光纖傳感及其在管道監測中應用的研究進展

（中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

光纖傳感及其在管道監測中應用的研究進展

李 明，王曉霖，呂高峰，齊先志

（中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

管道安全關系到人類生命和財產安全，及時掌握管道結構健康狀態是確保管道安全運行的重要前提。光纖傳感技術的不斷發展，使其在各個領域得到廣泛研究與應用，特別是為管道結構的安全監測提供了技術保障。介紹了分布式光纖傳感、光纖光柵傳感、陣列復用傳感、以及光纖智能傳感的基本原理及關鍵技術，對其性能和特點進行了對比分析。在此基礎上，闡述了各種光纖傳感技術在管道監測中的具體應用，包括管道結構監測、管道泄漏監測以及管道腐蝕監測。通過對傳感技術的不同應用進行比較分析，總結了各傳感技術應用的特點和進一步研究發展的方向，指出光纖傳感技術在管道監測方面具有的巨大優勢和廣泛的應用前景。

光纖傳感技術；光纖傳感應用；管道結構監測；管道功能監測

管道輸運是現代工業和國民經濟的命脈，具有運量大、連續、經濟、平穩、占地少、費用低等諸多優點，被譽為五大運輸方式之一。油氣管道主要用于輸送天然氣、原油、成品油等危險介質，對國民經濟和社會發展有著舉足輕重的作用。由于油氣管道輸送介質易燃、易爆的特性且往往經過人口分布密集區，因此一旦發生事故，則會造成巨大的人員、經濟損失以及環境污染。同時，隨著我國能源需求的不斷增加和能源結構調整，對管道安全的要求也在不斷提升。因此如何保證油氣管道的安全成為管道企業首要關心的問題之一。

為確保管道安全運行，《石油天然氣安全規程》（AQ 2012-2007）第7.6.2條規定，應按照國家有關規定對管道進行檢測，并根據檢測結果和管道運行安全狀況，合理確定管道檢測周期。管道通常采用無損檢測技術進行檢測，如管體腐蝕和焊接缺陷檢測、油氣管道內、外檢測等。盡管無損檢測技術對管道結構缺陷和損傷檢測起到了極其重要的作用，但無損檢測技術采用的是離線檢測方式，因而具有一定的應用周期而無法及時有效識別和發現管道突發性故障，更無法對管道缺陷引發的侵害提前予以識別并進行報警來防止損害發生。因此，管道安全保護仍然面臨巨大挑戰，特別是需要能夠及時發現問題并精確定位的實時監測技術[1]。

光纖傳感是隨著光導纖維和光纖通信技術的發展而逐步形成的一類嶄新技術，是光電技術領域最活躍的分支之一[2]。光纖傳感以光為載體，光纖為媒介而感知和傳輸外界信號，即利用全反射原理把

光源的光送入調制器，并與外界環境因素相互作用而引起光學性質，如強度、頻率、相位、偏振態等的變化，通過探測器對改變后的光信號進行解調即可獲得外界物理量參數。光纖傳感具有抗電磁干擾能力強、靈敏度高、電絕緣性好、體積小、安全可靠等諸多優點。根據光纖在傳感器中的作用可以將光纖傳感器分為兩大類：功能型傳感器，利用光纖本身的特性或功能傳感；傳光型傳感器，光纖僅起傳光作用，必須加裝其他敏感元件構成傳感器。

1 光纖傳感技術及其研究進展

1.1 散射型分布式光纖傳感[3]

分布式光纖傳感技術出現于上世紀70年代末，并隨著光纖工程中應用十分廣泛的光時域反射（OTDR）技術的發展而得以快速發展。分布式光纖傳感技術一經出現，就得到了廣泛的關注和深入的研究，并且在短短的十幾年里得到了飛速的發展。分布式光纖傳感利用光纖的一維幾何特性，把信號傳輸與傳感媒質合二為一，從而實現幾十甚至上百公里的整個光纖長度上的沿光纖幾何路徑分布的外部參量的全分布式測量，并獲取待測量的空間分布狀態和變化信息。散射型分布式光纖傳感技術根據光脈沖在光纖中傳輸時產生的不同散射光信號而進行監測的不同可分為利用后向瑞利散射的傳感技術、利用拉曼效應的分布式光纖傳感技術、利用布里淵效應的分布式光纖傳感技術、利用前向傳輸模耦合的傳感技術4類。分布式光纖傳感的傳感和傳光為同一根光纖，通過空間上測量的連續性，實現了長距離、大范圍的連續長期傳感。傳感部分結構簡單，使用方便，相比于點式傳感器避免了大量分離傳感元件的使用，有效降低了監測系統成本，性價比高。

1.2 干涉型分布式光纖傳感[4]

干涉型分布式光纖傳感技術則是利用光纖受到監測物理場參量，如溫度、壓力或振動等的感應，使導光相位產生延遲而改變輸出光強，進而利用光波的干涉實現相位解調來獲得包含在光波相位中的參數與信息。用于光相位解調的干涉結構有多種，如雙光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法及環形干涉法等。相位解調通常利用光纖本身的參數實現，影響光纖中光波相位的主要因素是溫度和外界應力，所以干涉式光纖傳感在溫度測量、應力檢測、泄漏監測等諸多方面得到了廣泛關注。干涉型分布式光纖傳感技術動態范圍大、靈敏度高、結構簡單、保密性強，但由于光纖是在單模光纖構成的干涉型光纖傳感器中，故存在偏振衰落問題而使得干涉效率下降。分布式光纖傳感技術是當今光纖傳感技術發展的一個重要趨勢。為了實現快速、穩定、可靠及高精度的測量，仍需進行多方面的研究，特別是基于不同機理的分布式光纖傳感系統將是光纖傳感領域的研究熱點。

1.3 光纖光柵傳感[5]

光纖光柵傳感技術近些年在國內外傳感領域都受到極大關注。光纖光柵是纖芯中具有折射率周期性變化結構的光纖，因而具備光波波長選擇功能。基于光纖光柵傳感開發的主要產品有光纖布拉格光柵（FBG）傳感器，其折射率、調制深度和光柵周期都是常數，具有結構簡單、非傳導性、波長編碼、高靈敏度、高分辨率等諸多優點。FBG傳感器的中心波長與有效折射率的數學關系表達式為：

式中λB為布拉格波長，neff為光纖傳播模式的有效折射率，Λ為光柵柵距。可以看出，反射光的中心波長為λB的光信號，跟光柵柵距Λ及纖芯有效折射率neff有關，所以當外界的待測量溫度和應力引起光纖光柵的折射率等參量改變時，會導致反射中心波長發生變化，從而反映出外界待測量信息的變化。目前已有的基于FBG原理的各類傳感器基本都是利用待測量直接或間接改變光柵中心波長，進而實現測試的目的。

1.4 陣列復用傳感[6]

陣列式復用光纖傳感亦稱為準分布式傳感，它是利用波分復用（WDM）、空分復用（SDM）、時分復用（TDM）技術將單點光纖傳感器陣列化，從而實現空間多點同/分時傳感。目前光纖光柵陣列傳感和基于干涉結構的陣列光纖傳感系統應用較為廣泛。WDM，TDM和SDM技術作為陣列復用傳感的經典形式，在近些年得到了廣泛研究，但WDM技術的光源帶寬和布拉格波長變化范圍有限，而TDM技術受到光源功率、FBG反射功率和光纖光柵復用之間的串擾限制，SDM技術則受到光源帶寬利用率和功率利用率低的限制，構成了經典陣列復用的技術瓶頸。為了突破固有技術限制，通常采用組合復用方式，如波分-空分復用，波分-波分復用，空分-時分復用和波分-時分-空分復用等。盡管組合復用由于復用結構和檢測系統的差異而效果不盡相同，但在一定程度上克服了各種基本復用的缺陷，實現了長距離、大范圍的多點傳感，因此組合陣列復用傳感是大規模光纖傳感的一個重要發展方向。

1.5 光纖智能化傳感[7]

隨著新的傳感技術不斷出現，特別是光纖傳感、通信及計算機技術的深入發展及融合交叉，極大促進了光纖傳感及相關領域的智能化發展。如使用單片機、虛擬儀器及多層次計算等實現智能化數據、

控制處理，光纖傳感網絡促進智能材料和智能結構的發展，光子晶體光纖促進光子晶體的發展等。目前，光纖智能化傳感系統已經在智能材料、智能檢測等多個新興領域受到廣泛關注。

2 光纖傳感技術在管道監測中應用的研究進展

油氣管線作為油氣集輸的重要設備，其安全運營關乎國家能源安全，一旦發生事故，不僅會造成嚴重的經濟損失和人身傷亡，而且會產生不良的社會影響。目前，物聯網的大力發展對油氣管道在線實時監測的需求也日益增長。油氣管線對安全及抗電磁干擾具有較高要求，因此需要相應監測所用傳感技術具有安全、高效、長期的性能特點。光纖傳感技術的抗電磁干擾、防水、抗腐蝕和耐久性長等獨特優點，非常適合管道在線實時監測要求，因此光纖傳感技術在油氣管道工程監測中有著很好的應用前景。管道光纖監測系統通常由光纖傳感器系統、信號傳輸與采集系統、數據處理與監測系統三部分構成，監測內容分為管道應變和曲率等結構監測以及分布式溫度、泄漏和管線損壞等功能監測[8]。

2.1 管道應變/變形監測

管道，特別是長輸油氣管道經常會通過地層條件復雜、地質災害頻發以及凍土等特殊地質區域。地質災害和特殊的地質結構會導致地下管線發生故障、損壞、泄漏等各類安全事故。因此，有必要對管道進行結構監測來識別管線運營過程中的不穩定因素[9]。

2.1.1 分布式光纖管道監測

分布式光纖管道監測技術采用光纜作為傳感和信號傳輸元件，當有外界因素對光纜和管道產生作用時，會引起光纖產生一定的應變，從而導致光纜長度和纖芯折射率發生變化。當光纜中有光通過時，則會使得光信號相位等參數發生變化；傳感光纜把這種相位變化信息傳輸至信號處理中心并進行處理，得到傳感光纜周圍的外界作用變化和作用點，從而對外界作用事件進行監控。分布式光纖管道監測技術屬于長距離、低靈敏度的靜態監測，因此對了解管道結構性能的整體變化趨勢較為適用。日本ANDO公司研制開發了基于BOTDR技術的光纖應變/損耗分析儀，該分析儀對光纖沿線應變信息可達到最長80 km的有效檢測，測量精度和空間分辨率可達到±0.003%和1 m；加拿大OZ公司的Foresight TM傳感器系統可在50 km測量范圍內達到±2με和±0.1 ℃的應變和溫度測量精度，同時空間分辨率可達到10 cm[10]。分布式光纖管道監測系統通常都可以對管道應變和溫度同時進行測量，進而實現管道變形狀況的實時連續監測。

2.1.2 準分布式光纖光柵管道監測

準分布式光纖光柵管道監測適用于對管道局部測點的高精度測量，它是利用FBG傳感器并結合各類陣列復用技術，即在同一根光纖上復用多個FBG傳感器，進而對監測管道的局部關鍵部位，如焊縫、彎頭、閥門等的局部點應力實施精確測量。英國Smart Fibers公司開發了具有4通道且每通道最多可安裝40個傳感器的光纖光柵傳感網絡分析儀，可用于監測變化很慢的應力、溫度和壓力[10]。

2.2 管道泄漏監測

管道受到外界破壞或腐蝕穿孔引發泄漏時，不僅會浪費資源、污染環境，還易引起火災、爆炸等次生災害。因此，及時發現管道泄漏并對其準確定位對管道安全具有重大意義。

2.2.1 基于分布式光纖傳感的管道泄漏傳感

分布式光纖傳感技術中的瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射均是基于后向散射原理。由于光纖中的吸收損耗，瑞利散射的回波是一個沿傳輸距離均勻衰減的曲線，也就是在光速不變的情況下傳輸距離與時間成正比，但其散射波長不會發生變化；而布里源散射和拉曼散射屬于非彈性散射，其反射波長均會改變。布里淵散射的波長變化主要受到光纖外界溫度場、應力場等影響，而拉曼散射的強度變化主要由光纖外界溫度場決定。Daniele Inaudi等開發了基于布里淵散射和拉曼散射的分布式光纖管道泄漏監測系統，該系統可以監測30 km范圍內流量10～1 000 L/h的泄漏，監測空間分辨率達到1 m[11]。

2.2.2 基于光纖光柵傳感的管道泄漏傳感

基于FBG的光纖泄漏監測技術一般采用陣列復用的準分布式傳感器系統，同時在各光柵間的光纖上覆有對輸送介質敏感的物質。當泄漏發生時，輸送介質與外覆的物質發生作用而引起光纖輸出光強的降低，帶動光纖光柵在軸向方向產生應變，進而改變光纖光柵的反射波長，通過觀察反射波長的漂移量來探知管道泄漏并確定泄露情況。由于FBG傳感器自身波長調制特性，其抗干擾能力和信噪比優異，對管道泄漏的單點檢測和多點檢測方面均具有明顯優勢，因而多用于對管道局部敏感危險點的實時在線監控。程書春等基于FBG傳感制作了漏油傳感器，實驗中傳感器響應時間小于3 min，可以快速檢測管道漏油情況[11]。

2.2.3 基于光纖干涉傳感的管道泄漏監測

光纖干涉傳感技術是基于光纖受到外界參量的作用而使導光相位發生延遲，進而導致輸出光強變化來測知外界參量變化的原理。光纖干涉傳感動態范圍大、靈敏度高，可實現管道小泄漏監測。澳大

利亞FFT公司開發了基于模態分布調制干涉技術的分布式光纖管道安全防御系統，可用來檢測管道泄漏、挖掘、機械施工等外界事件，泄漏監測可達到60 km管段±50 m的定位精度[11]。國內何存富等開發了可同時對多條管道實施檢測的光纖泄漏監測傳感器，系統對泄漏定位精度較高，定位誤差小于0.54%[12]；靳世久等開發了基于Mach-Zehnder光纖干涉的分布式光纖管道泄漏監測系統，該系統采用5根光纖傳感，可達到50 km范圍內120 m的定位精度[13]。

2.2.4 基于光纖消逝場的管道泄漏監測

光在光纖中以全反射的形式傳播時將大部分能量向前遞送，但有一部份能量會滲透到低折射率的光纖外包層中，并隨到光纖外包層和芯層界面距離增大而呈指數衰減，進而形成一能量場稱為消逝場[14]。光纖外包層通常采用非吸收介質，因而不會引起光纖傳輸能量的變化。當采用吸收介質作為光纖外包層材料時，由于消逝場引起能量吸收而降低了輸送能量，即光纖輸出光強減少，因此，通過采集光纖輸出光強的大小就可以反推被測物的具體測量信息。德國J. Buerck等開發了基于光纖消逝場的分布式光纖泄漏監測系統，該系統在1 km的傳感長度內可達到1～5 m的空間分辨率[15]。基于光纖消逝場技術的光纖管道泄漏監測傳感器屬于強度調制型光纖傳感器，對普通光纖進行外包層處理后即可應用于消逝場光纖傳感，但成本相對較高。

2.3 腐蝕缺陷監測

腐蝕發生的比例占管道腐蝕泄漏事故的80%以上。限于技術及腐蝕、環境等因素，管線腐蝕失效導致安全事故往往是由于未能對腐蝕失效給予實時檢測或監測。由于管線腐蝕具有隱蔽性和漸變型，使得管道失效具有突發性，通常管道內部腐蝕缺陷帶來的失效是最難監測與控制的。從力學角度分析，管道內部腐蝕缺陷的產生、發展和失效會伴隨著管線外壁表面微應變的變化。由缺陷部位管壁受影響的應力場范圍，可以確定內部缺陷對管壁應力應變影響范圍，而應變極值位置出現在缺陷中心附近，并且以周向應變為主。李娜等針對油氣管線腐蝕的FBG應變監測進行了研究，通過對管道表面微應變的實時監測，來獲取管道腐蝕的狀況[16]。利用FBG對管道表面微應變進行實時監測、數據管理和安全評估，及時對評價管道的使用情況，進而有計劃的對管道進行維修和更換管理，降低管道事故發生率，使其成為管道安全運行的重要保障。目前基于FBG的管道腐蝕缺陷監測還基本處于實驗室階段，尚有諸多技術困難需要解決，如傳感器輸出量與金屬腐蝕程度之間的定量關系，不同類型腐蝕缺陷尺寸、外界環境（壓力、溫度）與管道微應變的函數關系確立，建立分析算法對FBG實時監測數據給予分析等。隨著傳感器技術的廣泛需求和不斷進步，光纖FBG傳感器必將在管道腐蝕監測領域得到更大范圍的發展與應用。

3 結束語

光纖傳感技術利用光纖進行信號傳輸，具有傳輸損耗小、穩定性高、頻帶寬和可集成性好的特點，特別是其應用于管道監測可實現分布式的實時在線監控和遠距離傳輸，并且測量精度高、信號衰減小、安全可靠。光纖傳感技術由于其諸多優點，受到國內外的重點關注并被投入越來越多的研究。國內光纖傳感技術由于起步較晚，相關研究多處于試驗階段。可以預見，隨著研究的深入，光纖傳感技術將會得到越來越廣泛的應用，特別是會越來越多地應用到管道檢測行業中，為管道運輸的安全提供可靠的保障。

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Development and Application of Optical Fiber Sensing Technology in Pipeline Monitoring

LI Ming，WANG Xiao-lin，LV Gao-feng，QI Xian-zhi
（Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001，China）

Pipeline security is related to the human life and property, and monitoring the state of pipeline structural health in real time and on-line is the precondition to ensure pipeline security. Optical fiber sensing technology has been developed and applied in various fields, which provides excellent technical support for pipeline security monitoring. In this paper, the principle and key technology of the distributed fiber sensing system, fiber grating sensor, arrayed fiber sensing system, and fiber sensor with the intelligence structure were introduced, and their performances and features were further analyzed. Application of optical fiber sensing technologies in pipeline structure safety monitoring was presented and analyzed thoroughly, including pipeline structural monitoring, pipeline leakage detection, and pipeline internal corrosion monitoring. Research achievements of each technology were illustrated. Merits and defects of these technologies were described, and development trend of these technologies was proposed. It’s pointed out that using optical fiber sensing technologies to monitor pipeline security has bright prospect and many advantages.

Optical fiber sensing technology; Optical fiber sensing application; Pipeline structure monitoring; pipeline function monitoring

TE 88；TP 212

： A

： 1671-0460（2014）01-0054-04

2013-11-12

李明（1982-），男，新疆昌吉人，工程師，博士，2012年畢業于中國石油大學（華東）材料學專業，研究方向：金屬腐蝕檢測與防護。E-mail：upclmm@126.com，電話：024-56389865。