光纖傳感監測壓力管道泄漏技術進展綜述*

鄭元遼, 劉月明

(中國計量學院, 浙江 杭州 310018)

0 引 言

目前,能源的傳輸一般采用壓力管道進行傳輸，長輸壓力管道在實際工作中時常出現的泄露和爆管事故，采用有效的監測技術是保證壓力管道安全運行的關鍵。傳統的管道泄露檢測方法具有諸多的缺陷，如放射性示蹤劑檢漏法效率低下，只有事故時發生才能報警，無法進行事故預警;壓力點分析法存在檢測泄露敏感性差和工作受環境限制大等缺陷;聲波檢漏法受限于聲波傳送距離，無法對長距離的長輸管道進行監測，并且監測靈敏度低 。目前出現的光纖傳感監測壓力管道技術克服了傳統檢漏方法的技術限制，具有靈敏度高、實時性好、抗電磁干擾、防燃防爆和適用于長距離的遙感監測等優點 。

光纖傳感技術是目前管道檢漏技術發展的一個重要方向，在實現物理量測量同時可以實現信號傳輸，一般可分為分布式光纖和準分布光纖傳感檢漏技術 。

1 分布式光纖傳感技術

分布式光纖傳感技術是近年來光纖傳感領域的研究熱點 。目前分布式光纖傳感技術主要有：基于光反射技術的分布式光纖檢漏方法、基于光干涉技術的分布式光纖檢漏方法和基于光散射技術的分布式光纖檢漏方法等。

1.1 基于光反射技術的分布式光纖檢漏方法

大慶石油學院的鄭亞娟及其團隊設計了一種長距離輸油管道在線監測系統 ，該系統由光源模塊、光纖傳感頭和信號采集處理模塊三部分組成，其基本工作原理是光源發出的光在沿光纖向前傳輸的過程中產生后向散射，后向散射光強在向后傳播過程中隨著距離增長而按一定規律衰減，在光速不變的情況下距離與時間呈正比，根據探測器探測到的后向散射光強及其到達探測器的時間，就可以知道沿光纖路徑上任一點的初始后向散射光強。

經過實驗檢測，該分布光纖監測系統已達到的如下技術指標：光纖長度為5 km(可延長)，測溫范圍為0～90 ℃(可擴展)，溫度測量偏差小于5 ℃，對擾動外力和溫度的定位偏差小于15 m，而負壓波法檢測泄漏的定位精度為1000 m。

1.2 基于光干涉技術的分布式光纖檢漏方法

1.2.1 基于Mach-Zehnder和Sagnac干涉的分布光纖傳感技術

干涉型光纖傳感器可以檢測多種物理量，因其空間靈活性好、測量靈敏度高和安全可靠等優點,近幾年已成為光纖傳感器領域主流發展方向。由Huang Shih-chu等人提出的基于Mach-Zehnder和Sagnac干涉混合系統的分布光纖傳感技術避免了在管道附近構建光纖環結構，大大方便了在管道處鋪設傳感器的工作 。該系統是由Mach-Zehnder干涉儀和Sagnac干涉儀的混合配置結構以及ASE寬光源構成(見圖1)，該干涉儀的4條路徑只有2條具有相同的光學路徑能夠產生相干信號。泄漏點定位是通過對零點頻率的確定進行的，實驗結果表明：該混合干涉儀的信號測量分辨率約為0.5，這相比于其他干涉型光纖傳感器高得多 。該系統的檢測精度較高，實驗結果也證實了這個系統可以檢測到的泄露分布距離非常接近用OTDR方法測量的距離，但是結構復雜與經濟成本過高的缺點使之無法被廣泛運用。

圖1 Mach-Zehnder和Sagnac混合型干涉儀

1.2.2 基于干涉型分布式光纖水下管道檢漏技術

對于復雜水下環境，壓力管道正常運作的條件要比陸地上的更為苛刻。目前水下管道常用的泄漏檢測方法有水下機器人、水下導波技術等，傳統檢漏技術在檢測精度和工作效率方面都存在著不足。楊其華教授及其團隊設計了一種干涉分布式光纖水下長輸氣管道泄漏檢測系統 ，該系統的主要檢測原理是:當管道沿線某處發生泄漏時，泄漏流體與泄漏孔壁的摩擦會在管壁上產生應力波，此應力波會對鋪設在管壁上的感測光纖產生擾動，通過感測光纖的應力應變效應對光纖中傳輸的光信號相位進行調制，然后對相應的輸出干涉信號進行相應的分析處理,便可找到泄漏點位置。在泄露點距離法拉第旋轉鏡為3.994 km處，該團隊重復做了10次實驗，在10次實驗中測得的泄露都在3.994 km附近，最小相對誤差0.44 %，最大相對誤差1.47 %，與實際值比較貼近。

1.3 基于光散射技術的分布式光纖檢漏方法

光在沿光纖向前傳播的同時還會產生后向傳輸的散射光，散射類型主要有瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。

1.3.1 基于后向相干瑞利散射的分布式光纖傳感技術

工程實施規模化管理后，灌溉時農民只需在田間接1～2節軟帶即可，省去梯級灌溉提水設備搬運、鋪設管路等費時、費工的工序，避免了管路接頭漏水、阻水和接頭斷開等現象，灌溉時既省時、省力、又省錢，節省出的時間可以從事其他工作。灌溉工程建成后，明顯縮短灌溉時間，保證作物各生長期的適時灌溉，果品可增產15%以上；對于一些輸水距離較遠、灌溉困難的地塊，果農以往都很少進行灌溉，鋪設管路后，灌溉得到了保證，果品增產可達50%以上，效益更加可觀。灌溉工程提高了灌溉水利用率，每畝每年節水31.5 m3，在節水的同時每畝每年節省柴油2.74 L。

基于后向瑞利散射的光纖傳感技術適用于光纖振動的監測 。嚴冰、董鳳忠等人開展了該技術在管道監測應用方面的研究 ，其系統的測量原理見圖2。周期性的短脈沖激光進入傳感光纖后，光纖本身具有的折射率不均勻性將使脈沖激光發生瑞利散射，其中后向瑞利散射光經光纖返回耦合器，并被分布于另一端的光探測器接收。當傳感光纖上某處因外部入侵產生擾動時，由于彈光效應，該處的折射率將發生變化，從而影響該處后向散射光的相位，進而造成干涉光強的變化。將發生擾動時采集到的后向散射光強信號與未擾動的信號相減，得到的光強差即包含事件的定位和事件特征的信息。系統通過對4 km長度的光纖進行擾動傳感實驗，有效地定位了擾動的發生。

圖2 監測系統原理圖

該系統在進行監測時，一般選較大消光比的電光調制器，并用多級放大以避免單次放大倍數過大導致線寬劣化，否則,實際監測距離將遠小于理論預測距離。

1.3.2 布里淵散射

基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術在壓力和溫度的同時測量方面有著無與倫比的優勢 。傳統布里淵光時域散射技術有以下2種局限 ：一是由偏振膜色散引起的光強測量精度低，二是因脈沖寬度受聲子壽命與信噪比影響，以及SBS效應測量技術限制，使得脈沖寬度不能實現無限小。這些局限的存在嚴重阻礙了技術性能的提高。由Li W等人提出的一種名叫DPP-BOTDA的改進型布里淵散射技術突破了上述限制 ，有效提高布里淵光時域散射技術的性能。2012年，Soto M A等人提出在DPP-BOTDA中采用“復雜編碼”技術，在60 km的光纖長度上實現空間分辨率為25 cm的布里淵增益與頻移測量 ，進一步提高了該技術的技術性能。

1.3.3 拉曼散射

拉曼散射的溫度效應是通過反斯托克斯光調制光纖中由脈沖激發產生的自發反斯托克斯散射光功率，經解調后得到空間溫度場的分布信息。圖3為長距離光纖拉曼溫度傳感器典型結構圖。

圖3 光纖拉曼溫度傳感器的結構

澳大利亞的Future Fiber Technologies Pty Ltd公司同樣基于拉曼散射研制了用于天然氣管道測漏的分布式光纖傳感器通過檢測管道周邊的溫度變化來判斷是否發生泄漏，在10 km的監控范圍內，測量時間10 min，溫度分辨率為1.5 ℃ 。在2012年，Alessandro Signorini等人提出了性能更為優越的基于漸變折射率的多模和標準單模光纖拉曼溫度傳感技術，其測量性能達到以下指標：在監控范圍超過50 km情況下，測量時間少于1 min，溫度分辨率達到幾個攝氏度。

1.3.4 不同光纖傳感監測技術比較

基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術是應用最早的一項散射技術，目前研究較少，測量精度較低，傳感距離短，主要應用于周界入侵、振動監測等方面；基于布里淵散射的傳感技術對于單一分布參數的測量具有很高的精度和空間分辨率，并且傳感距離長，但目前各種利用布里淵散射技術的分布式光纖傳感器還只是主要集中在溫度和應變的測量上，而且成本高，主要應用于長距離分布式應力監測、大中型建筑工地和長期穩定性監測；而基于拉曼散射的光纖傳感技術空間分辨率與溫度分辨率都很高，測量范圍與成本介于以上2種散射技術之間，目前該技術已成熟，廣泛應用于各領域。

2 準分布式光纖傳感技術

相比于分布式光纖傳感技術，準分布式光纖傳感具有測量精度高、定位精確等優點，但是普遍存在功耗大的缺點。

2.1 雙光纖陣列檢漏技術

在管道正常服役情況下，外界突發情況引起的局部溫度變化會造成在分析儀器末端出現的反射光中心波長發生漂移，從而導致檢測出現失誤。為解決該問題，李靖及其團隊提出了一種雙光纖陣列檢測系統 ，該系統工作原理是:當管道某一處發生破裂時，石油由于自身的重力作用會沿著外壁流動，流到底部時與光纖陣列接觸。由于聚合物對石油等碳氫化合物有明顯溶脹現象，導致聚合物變形，從而帶動封裝在里邊的光纖光柵做相應的形變，這樣利用分析儀可以觀察到反射光中心波長發生明顯的漂移,從而確定泄露位置。

該技術很好地解決了石油輸送管道泄露檢測中溫度干擾的現象，提高了對泄露處檢測的準確性，它的缺點是定位檢漏的范圍十分有限。

2.2 基于準分布式FBG溫度傳感器的檢測系統

大連理工的于清旭教授及其團隊提出一種準分布式FBG溫度監測系統，該系統基本工作原理是當光纖溫度信號解調儀中發出的激光傳輸至FBG溫度傳感器陣列時，因每個FBG溫度傳感器具有各自的初始溫度、波長編碼和信號通道，所以，每個傳感器返回的信號經解調后可得到各個通道的特征波長值，經過計算機信號光譜進行分析后，即可獲得全部FBG溫度傳感器對應位置附近的溫度值。在進行實際溫度測量之前必須對各FBG溫度傳感器的Bragg波長和溫度的關系進行標定。其標定范圍在15～250 ℃內，在此范圍內測量遲滯小。通過實驗測試，該系統測得的溫度與鉑電阻溫度計的測量值相對誤差在0.5 %以下 。

3 結 論

光纖分布式與準分布式傳感技術應用于管道檢測是近年來管道檢測行業發展的熱點。光纖分布式傳感技術測量范圍大、損耗小、易于布網，適用于那些需要對長距離傳輸管道進行連續監測的工程，準分布式光纖光柵傳感技術測量精度高、傳感單元成本相對較低，但是損耗大，適用于小范圍的高精度監測和精確定位。這2種技術在當今國內外都有著比較廣泛的應用，并且都已經非常成熟。

目前，光纖傳感技術在海底管道檢測的應用研究還比較少，隨著光纖傳感技術的普及，這塊領域也將有著很好地發展前景，相信在不久的將來，光纖傳感技術會越來越多地應用于水下管道的檢測，為在各種環境中運行的能源傳輸管道提供可靠的技術保障，促進長輸油管道檢漏技術不斷發展。

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