分布式光纤传感器对油气管道的检测

1、分布式光纤传感器对油气管道的检测仪器仪表工程樊阳阳2013704008摘要目前，我国国民经济的持续高速发展对能源特别是油气资源的需求越来越迫切。管道由于自身具备的诸多优势，已成为主要的油气资源运输手段。但由于种种自然或人为原因，管道泄漏事故时有发生，有时会伴随着巨大的生命财产损失和环境污染。目前，常用的油气管道安全监测装置主要通过管道输送压力、流量以及温度等参数的变化来判断泄漏是否发生。该类方法容易受输送介质特性、工艺等因素影响，且报警都在发生泄漏之后。本文首先介绍了一些油气管道安全监测的方法，通过对比选出了一种比较合理的解决方案，最后选出了一种分布式光纤传感器来检测管道，并分析了传感光纤结构

2、对灵敏度的影响，最后设计出检测管道泄漏的分布式光纤传感器。1 关键字：油气管道；检测方法；分布式光纤传感器.前言油气长输管道具有管道直径大、运输距离长、输送压力高和运量大等特点。其起点一般建在油气田，终点为炼厂、石油化工厂或油库等部门。随着油气管道的增多，管道服役时间的增长，由于管道腐蚀、自然灾害和人为损坏等因素使得管道安全问题变得日益严重。长距离油气管道沿途多为荒漠、沼泽、戈壁或河流等野外无人留守的地方，易受到外界人为破坏和突发性自然灾害（如地震、泥石流等）的破坏。上述原因容易造成管道破裂而导致的油气泄漏事故的发生。泄漏事故一旦发生，不仅给管道运输造成严重后果，同时会带来巨大的经济和环境损失

3、。除此之外，由于油气管道运输的物质多为有毒害、易燃和易爆品，泄漏事故的发生还将会给人们的牛命财产安全造成巨大的威胁。因此，对威胁管道安全的事故进行预警和定位具有重要的现实意义。并且，导师的基金项目是对煤气管道泄漏检测机器人的研究，研究这种机器人的目的就是要机器人携带检测装置对煤气管道进行检测。所以，对管道的泄漏检测的研究就是我们所要做的前期工作，各种方式的检测都需要有一定程度的了解，所以，选了这个题目。2 .油气管道安全监测方法在众多的油气管道安全监测技术中，从监测管道泄漏的角度可将各种检测方法分为直接检漏法和间接检漏法。直接检漏法是利用安装在管道外边的检测器，直接检测泄漏到管道外的输送液体或

4、其挥发的气体，从而达到检漏目的，例如：煤气检漏法、油膜检漏法和电缆检漏法等：间接检漏法则指检测由于泄漏对油气管道的各种运行参数造成的影响，如流体压力、流量的变化来判断是否发生泄漏。包括流量平衡法、负压波法、压力梯度法、密封加压法、实时模型法等。评价对一种管道安全监测方法优劣，应主要从以下几方面加以考虑：(1)灵敏性：监测系统能检测出管道泄漏的最小的泄漏量；(2)定位精度：系统对发生泄漏地点位置的定位误差大小；(3)检测时间：从泄漏开始到系统检测出泄漏总共所需要的时间；(4)有效性：是否能连续监测整条管道；(5)准确性：能够准确地检测出泄漏，误报率较低；(6)适应能力：是指监测方法是否能对良好地

5、工作于不同的管道环境、输送介质，即该监测方法是否具有通用性。(7)可维护性：是指系统运行或发生故障时，用户是否易于维护。(8)性价比：是指系统建设、运行及维护的花费与系统所能提供性能的比值。目前国内外常用的管道泄漏检测方法有：负压波法：当管道发生泄漏时，在泄漏处压力瞬时下降，形成一个低于管道内部压力的低密度纵波，此纵波我们称之为负压波。该负压波以一定的速度自泄漏点向管道两端传播。利用管道首末端的压力传感器检测到得负压波信号的时间差和传播速度来实现对泄漏点的定位。负压波法要求有突然的压降，其主要适用于管道发生突变泄漏或者大泄漏，对于人工打孔或者缓慢开阀是无效的。压力点分析法：管道运行正常时，其压

6、力及各项参数保持稳定状态；发生泄漏后，这一稳定状态被破坏，并向新的稳态过度。这一过程会导致管道中的压强发生变化，并将变化的信号传播至沿线各点。用统计方法来分析压力传感器检测到的信号值，根据信号值画出变化的压力曲线，与管道正常状态的曲线做比较来判别泄漏。其缺点在于需要在管道上安装多个传感器。流量平衡法：根据管道进出口的流量是否平衡来检测管道是否发生泄漏，但是无法确定泄漏点的位置。由于管道首末站一般均装有流量计，无需增加设备投资。但是由于流体的流量与其性质及温度、压力状态有关，油气集输管道输送量相对泄漏流量差别较大，所以容易造成误检，其一般与其它方法配合使用特别是气体具有较大的可压缩性，利用流量平

7、衡法检测天然气管道泄漏更加困难。分布式光纤检测法：主要基于光纤干涉仪的原理。与管道平行铺设的一条分布式微振动传感器，实时获取管道沿线振动信号。发生泄漏引起的振动时，就可以判断。光纤检测法灵敏度高，但铺设成本较高，且不易维修。漏磁通检测法：该方法是由磁粉检测技术发展起来的、利用磁现象来检测管道表面及近表面缺陷的一种无损检测方法。管道缺陷的漏磁检测法的检测精度略低，但该方法具有结构简单、信号处理方便等优点，易于实现管道缺陷的内部检测。由于缓变的缺陷不能引起产生足够大的漏磁信号，因而该方法无法检测非常平缓的管壁缺陷。另外，该技术对不同管径的管道要求使用不同型号的检测器，因而检测费用较高，而且不能对管

8、道进行实时检测。超声波检测法：该方法中超声波检测器垂直于管道壁，并发出一组超声波脉冲，检测器探头首先接收到由管道壁内表面反射的回波，随后再接收到由管道壁缺陷或管道壁外表面反射的回波。探头至管道壁内表面的距离与管道壁厚度，可通过前波时问，以及两次回波的时间差来确定。根据测得的管壁厚度，可检测出管壁的腐蚀和穿孔。此外还必须根据探头至管道壁内表面的距离曲线，来判别缺陷是管道内壁缺陷还是外壁缺陷。该方法适用于管壁较厚管道的在役检测，检测精度较高。但该方法对输送的介质非常敏感，不适用于天然气管道的缺陷检测。3 .分布式光纤检测及预警机理光纤传感器从传感机理上来说，可分为振幅型（也称强度型）和相位型（也称

9、干涉仪型）两种。相位型光纤传感器的原理是在一段单模光纤中传输的相干光，由于待测物理场的作用，产生相位调制。从理论上讲，相位型传感器的灵敏度要比现有的传感器高出几个数量级，并可通过改变光纤上的涂层来改变其传感的物理量。马赫.泽彳惠（Mach.Zehnder）光纤干涉仪就是相位型光纤传感器中的一种，与其它相关传感器相比，其具有灵敏度很高、体积小、能耗少、重量轻、不受电磁影响、耐腐蚀、和易于实现等特点。1、分布式光纤传感技术的特点分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力，其基本特征为：分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤；一次测量就可以获取整个光纤区域内

10、被测量的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测量的二维和三维分布情况；系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围的变化一般只能观测其平均值；系统的测量精度与空间分辨力一般存在相互制约关系;检测信号一般较微弱，因而要求信号处理系统具有较高的信噪比；由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间。2 .分布式光纤振动传感器相位调制机理利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理量的传感器，称为相位调制传感型光纤传感器。相位调制光纤传感器主要通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再利用干涉测量技术把相

11、位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。光纤中光波的相位由光纤波导的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定。一般在实际应用中，应力、应变和温度等外界物理量均能导致光波产生相位变化，实现光纤的相位调制。由于目前所用的各类光探测器都无法直接测量光波的相位变化，而只能探测光的强度变化，因而需要通过干涉技术将光波的相位变化转变为光强变化，实现对外界物理量的检测。J管道）泄_）.高云松骨r一1I彘总长L分布式光纤振动传感器检测原理该振动传感器检测原理是将条三芯以上的光缆与管道同沟平行铺设，同时在管道上方且距地面1米左右。光缆中的三条光纤中，两条光纤用于传感，另一条将传输光信号，三条光纤构

12、成的一对MachZehnder光纤干涉仪，该传感器可实时检测管道沿线的振动信号。光源发出的光波在进入分布式光纤振动传感器前被分为强度为1:1的两束光，这样在系统的两条传感光纤中同时有两个方向（图中的方向1和方向2）的光波在光纤中传播。当管道沿线存在振动源时，光缆中的光纤受到应力作用，将导致光纤长度、直径和折射率发生变化，从而对光纤中传播的光波产生相位调制作用。此时沿方向l在光纤内传播的两束光受到相位调制作用后，向分布式光纤振动传感器的首端传播，在首端处发生干涉，随后进入光电探测器1;与此同时，沿方向2在光纤内传播的两束光也受到同样的相位调制作用后，向分布式光纤振动传感器末端传播，在末端处发生干

13、涉，通过第三条光纤传播到首端，并随后进入光电探测器2。两个光电探测器将两束干涉光转化为电信号，电信号通过A/D转换进入计算机进行相关信号处理、特征提取、识别和定位工作。3 .分布式光纤振动传感器设计分布式光纤振动传感器主要包括光纤、光源、光源驱动及保护电路、光电探测模块等四部分组成。将一根不少于三芯单模光纤的光缆与管道平行同沟铺设，将光源输出端和光电探测器的输入端，通过单模光纤作为引导光纤与传感器首端耦合器进行连接。光源采用半导体激光二极管，其输出光波中心波长为155011m光源驱动电路中，通过功率控制电路控制激光二极管输出电流，从而保持光源输出功率恒定。光源保护电路主要实现光源慢启动、光源过

14、流保护和反向冲击电流保护，防止光源损坏，保护光源使其能长期稳定工作。光电探测模块主要由两个高灵敏度的光电二极管构成，将两路光信号转换为电流信号。4 .传感光纤结构对灵敏度的影响光纤的基本结构是两层圆柱状媒质，如图2-6所示。内层为纤芯（单模光纤的纤芯直径一般小于9um）;外层为包层（其直径约125um）;最外层即包层的外面还有一层保护层，其用途是保护光纤免受环境污染和机械损伤。光纤基本结构实际应用中，光纤多数为多层结构。通常除了纤芯和包层外，还包括衬底（减少涂覆带来的损耗）、一次涂覆层（软性材料，用来减少光纤的微弯损耗）、二次涂覆层（较硬材料，用来保证光纤强度）。上述多层结构要在对分布式光纤振

15、动传感器的灵敏度分析中考虑进去。在分布式光纤振动传感器中应力与应变之间的关系可表示为：二；（2，）ii;；仃g二|九i（?+2川）九i密a；|欠九i（九i+2Ni）产；式中，i为光纤的层数（0为纤芯，1,2,3指光纤的包层层数）；出、4、"和是极坐标下光纤中第i层的应力和应变的分量；，和”是雷姆方程系数，二者与材料的杨氏模量Ei和泊松比vi有以下关系:一(1vi)(1-vi)LiEi一2(1vi)光纤的长度改变而引起的相位变化占：对光纤传感器灵敏度影响最大。通常单模光纤的一次涂覆层较软（弹性模量低）；二次涂覆层较硬（弹性模量高）o一次涂覆层有利于光纤缓冲外界应力，防止微弯产生；二次涂覆层有利于光纤耐磨损，提高强度。一次涂覆层对于分布式光纤振动传感器的灵敏度影响不大。因此，需要通过选择适当的二次涂覆层材料来提高分布式光纤振动传感器对对外界振动信号的灵敏度。4.结论随着国民经济的持续高速发展，油气资源的管道运输作为一种安全、经济的运输方式得到了全社会各方面的重视和更为广泛的应用。与之伴随而生的是