分布式光纖管道預警系統的應用

于清澄(中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124008)

分布式光纖管道預警系統的應用

于清澄(中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124008)

基于光時域反射(OTDR)技術的分布式光纖管道預警系統，利用與管道同溝敷設的光纜中的一芯，可以有效檢測管道沿線的振動情況，采用模式識別的方式鑒別振動事件的類型，可以有效檢測管道沿線所發生的泄漏和異常情況，對危害管道安全的事件進行預警和定位。

OTDR；管道預警；模式識別；振動類型

0 引言

本文介紹基于光時域反射(OTDR)原理的分布式光纖管道預警技術，可以檢測管道沿線的振動信號，不僅可以檢測出管道發生泄漏情況，還可以對管道沿線發生的危害事件進行預警。

1 光纖預警系統原理

1.1 OTDR檢測原理

基于OTDR原理的分布式光纖管道預警系統，利用管道伴行光纜中的一芯作為分布式振動傳感器，利用高功率的激光發射器向所連接的光纜發射激光脈沖，光脈沖在光纖中向前傳輸，同時會產生后向的瑞麗散射和菲涅耳反射。反射光反射到入射端經過定向光耦合分路器、濾波器射向光電探測器，轉換為電信號，經過信號處理和分析，可以得到沿線光纖每個位置的損耗特性。

光纖的彎曲和抖動會導致膜間能量耦合發生變化，反射回入射端光的相位和強度就會發生變化。當管道發生泄漏或管道附近有機械施工、人為破壞等時間時，都會對光纖施加作用力，該位置光纖的損耗特性就會變化。

1.2 定位原理

利用光時域反射技術進行定位，根據發射光脈沖到背向散射光被反射回來所用的事件，以及光在光纖中傳輸的速度，可得計算距離的公式：

式中：L為光纖長度；c為光在真空中的速度；n為光纖線芯中

的折射率；t為信號從發射到返回的事件。

根據以上公式，在t時刻測量得到的是離光纖入射端距離L處的損耗，可以確定光纖故障點、斷點或損耗變化點的位置。

2 光纖預警系統組成

基于OTDR運用拉曼散射和瑞利散射原理的光纖管道預警系統主要有以下設備構成：

(1)探測光纜：敷設在石油管線沿線，既作為探測光纜，同時也作為數據傳輸鏈路。

(2)探測單元(IU)：即分布式光纖智能偵測主機，用于激光脈沖發射和采集、實時感應周圍壓力、振動等情況，將收集到的信息傳輸給處理服務器進行分析。

(3)處理服務器(PS)：分析和處理來自探測單元的數據信號，完成基本的信號處理工作。

(4)控制單元(CU)：用于參數配置的軟件控制，相當于工程師級用戶界面。

(5)綜合監控平臺：由MaxView服務器及數據庫服務器(選配)構成。管理用戶權限，保存日志信息，呈現報警信息作為直接操作界面為用戶提供服務。

光纖預警系統應用中需要注意以下幾點：

(1)光纜敷設深度要求

光纜施工對系統有效性的主要影響因素有三個，分別是埋設深度、土壤環境、測量距離。

預警系統探測效果還會受到周圍環境的影響，例如雨水、積雪、土壤疏松都會導致系統應用中探測性能的降低。

(2)沿線土質情況標定

光纖預警系統對第三方機械挖掘的有效探測范圍與周圍的環境也息息相關，例如土壤的疏松程度、雨水、積雪都會導致系統探測性能的降低。

光纖預警系統投用前，需對管線沿線土質情況進行了解，作為振動識別的基礎參數。一般采用探測球沿管道逐段進行探測，光纖預警系統的控制單元記錄探測球產生的振動波形，對土質參數進行標定。

(3)建立各種振動事件的識別模式

管道光纖預警系統采用模式識別的方法判斷管道入侵事件的類型，如車輛行駛、人員步行、人工挖掘、機械挖掘、管道鉆孔、火車經過等。根據各種入侵事件產生振動的頻率、振幅特性，建立不同的振動模式。采用模式識別的方式，即能屏蔽無危害的振動事件，降低誤報率，又能及時識別入侵類型，提高事件處理反應速度。

系統對常見的、對管道無危害和正常范圍內的振動事件(如鐵路穿越點火車經過、公路穿越點車輛經過等)作為常規信號提示不報警；對管道有危害的振動事件如(人工挖掘、機械挖掘)進行報警，提醒工作人員現場巡視、做出處理；

對于異常的、模式類型中未包括的振動事件(如管道泄漏、河水沖刷)進行報警，由人工進行判斷等。

3 系統應用

在西氣東輸二線蘇浙滬段的芙蓉站-上海站120km的管線上，實驗應用了上海波匯科技有限公司基于OTDR技術的管道光纖預警系統。該段管道地處江南水網，土質為黑色軟淤泥，光纜為同溝敷設的硅管光纜，沿線有多處廠房、橋梁、公路、樓群等施工工地，管道多次穿越公路、河流、高鐵，應用現場環境復雜。

芙蓉站-上海站段管道光纖預警系統安裝3年來，不斷完善振動模式庫，應用效果良好，多次發現第三方事件入侵，有效的保護了管道安全運行。

經過實際應用中的檢驗，管道光纖預警系統的預警性能基本可以達到以下技術參數：

監測光纜長度40km；

靈敏度：0.1μm形變；

響應時間：≤10s；

定位精度±10m；

漏報率零；

誤報率≤5%；

預警范圍：機械事件±10m；人為事件±3m(受地質環境影響)。

4 結語

現場實際應用表明，基于OTDR的分布式光纖管道預警技術反應靈敏、定位精度高，可以檢測到較小的管道泄漏，尤其可以對機械挖掘、自然災害等危害管道安全的事件進行及時報警和定位，實現對危害事件的及時發現、準確定位、有效制止，能夠有效提高對管道運行的安全性。

[1]鄭亞娟，王忠東，衣實賢.基于OTDR技術的光纖式輸油管道安全預警系統[J].化學自動化及儀表,2008.35(2).

[2]周琰，諸葛晶昌，封皓，曾周末，靳世久.分布式光纖管道泄漏監測及預警技術研究[J].儀器儀表學報，2008.(8).

[3]王培國，楊斌，李澤，盧大興.基于Φ-OTDR技術的通信光纜險情定位與預警系統設計與應用[J].光學儀器,2012-3.

于清澄，男，自控工程師，中油遼河工程有限公司，研究生。