現有天然氣管道泄漏監測系統的缺點，以分布式光纖聲波傳感技術為核心，設計了一種新的天然氣管道泄漏監測系統，研制了分布式光纖聲波傳感器模塊，試驗測試了分布式光纖聲波泄漏監測系統的監測范圍及響應時間等。

1 分布式光纖聲波監測系統

1.1 泄漏監測系統監測原理

當聲波沿光纖軸向向前或向后的散射時，通常稱沿軸向向后的散射為瑞利后向散射。分布式光纖聲波傳感器是基于Barnoski等提出的瑞利光時域反射技術，利用光纖中的后向散射瑞利信號來進行探測的，它提供了與光纖長度有關的衰減細節[15-18]，原理框圖如圖1所示。由光發射模塊重復發射出一定寬度光脈沖，并注入待測光纖，在光注入端監測光纖鏈路中各點產生的后向瑞利散射光以及在斷點或者端面處產生的后向菲涅爾反射信號光；光電探測器將光信號轉換為電信號，電信號放大后經AD（模擬數字轉換器）轉換為數字信號，該信號再經過數字濾波、累加平均等處理后在屏幕上顯示出來，就可以得到光纖鏈路上后向散射瑞利光信號強度沿時間軸的分布曲線；最后把時間軸上的時間標度轉換成相應的光纖長度就得到了一條測試曲線。

圖1 分布式光纖聲波傳感器原理Fig.1 Principle of distributed optical fiber acoustic sensor

當光纖始端注入光脈沖的峰值功率為Pi時，只要用光電探測器探測得到與距離L1和L2處相對應的后向瑞利散射信號回傳到脈沖入射端的光功率P(L1) 和P(L2)，就可以通過計算得出L1和L2之間光纖的平均衰減系數α，表示為公式（1）。

式中：α為平均衰減系數；L為事件所在位置到光纖始端的距離；P(L1) 和P(L2)為后向瑞利散射信號回傳到脈沖入射端的光功率。

通過計算光信號在光纖中的傳播時間間接得到距離（光速c已知），考慮到實際測量光纖的折射率，若光纖折射率為n，從光脈沖注入光纖到接收到事件位置反射回來的瑞利信號之間的時間間隔為t，那么事件所在位置到光纖始端的距離L可以表示為公示（2）。

式中：t為光脈沖注入與收到反射信號的間隔。

當光源相干度很高時，從光纖中一定距離上返回的后向散射光會發生干涉，當存在外部擾動（振動）時就會發生變化，分布式光纖聲波傳感器通過探測這種變化，即實現對擾動的監測[19]。分布式光纖振動傳感器的組成結構如圖2所示。當某一時刻有振動干擾時所探測到相應位置的光強信息將與前一時刻無擾動時探測到的光強不同，而其他位置探測到的光強相同，沒有產生變化。所以將當前瑞利散射信號與其前一時刻的瑞利散射信號相減來監測由于光纖振動產生的光強差異，實現對振動入侵事件的監測，并對振動位置進行精確定位。

圖2 分布式光纖振動傳感器的組成結構Fig.2 Structure of distributed fiber optic vibration sensor

分布式光纖振動傳感系統的感應部件為傳感光纜。當土壤中發生擾動時，擾動作用于傳感光纜，形成光信號輸送至光纜。當系統軟件探測器接收到的光信號的相位時，光信號的傳輸模式就會發生變化。光纜中傳輸的光正常狀態及受擾動狀態傳播方式的圖形比較如圖3所示。

圖3 正常狀態光路波形與干擾下光路波形偏移（藍色曲線為受擾動后的光路波形）比較Fig.3 Comparison of optical path waveforms in normal and offset under interference（the blue curve is the optical path waveform under interference）

當天然氣發生泄漏時，高壓氣體會沖擊管道周圍的土壤，產生聲波信號，對聲波信號的時域和頻域特征進行提取和分析，可以有效識別出天然氣泄漏的位置[20]。當流體泄漏后，流體與泄漏孔壁會產生摩擦，從而在管壁激發出應力波，使管道振動。同時，會有部分振動波在空氣中傳播，這兩部分信號作用到光纖上，使光纖的長度和折射率都發生變化，導致光纖中傳播的導光相位被調制，其表達式為公式（3）。

式中：Φs為光波的相位變化幅值；β為光波在光纖中的傳播常數。

泄漏信號作用到傳感光纖上，對光纖中傳播的光相位調制，光波經泄漏信號調制的相位變化由公式（4）表示。

式中：δΦ為光波經泄漏信號調制的相位；Φs為光波被調制后相位變化的幅值；ωs為泄漏信號的頻率。

由泄漏信號引起的光相位差可表示為公式（5）。

式中：Δθ(t)為泄漏引起的光相位差；θ1(t)和θ2(t)分別為泄漏前后的光波相位；τ1和τ2為泄漏前后兩個時刻。

式中：s為泄漏點距干涉儀中點距離；τT為光傳播經過光纖所用的總時間；τs為光從泄漏點到干涉儀所用的時間。

通過信號解調技術可將Δθ(t)從信號中解調出來。能夠監測到泄漏導致的土壤振動變化，就可以測量泄漏位置并及時發出警報。

1.2 泄漏監測系統的組成

系統由精確定位型分布式光纖聲波傳感器主機及傳感光纜構成。傳感光纜既可以感應泄漏產生的聲波信號，又可以把聲波信號傳輸回分布式光纖聲波傳感器主機，光纖傳感器主機完成聲波信號的采集及解調，并對聲波產生位置進行精確定位。

2 試驗測試

2.1 傳感光纜的安裝

在地面上將3 個扇形鋼筋骨架用3 段螺紋鋼筋作為支撐固定為一個鋼筋籠，3個扇形鋼筋骨架保持平行，兩個鋼筋骨架間隔40 cm；最后形成的鋼筋籠長度為80 cm。把鋼筋籠安放在模擬天然氣泄漏的管道外側，使泄漏管道處于鋼筋籠圓心位置，泄漏點處于鋼筋籠中部。鋼筋籠安裝完成后如圖4所示。

圖4 泄漏管道的鋼筋籠和傳感光纜安裝圖（右圖紅色線為鋪設的傳感光纜）Fig.4 Installation diagram of steel cage and sensor cable for leaking pipe（the red line on the right is the sensor cable）

在鋼筋籠上相對泄漏點的不同方位角和泄漏點不同距離鋪設了14 段傳感光纜，布設的傳感光纜與泄漏點的方位角和相對距離如表1所示。

表1 傳感光纜與泄漏點的方位角和相對距離Tab.1 Azimuth angle and relative distance between the sensor cables and the leakage points

把傳感光纜依次穿過1～14 點位，其中1、2、3、4、5、6、7、8 等8 個點位每個點位間隔5 m，9、10、11等3個點位間隔3 m，12、13、14等3個點位間隔2 m。每個點位在鋼筋籠上鋪設安裝的光纜長度約為1 m，共在泄漏點監測位置鋪設安裝了69 m 傳感光纜，對應到試驗所用的傳感光纜，位置為296～365 m處。管道泄漏點傳感光纜安裝點位如圖5所示。

圖5 傳感光纜安裝點位示意圖Fig.5 Schematic diagram of installation points of the sensor cables

2.2 監測系統的調試

完成傳感光纜在泄漏管道附近的鋪設后，把預先接好的光纖接頭連接到振動傳感器主機，檢測設備及監測系統工作狀態，工作狀態良好后進行天然氣管道模擬泄漏監測。采用自主開發配套的分布式光纖聲波泄漏監測系統開展管道模擬泄漏監測現場測試（圖6）。

圖6 天然氣管道模擬泄漏監測系統Fig.6 Pipeline leakage simulation monitoring system

2.3 6 MPa天然氣管道模擬泄漏監測測試

分別記錄了集輸管道在壓力為6 MPa時沒有天然氣泄漏、以及天然氣模擬泄漏孔分別為0.5 mm、3 mm、5 mm 時不同時間的分布式光纖聲波泄漏監測系統的測試結果。

集輸管道無泄漏時，監測系統監測到光纖的振動曲線及聲波信號如圖7所示。

從圖7可以看出：沒有天然氣泄漏時，由于沒有聲波信號，振動曲線整體較平滑，信號幅度較低，沒有明顯的凸起信號，頻譜分布均勻，沒有明顯的頻譜分量。

圖7 無泄漏時集輸管道分布式光纖聲波泄漏監測系統的監測結果Fig.7 Monitoring results of distributed optical fiber acoustic leakage monitoring system for gathering and transportation pipeline without leakage

泄漏孔徑為5 mm的測試結果如圖8所示。

圖8 泄漏孔徑為5 mm的天然氣集輸管道泄漏時不同時間的測試曲線Fig.8 Test curves of the natural gas gathering and transportation pipeline with leakage aperture of 5 mm at different times during leakage

從圖8可以看出：沒有泄漏時分布式光纖的振動強度在3 000以內。天然氣泄漏孔為5 mm時，在位置為296～365 m處，泄漏3 s時在位置300 m處振動強度有明顯增加，振動強度增加至14 000 左右。隨著泄漏時間的延長，可以在不同距離處監測到明顯的的振動曲線變化。頻譜圖中，在1 kHz、9 kHz、13kHz附近出現明顯的頻譜分量。

泄漏孔徑為3 mm的測試結果如圖9所示。

從圖9可以看出：沒有泄漏時分布式光纖的振動強度在3 000以內。天然氣泄漏孔為3 mm時，泄漏3 s 時可在泄漏開始的位置附近監測光纖振動強度增加，在位置300 m處振動強度有明顯增加，振動強度增加至13 000 左右。隨著泄漏時間的延長，可以在不同距離處監測到明顯的振動曲線變化，且振動強度不斷減弱。頻譜圖中，在9 kHz、13 kHz、14 kHz附近出現明顯的頻譜分量。

圖9 泄漏孔徑為3 mm的天然氣管道泄漏時不同時間的測試曲線Fig.9 Test curves of the natural gas gather and transportation pipeline with leakage aperture of 3 mm at different times during leakage

泄漏孔徑為0.5 mm的測試結果如圖10所示。

從圖10 可以看出：天然氣泄漏孔為0.5 mm時，泄漏3 s 時即可在泄漏開始的位置附近監測光纖振動強度增加，在位置300 m處振動強度有明顯增加，至5 000 左右，振動曲線整體幅度有所抬高，有明顯的凸起和波動信號。

圖10 泄漏孔徑為0.5 mm的天然氣集輸管道泄漏時不同時間的監測結果Fig.10 Test curves of the natural gas gathering and transportation pipeline with leakage aperture of 0.5 mm atdifferent times during leakage

通過模擬天然氣泄漏試驗測試結果可見，沒有天然氣氣體泄漏時，296～365 m 范圍內的聲波信號強度在3 000 以內，且幅度變化不大。有天然氣泄漏時，分布式光纖振動傳感器的信號幅度明顯增加，聲波信號強度基本在4 000 以上。隨著泄漏孔徑的增大，聲波信號幅度相應增大。光纖傳感器對天然氣泄漏引起的聲波信號探測效果明顯。

經過現場天然氣管道模擬泄漏測試，進行了有天然氣泄漏和沒有天然氣泄漏兩種工況下的監測試驗。試驗結果表明，本次試驗所用的精確定位型分布式光纖振動傳感器可以快速探測到天然氣泄漏事件（響應時間小于3 s），并對天然氣泄漏位置進行準確定位，傳感器探測范圍可達180°（試驗中只鋪設了180°點位的傳感光纜，實際測試感應范圍可達360°），最大探測距離達到80 cm，是天然氣集輸管線泄漏監測的理想選擇。

3 結論

本文提出了一種基于高性能分布式光纖聲波傳感器的泄漏監控系統，并進行了模擬泄漏試驗監測。研究結果如下：

（1）對于基于聲波的分布式光纖泄漏監測，當泄漏孔徑為5 mm 時，分布式光纖可監測到1 kHz、9 kHz、13 kHz聲波信號；泄漏孔徑為3 mm時，可監測到9 kHz、13 kHz、14 kHz 聲波信號；泄漏孔為0.5 mm 時，光纖可監測到9 kHz、13 kHz 聲波信號?？梢娫摫O測系統可識別到0.5 mm的微泄漏。

（2）分布式光纖振動傳感器對天然氣泄漏事件的響應時間≤3 s，并可對天然氣泄漏位置進行準確定位，傳感器探測范圍可達180°，最大探測距離達到80 cm。

（3）本文開發設計的分布式光纖聲波泄漏監測系統已成功應用于A高含硫氣田某集輸管道，能夠實時在線監測高含硫濕氣集輸管道運行情況，可以第一時間判斷泄漏位置，為高含硫氣田安全生產和環境保護提供了有力保障。