光纤传感技术在管道泄漏.doc

光纤布拉格光栅传感技术、光纤散射传感技术、光纤干涉传感技术、光纤干涉传感技术、偏振光光纤传感技术、光纤消逝场传感技术等。近几年来，我国的油气管道因非法侵入，打孔盗油、自然灾害和管道老化等原因造成的泄漏事件屡有发生，造成了巨大的经济损失和环境污染，传统的管道检测方法预报不及时、定位精度差以及误报率高的缺点已很难满足这一需求。基于光纤技术的管道测漏传感系统，以光为载体在同一根光纤中实现现场信号的采集和传输，抗电磁干扰能力强，且传感器没有额外的电学部分，不会产生电打火现象，安全可靠。光纤材料主要是掺杂的二氧化硅，抗氧化、抗酸碱腐蚀能力强，寿命长，只需要在管道铺设时埋设一条传感光纤，就可以实现对整个管道系统的长期、分布式的实时在线监控。光纤布拉格光栅传感技术、光纤散射传感技术基于光纤布拉格光栅（）的光纤测漏传感技术光纤布拉格光栅的主要特点是光纤中的某一段纤芯折射率成周期性变化，光纤布拉格光栅也简称光纤光栅。其反射光谱的中心波长与纤芯的有效折射率、栅距 呈关系 （）如图所示，当环境因素导致这两个参数发生改变时，光纤光栅的反射波长会发生变化，通过检测波长位移量的大小即可反推出外部环境因素的改变量，完成传感过程。光纤光栅中心反射波长的变化可用公式（）表示。 （）式中 是光纤光栅的应力系数，为光纤材料泊松比、弹光系数和有效折射率的函数； 是光纤光栅的温度系数，是光纤材料热光系数和热膨胀系数的函数； 为光栅轴向的应变变量； 为光栅温度的变量。在管道检测领域，一般将若干个组成一个传感器阵列来构成分布式的传感器系统。墨西哥等人提出了一种利用微弯效应加强的光纤布拉格光纤测漏传感系统，传感器的结构如图所示。在传感光纤上制有一系列离散分布的布拉格光栅，各光栅间的光纤上覆有对石油类物质敏感的聚合物，当泄漏发生时，聚合物吸收石油发生膨胀，引起光纤输出光强的降低。当在如图所示的地方发生泄漏时，其后面的、的反射光强会发生显著下降，使用光频域反射计 （）可对泄漏点定位，定位精度可以达到，探测时间小于。印度学者将医用橡胶固定在光纤光栅上，漏油时橡胶膨胀引起光纤光栅反射波长的移动，探知管道泄漏。在橡胶干后，传感器回复初始状态，多次试验证明传感器具有良好的重复性。日本学者将超声技术和光纤光栅相结合开发了管道泄漏传感器，如图所示。可调激光器（）发出的光，经过光学环形器（）后进入超声波发射机（），在这里与函数发生器（）和高速放大器（）产生的超声波一起在光纤内传播。超声波在光纤中传播时会对光纤产生应力的作用，当光纤与泄漏的液体接触时超声波泄漏到基底上，造成光纤中传输的超声波强度降低，光纤内的超声应力减弱，的反射波长趋向中心波长（），光电探测器检测到这种变化，即可判断管道发生泄漏。该结构的传感器避免了在光纤光栅上缠绕其他附属结构的需要，更易实现分布式传感。国内大庆采油三厂三矿的程书春等也利用制作了漏油传感器，传感器的探头设计如图所示。当漏油发生时，石油类的碳氢化合物与三元已丙橡胶（）接触，橡胶膨胀，带动光纤光栅在轴向方向产生应变，进而改变光纤光栅的反射波长，通过观察反射波长的漂移量来确定是否发生漏油情况。实验中用 汽油对传感器进行了试验测试，传感器的响应间小于，可以快速的检测出漏油情况的发生。由于温度的变化同样可以引起光纤光栅反射波长的位移，该传感器没有温度补偿措施，只有当光纤的反射波长位移量大于温度引起的位移量时才可以确认漏油情况发生（文章中取），一方面延长了传感器的响应时间，另一方面也可能造成漏诊和误诊。基于光纤光栅传感技术的光纤测漏传感器属于波长调制型光纤传感器，抗干扰能力强，信噪比高，在单点检测和多点检测方面具有优势。因此多用于对敏感点、危险点的实时在线监控。利用波分复路技术可以实现对管道多点的阵列式传感，如文献所示，但还不是严格意义上的分布式传感系统。基于散射的光纤测漏传感技术光在沿光纤向前传播的同时还会产生后向传输的散射光，散射类型主要有瑞利散射（）、布里渊散射（）和拉曼散射（），各散射光谱的特征关系如图所示。其中瑞利散射是光与物质发生的弹性散射，其散射波长不变，而拉曼散射和布里源散射都是非弹性散射，其反射波长发生改变，二者在入射波长的两侧成对出现，其中波长变长的为斯托克光（），波长变短的为反斯托克光（）。由于光纤中的吸收损耗，瑞利散射的回波是一个沿传输距离均匀衰减的曲线，在光速不变的情况下，传输距离与时间成正比 ，为光纤长度，为光在真空中的速度，为纤芯折射率，为信号从发射到返回时的时间。布里源散射的波长移动与光纤周围的温度场、应力场均有关，而拉曼散射的强度主要由光纤周围的温度场决定，且斯托克光的拉曼散射对温度的敏感性相对较小。等人利用布里渊散射技术开发了通过检测温度、应变变化来检测管道完整性的分布式光纤传感器，检测长度，空间分辨率为。等人开发了可同时进行温度和应变测量的分布式光纤管道传感器，对应变和温度的分辨率分别是 和，当检测管道长度时，空间分辨率。等人利用受激布里渊散射技术开发了分布式光纤温度传感器，在 的传感距离内，温度分辨率为，空间分辨率。等人同样利用受激布里渊散射技术开发了长 的分布式光纤温度传感器，温度分辨率，空间分辨率。等人详细介绍了基于拉曼背向散射的分布式光纤温度传感器在天然气、石油等管道泄漏检测中的应用，传感系统的寿命长达年，温度测量精度，定位精度优于。是瑞士一家从事分布式光纤管道测漏传感器的生产厂家，其产品利用布里渊散射和拉曼散射对管道周围的温度和应变进行检测，进而判断是否发生泄漏事件，当传感失效时系统可进行自我诊断、重置并记录相关信息，传感器在油田管道检测中得到了大量应用，传感器系统结构简图如图所示，左图是单端结构的传感系统，右图是环状结构的系统。年该系统被用来监控德国柏林东北部一条长的输送天然气的盐水管道，传感器对泄漏引起的温度变化的测量精度为，测量时间小于。年月该系统成功的检测到一次泄漏事故，并给出报警。年公司成功的将单节传感器的检测长度扩展到。年，阿拉斯加北冰洋里的某海上油田利用该系统对一条长的输油管道实施泄漏监控，同时该系统光纤也承担海上平台与陆上基地间的信息传输，传感器系统自安装以来性能表现良好且至今仍在运行。年详细介绍了系统的传感原理和使用案例，检测输油管道时，流量大于管道总流量的的泄漏都可以准确探明，对于高压气体输送管道，传感器的最低探测极限更低。在第七届国际管道会议上介绍了基于拉曼散射和布里渊散射的分布式光纤管道测漏传感器系统，系统在内可以探测流量在每小时的泄漏，监视距离，空间分辨率，该系统已经成功用于德国、意大利的多处管道泄漏检测中。进一步的研究使系统的检测距离提高到，在采用光学放大后检测长度可达。该系统采用的传感光纤主要有两种，分别是和。的结构如图所示。传感光纤外面包被一层聚酰亚胺，并埋设在用（）加强的热塑材质中，用于防止传感光纤在安装和应用时的损坏。封装后的传感光纤厚，宽。主要用于测试应力，图是用于意大利某斜坡地段管道应力检测的现场图。的结构尺寸如图所示（单位），四根光纤包被在聚乙烯材料中，其中两根固定的光纤用于检测应力（蓝色、粗），两根自由的光纤用于检测温度（红色，细），该结构的传感光纤可同时对管道的应力和温度进行实时检测，并据此对管道的安全情况进行判断。澳大利亚的公司基于拉曼散射研制了用于天然气管道测漏的分布式光纤传感器（），传感器通过检测管道周边的温度变化来判断是否发生泄漏，在 的监控范围内，测量时间，温度分辨率。此外，该公司还研制了一种对压力、声波、振动敏感的分布式光纤传感器用于对管道泄漏、挖掘、机械施工等事件的检测，传感距离达。美国（）公司利用光纤背散光原理，通过检测外界影响因素，例如光纤附近的振动、位移、应力及温度等变化对光纤内光波散射强度、波长等参数的调制，来判断管道内的实时情况，使用中继模块，每套系统的检测距离达，定位精度小于。国内，大庆石油学院的王忠东教授利用光纤的背向瑞利散射和光时域反射计（）技术研制了分布式的光纤石油管道防盗检测系统。当石油管道附近发生机械施工或人为盗油现象时，施工产生的震动和压力会对光纤产生干扰，引起背向瑞利散射的光强发生突变，通过观察这种突变即可判断是否发生盗油现象。传感器系统的技术指标在光纤长度为时，传感器的定位误差小于。清华大学的赵洪志等人开发的分布式光纤温度传感器，温度测量精度为，管道检测长度 时，空间分辨率为。当光纤发生弯曲变形时，光纤内的传播模式受到干扰后，会转换为辐射模式损耗掉，引起光纤输出能量的降低，如图所示。光纤发生弯曲变形后，背向传播的瑞利散射也会产生突变，将光纤的微弯损耗和瑞利散射技术相结合可有效地提高传感器的性能，许多学者都进行了这方面的研究。英国、德国、墨西哥，、 以及西安交大的高建忠等人分别提出了相类似的基于光纤微弯损耗的分布式光纤传感器。其原理是将光纤安装在表面覆有一层吸油聚合物的圆柱体上，用金属丝将其固定，当发生泄漏时，聚合物吸油膨胀，对光纤产生挤压作