光纖傳感技術在海底管道泄漏監測方面的應用

張慶所，胡 江

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300452)

光纖傳感技術在海底管道泄漏監測方面的應用

張慶所，胡 江

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300452)

海底管道作為海上油氣運輸的重要設施，一旦發生泄漏事故，不僅會造成巨大的經濟損失和環境污染，還會造成重大的社會影響，因此亟需一種在線監測技術來對海底管道進行實時在線監測。針對目前對海底管道因腐蝕和第三方破壞等造成海底管道泄漏無法進行實時監測和定位的問題，開發了基于光纖傳感技術的泄漏監測系統。通過實際應用，該系統能夠有效地進行海底管道泄漏監測。

海底管道 光纖傳感技術 泄漏監測

海底管道是海上石油、天然氣運輸方式中最經濟合理的選擇，而隨著海底管道的不斷建造以及服役時間的增長，腐蝕和第三方破壞等對海底管道造成損傷的可能性也在不斷增加，當海底管道的損傷達到一定程度后難免會造成油氣泄漏事故的發生。油氣泄漏一旦發生，不僅會造成巨大的經濟損失，污染海洋環境，往往還會造成重大的社會影響。

目前海底管道對數字化、實時連續、高效安全監測的需求日益增加，對于監測手段也有了更高的要求，包括監測效果、監測范圍、監測過程的安全性、監測設備對于環境的耐受性和使用壽命等。傳統的監檢測技術存在效果較差、范圍有限、對于人力依賴較大、無法實現實時在線連續性監測等問題，難以真正實現海底管道對高效安全監測的要求。因此如何安全、科學、有效、經濟地對海底管道進行監測是一個十分迫切且有現實意義的重大課題。

1 光纖溫度傳感技術

20世紀70年代，人們在實驗中首次將光纖用于傳感而非通訊，[1]開啟了現代光纖傳感技術的先河。隨著研究的深入，光纖傳感技術可傳感的距離越來越遠，傳感器也由單點傳感方式過渡到分布式傳感方式。現代光纖傳感技術已經成功從實驗室走向工程，并成功應用于航天航空、建筑、化工、交通、軍事等領域。

1.1 準分布式光纖傳感技術

準分布式光纖傳感技術是一種以光纖將多個光學傳感器以串聯或并聯的方式連接在一起，利用頻分復用、時分復用等方式使多個傳感器的信息共用一條光纖傳輸到監測終端的傳感技術。它可以同時感知多個點位的環境信息(如溫度、壓力、傾角、微應變等)。基于此技術的傳感系統主要有：基于Mach. Zehnder和Sagnac干涉儀的光纖聲學傳感系統、基于Joule-Thomson效應的輸氣管線泄漏傳感系統、[2]基于Sagnac干涉儀的準分布式光纖聲學傳感系統。[3]

準分布式光纖溫度傳感系統是利用波分復用技術，將不同中心波長的FBG傳感器串連在1條光纖上，實現對多點位的溫度監測。如圖1所示，寬帶光源發出的激光是不同波長的光混在一起。激光通過耦合器后，入射光中特定波長的光被FBG傳感器反射回來，經過耦合器傳輸至解調儀(即圖中的AWG)中進行解碼。

圖1 準分布式光纖溫度傳感系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of quasi distributed optical fiber temperature sensing system

每一個FBG傳感器所反射的光擁有不同的中心波長λB，中心波長的數值受環境溫度的影響。通過解碼各傳感器中心波長的變化即可得知各點位的溫度變化，實現各點位溫度的同時監測。

雖然準分布式光纖傳感系統實現了對多個點位的同時測量，但其只能對已布設傳感器的離散點位進行監測，并不能做到對某一段路徑區間內的無盲區監測，因而不適用于海底管道這種長距離、大范圍空間場的監測。

1.2 全分布式光纖傳感技術

全分布式光纖傳感器利用1根光纖作為延伸的敏感元件，光纖上的任意一段既是敏感單元又是其他敏感單元的信息傳輸通道，因而可獲得被測量沿此光纖空間和時間變化的分布信息。它消除了傳統傳感器存在的傳感“盲區”，從根本上突破了傳統的單點測量限制，是真正意義上的分布式光纖傳感器，適合應用于海底管道。

2 管道泄漏監測系統的泄漏監測原理

激光器發出的光射入到光纖中，會在光纖中發生拉曼散射。其中背向拉曼(Raman)散射中因分子能級間的轉換，包含有高于入射光頻率的反斯托克斯光和低于入射光頻率的斯托克斯光。[4]反斯托克斯光強度隨溫度變化顯著，而斯托克斯散射光基本與溫度無關。因此可以在入射端測得反斯托克斯光強度并根據時間變化來獲取溫度信息，通過光時域反射技術來對散射發生處進行定位。[5-7]

式中：Ias、Is分別為Raman散射的反斯托克斯光和斯托克斯光的光強；vas、vs分別為Raman散射的反斯托克斯光和斯托克斯光頻率；Δγ為Raman散射頻移波數，僅與光纖材料有關；h為普朗克常量；k為玻爾茲曼常量(見圖2)。

圖2 激光散射原理圖Fig.2 The principle of laser scattering

原油管道發生泄漏后，高溫高壓液體由于內外壓差向外泄漏，會導致泄漏點附近溫度升高。光纖傳感分布式監測管道泄漏主要是基于激光散射溫度測量原理，通過伴隨管道的光纜測量泄漏時的溫度變化來識別泄漏的發生并定位(見圖3)。

圖3 管道泄漏監測原理Fig.3 The principle of pipeline leakage monitoring

3 海底管道安全監測系統

不同于準分布式的FBG傳感系統，[8-10]本系統為全分布式系統，光纖既是傳光元件又是傳感器。本監測系統首次實現了利用光纖傳感技術對海底管道進行安全監測，包括海底管道泄漏監測和海底管道振動監測。系統主要由監測主機、傳感光纜、監測軟件和顯示器構成，如圖4所示。

①監測主機具有多通道光電轉換功能以及插損小、易擴展等特點，同時提供各種報警指示燈，方便了解運行狀態，另外還負責數據實時采集，便于后期軟件分析處理。監測主機內部主要包括激光器、電光調制器及其電驅動器、光耦合器、聲光調制器、光接收組件等。②傳感光纜為上述伴隨海底管道鋪設的光纜，采用鎧裝結構，力學和熱傳導性能優秀；該光纜響應快、衰減小，提高了系統的測量精度和測量范圍，主要負責信號采集和信號傳輸。③監測軟件提供監測現場線路全程分區圖及其溫度、振動分布曲線，有利于報警的及時定位；同時該監測軟件至少可以分為128個分區，分區可獨立報警，方便定位；采用全中文友好界面，操作便捷，易于升級。④顯示器采用高清液晶顯示器，主要負責監測結果及監測曲線的顯示。

圖4 系統構成Fig.4 System components

本監測系統首次實現了海底管道泄漏的實時在線監測，從而可以第一時間發現泄漏點和泄漏位置，為海洋油氣田安全生產和環境保護提供了有力保障，具有重大的社會和經濟價值。

4 現場應用

目前，該系統已在渤海某2座海洋平臺之間的海底輸油管線上進行了應用。為了驗證該監測系統進行海底管道監測的有效性，在平臺上做了測溫實驗。實驗是將局部光纜放入熱水中，觀察光纜加熱時的溫度變化，如圖5、6所示。

圖5 光纜加熱Fig.5 Heating the fiber cable

圖6 加熱后測溫結果Fig.6 Monitoring results after heating

為了方便觀察，在圖6中只顯示了前500,m光纜的測溫結果，圖中白色曲線為溫度曲線。可以看出，對光纜加熱后，圓圈所示位置明顯出現1個峰值，此處正是光纜加熱的位置。由于前200多m光纜在海面以上，其余光纜在海面以下，從圖6還可以看出，海面以上光纜的溫度明顯高于海面以下光纜的溫度，該測溫實驗是在夏天進行的，這也與實際相符。

5 結 論

本文針對目前對海底管道因腐蝕等造成管道泄漏無法進行實時監測和定位的問題，開發了基于光纖傳感技術的安全監測系統，可以通過監測海底管道的溫度來反映海底管道泄漏情況并定位。同時研究的適用于海底管道的光纜鋪設工藝，有效保證了該項技術能夠應用到實際中。另外通過現場測溫實驗可知，該監測系統能夠對海底管道的溫度進行有效監測，為海洋油氣田的安全生產和環境保護提供保障，提升經濟及社會價值。■

［1］ Grattan K T V，Sun T. Fiber optic sensor technology：an overview [J]. Sensors and Actuators A(Physical)，2000，82(1)：40-61.

［2］ Kaseh M，Hurtig E，Grosswig S，et a1. Leak detection and online surveying at underground gas pipelines using fiber optic temperature sensing [J]. Oil Gas-European Magazine，1997，23(3)：17-18.

［3］ Vakoc B J，Digonnet M J E，Kino G S. A novel fiberoptic sensor array based on the Sagnac Interferometer[J]. Journal of Lightwave Technology，1999，17(11)：2316-26.

［4］ 劉天夫，張步新. 光纖后向拉曼散射的溫度特性及其應用[J]. 中國激光，1995(9)：695-700.

［5］ 孫崢，劉曉麗，朱士嘉. 利用光纖拉曼散射溫度傳感系統的電力電纜溫度在線監測[J]. 光纖與電纜及其應用技術，2009(2)：33-37.

［6］ 李政. 拉曼散射理論及其應用[D]. 北京：北京工業大學，2005.

［7］ 耿軍平，許家棟，郭陳江，等. 全分布式光纖溫度傳感器研究的進展及趨勢[J]. 傳感器與微系統，2001(2)：4-8.

［8］ 張金濤，劉士奎，劉盛春，等. FBG溫度傳感特性的實驗研究[C]. 第九屆全國敏感元件與傳感器學術會議，2005.

［9］ 劉海鋒，王虎，劉偉，等. 基于短柵區光纖光柵傳感器的油氣管線腐蝕在線監測系統研究[J]. 傳感技術學報，2013(10)：1379-1383.

［10］ 陳雅楠，曹宏遠，向安，等. 基于光纖傳感油氣管道安全監測評價系統研究[J]. 科技創新導報，2013(7)：102-103.

The Application of Optical Fiber Sensing Technology in the Monitoring of Submarine Pipeline Leakage

ZHANG Qingsuo，HU Jiang
(CNOOC(China)Co.，Ltd．Tianjin Branch，Tianjin 300452，China)

As an important facility for offshore oil and gas transportation，submarine pipeline would cause not only huge economic loss and environmental pollution，but also bad social influence in case of a leakage accident．Therefore，it is necessary to develop a monitoring technology for submarine pipeline in real time online monitoring．To solve the problems of the failure in both real-time monitoring of submarine pipeline and position locating for submarine pipeline leakageswhich are caused by corrosion and destruction by any third party activities，this paper presents a safety monitoring system based on optical fiber sensing technology．This monitoring system can implement real-time monitoring and locate the leakage of submarine pipeline．Satisfying results were obtained after testing.

submarine pipeline；optical fiber sensing technology；monitoring of pipeline leakage

X21

A

1006-8945(2016)03-0045-03

2016-02-04