分布式光纖傳感器在管道微泄漏監測中的應用

劉故箐邵海年李瓊瑋

(1.西安通信學院;2.南海艦隊;3.長慶油田公司油氣工藝研究院)

分布式光纖傳感器在管道微泄漏監測中的應用

劉故箐1邵海年2李瓊瑋3

(1.西安通信學院;2.南海艦隊;3.長慶油田公司油氣工藝研究院)

在現有的管道泄漏監測技術中,分布式光纖傳感器是一種非常具有發展前景的技術。它利用管道發生泄漏時管道周圍溫度發生變化的特性,實現長輸管道的泄漏檢測。與傳統技術相比,分布式光纖傳感器能對小流量泄漏進行實時檢測和準確定位。通過國外近年相關文獻匯總,闡述了分布式光纖傳感器中布里淵光時域分析儀系統的原理和結構,分析了光纖傳感系統如何實現管道微泄漏監測,并重點介紹了國外公司在管道泄漏監測中的三個典型實例。

分布式光纖傳感器 管道微泄漏 監測 布里淵散射

1 引言

管道運輸是石油和天然氣最經濟的長距離輸送方式。由于各種原因,管道故障經常發生,不僅導致經濟損失,而且對社會和生態環境產生不良影響,因此建立管道監測系統有著重要的意義。

管網檢測技術的傳統方法主要有:泄漏檢測電纜法、示蹤劑檢測法、負壓波法、壓力梯度法、質量平衡法、實時模型法、統計決策法、應力波法、聲波法等。這些方法在應用中存在不同的缺點,例如質量平衡法只能判斷泄漏的發生,而不能對泄漏定位;普遍使用的負壓波法只對突發的大流量泄漏敏感,監測不到緩慢發生的小流量泄漏。與上述技術相比,分布式光纖傳感器具有準確度高、抗電磁干擾、耐腐蝕,可實現遠距離分布式傳感,能對小流量泄漏進行實時檢測和準確定位等優點。尤其近年來很多長輸管道在建設過程中都同溝敷設通信光纜,為光纖傳感技術的實用化提供了良好的條件,因此在管道泄漏監測技術領域,分布式光纖傳感技術具有良好的應用前景。

2 分布式光纖傳感器

2.1 基本類型

當前普遍研究和應用的分布式光纖傳感器是基于布里淵 (Brillouin)散射和拉曼 (Raman)散射的光纖傳感器,這兩種技術都是利用光纖的非線性效應,通過監測管道周圍的溫度變化來實現泄漏的監測。當已知波長的光入射進光纖,沿著光纖的每個點會有光反射。反射光除了初始波長 (瑞利散射)的成分外,還有與初始波長不同的波長成分(布里淵散射和拉曼散射)。這些改變的波長成分反映光纖很多局部屬性,特別是應變和溫度。圖1給出在典型光纖中主要的散射波長成分,可看出布里淵散射峰的位置 (布里淵頻移)與應變和溫度有關,而拉曼散射峰的光強與溫度有關。

圖1 光纖中的光散射

拉曼散射是光纖中入射光與光纖材料之間非線性效應的結果。拉曼散射光的相對光強決定于光纖的局部溫度。已報道的典型拉曼散射傳感系統的溫度分辨率達到0.1℃,空間分辨率達到1 m,測試距離為8 km[1-2]。

布里淵散射效應是注入光波場與光纖中彈性聲波場間相互耦合作用而產生的一種非線性光散射現象。根據入射光強的不同,光纖中會產生自發布里淵散射或受激布里淵散射。布里淵散射光的頻移具有溫度和應變相關性,這是因為彈性聲波的傳播速度隨光纖材料的密度改變而改變,因此布里淵傳感器除了能測試溫度,還能測試應變。由于布里淵傳感器主要通過監測布里淵頻移得到溫度或應變等參數,比利用強度的拉曼系統具有更好的穩定性和精度。因此,目前分布式傳感器的研究熱點主要集中于布里淵傳感器。較成熟的基于布里淵散射的傳感系統能提供0.1℃的溫度分辨率,20μ ε的應變分辨率,測試距離為30 km,空間分辨率為1 m[8-9]。

利用布里淵散射的光纖傳感技術主要有布里淵光時域反射計 (BOTDR)[3-4]、布里淵光頻域分析儀 (BOFDA)[5]、布里淵光時域分析儀 (BOTDA)[6-7]等。BOTDR技術利用光纖的自發后向布里淵散射光實現應變和溫度的分布式測量,該技術有良好的應用前景和可靠的技術研發可行性,是將來光纖傳感技術的主要發展方向之一;BOFDA基于布里淵散射現象和光頻域反射儀技術[5],該技術還主要停留在理論研究和實驗系統的研制上,沒有實用化儀器的報道;BOTDA技術利用受激布里淵散射效應,已發展成主要的布里淵分布式測量技術。瑞士的SMARTEC和Omnisens公司的BOTDA系統DiTeSt已實現商業化[8-12],本文將以該系統為基礎介紹布里淵分布式傳感器在管道微泄漏監測中的應用。

2.2 BOTDA系統原理與結構[7,9,10]

在BOTDA系統中,在光纖兩端同時注入不同頻率的光波。其中頻率高的光波稱為泵浦光,是脈沖光信號;頻率低的光波稱為探測光,是連續光波信號。當泵浦光和探測光的頻差等于光纖的布里淵頻移時產生受激布里淵散射,能量從泵浦信號轉移到探測信號上,探測信號光被放大 (圖2)。測試時不斷改變探測光的頻率進行掃描,當泵浦光和探測光的頻差等于光纖的布里淵頻移時,散射增益得到極大值,同時根據散射信號的返回時間對布里淵頻移進行定位,從而得到沿著光纖的布里淵頻移圖(圖3和圖4)。根據溫度和應變與布里淵頻移的對應關系 (圖5)[13],能將頻移信息轉換為所需測量的溫度和應變信息。

圖2 BOTDA中光信號的相互作用

BOTDA儀器原理結構框圖如圖6所示[9]。該系統最顯著的特點是只有一個光源LD,光源采用Mach-Zehnder電光調制器 (EOM)實現外調制。EOM有兩個作用:一是將連續光調制成脈沖光,作為泵浦光;二是對光頻率進行調制,產生探測光,探測光的頻率可以連續調制。摻鉺光纖放大器(EDFA)對泵浦光和探測光同時進行放大,波分復用器 (WDM)對光信號進行分路。傳感光纖構成環路,泵浦光和探測光通過WDM分別送入光纖的兩端。當探測信號從傳感光纖返回后,經WDM送往光電探測儀 (PD)進行光強檢測,結果記錄在數字存儲卡DAC中。

3 管道泄漏監測原理[8,11]

分布式光纖傳感器的檢測原理非常簡單:當管道發生泄漏時,管道周圍的溫度分布會改變,對溫度進行監測,其空間定位能確定泄漏的大概位置,時間定位能確定泄漏的開始時間。管道周圍的溫度分布取決于管道的類型和它所處的環境,如地埋石油和鹽水管道,泄漏液體比周圍土壤溫度高,會改變土壤的熱性質,特別是熱容量,在很多情況下管道周圍將形成溫度較高的污染區域;而對于氣體管道,由于壓力被釋放,泄漏氣體產生局部冷卻效應;在多相流管道中則會綜合出現以上現象。設計光纜的理想放置位置時需考慮以上效應的影響。

對于地埋石油管道,傳感光纜的最佳位置在管道下方,并且光纜不和管道直接接觸。無論泄漏點在何處,這個位置接觸到泄漏石油的概率最大。當管道處于水下時,泄漏石油會上升而不會下沉,此時光纜的理想位置與上述情況相反。氣體泄漏會使泄漏位置的溫度降低,傳感光纜最好與管道表面直接接觸,光纜的最佳位置在管道正上方。這種裝置還可以對第三方侵入進行監測,因為當管道表面暴露在空氣中時,溫度會產生變化。

4 實際應用

4.1 鹽水管道泄漏監測

鹽水管道位于柏林至 Heckelberg之間,距離為55 km。系統選用兩個DiTeSt分析儀,一個分析儀能接收處理兩根傳感光纖的信號,因此整個管道分為四個監測段,最長的傳感監測距離為16.056 km(圖7)。傳感光纜選用標準通信光纜,光纜中的一根光纖用于溫度監測,另一根用于儀表和控制室之間的數據通信。

圖7 55 km鹽水管道泄漏監測系統

在系統建設過程中,首先將光纜敷設在管溝中,上面填埋沙子,然后敷設鹽水管道,光纜大約位于管道下10 cm處,以便監測到所有泄漏。鹽水從地下抽出并注入管道時溫度大約為35℃。在正常流速下溫度沿整個管道下降8℃。管道埋在地下2～3 m處,土壤溫度約為5℃,并且隨季節變化不大,因此,即使在很低的泄漏速率下,任何溫度升高都意味著泄漏發生。

圖8給出泄漏發生時的測試曲線圖。該泄漏的速度很慢,只有50 mL/min,泄漏引起的溫度升高為8℃。當檢測到泄漏時,傳感系統立刻啟動警報并自動關斷鹽水。該系統的溫度分辨率達到1℃,測量響應時間低于10 min,至今還在穩定運行。

圖8 泄漏監測系統監測數據

4.2 石油微泄漏模擬試驗[11]

意大利的Praoil進行了地埋管道石油微泄漏模擬試驗。一根兩芯光纜埋在地下1.5 m處,上蓋一層薄沙。將一根注水小孔徑聚乙烯管道置于光纜上,管道上不同位置安裝多個閥門,每個閥門上安裝流量計,注入水的流量和溫度可控,用以模擬流速為300～3 500 m3/h的大孔徑管道的不同微泄漏情況。

試驗中泄漏的平均流速是0.6 m3/h,相當于能監測 300 m3/h流量的 0.2%的泄漏和 3 500 m3/h流量的0.02%的泄漏,監測微泄漏的能力明顯優于其他檢漏技術。

模擬實驗發現影響測量響應時間和泄漏損失量的因素主要有:土壤的滲透性和密實度、發生泄漏的位置與傳感器的距離、泄漏導致的土壤溫度與地面溫度的溫差等。

4.3 天然氣泄漏模擬試驗[11]

為評價分布式光纖傳感器是否適用于天然氣泄漏監測,意大利在天然氣管道上進行了模擬試驗。一根光纜安裝在 500 m長的 10 in(1 in=25.4mm)天然氣管道的頂部。距離測試起始端50 m處安裝了一根中空的塑料管,它使管道表面和空氣相接觸,用以模擬天然氣泄漏。實際操作中,向塑料管注入CO2使管道冷卻,產生類似氣體泄漏的情況。

在管道冷卻前先進行參考測試。當CO2注入后,每2～10 min測試一次溫度,并與參考值進行比較,模擬的泄漏點在圖中能明顯觀察到 (圖9中畫圈處)。

圖9 氣體壓力的釋放導致的溫度降低指示泄漏的存在

5 結論

在管道監測領域,分布式光纖傳感器是一種比較新的技術,具有很多獨特的優點,尤其適用于地埋管道的微泄漏監測。BOTDA技術是目前最成熟和商用化程度最高的技術,除了以上三個典型應用,BOTDA技術還應用于德國原油管道的泄漏檢測、意大利3 km氨水管道泄漏監測等項目。在實際應用中,發現傳感系統成功的關鍵在于針對特定的傳感需求,選擇合適的傳感光纜并正確地安裝[11-12],有時可以利用與管道同溝敷設的光纜通信線路來實現管道監測。此外,人們還在不斷研究新技術,以期進一步提高系統的測試距離、空間分辨率和溫度分辨率[10]等性能參數。

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2009-11-11)