分布式光纖管道泄漏檢測實驗平臺設計與搭建

周 寧， 李海濤， 劉 超， 趙會軍， 馬臣信， 張國文

(常州大學 石油工程學院, 江蘇 常州 213016)

分布式光纖管道泄漏檢測實驗平臺設計與搭建

周 寧， 李海濤， 劉 超， 趙會軍， 馬臣信， 張國文

(常州大學 石油工程學院, 江蘇 常州 213016)

針對常見輸送管道泄漏事故，設計了基于分布式光纖技術檢測管道泄漏的實驗平臺，闡述了實驗平臺功能、平臺構建、數據采集處理、監控系統設計以及泄漏檢測軟件開發等。通過開展模擬長輸管道泄漏實驗，讓學生了解光纖泄漏檢測系統的基本構成，掌握分布式光纖泄漏檢測與定位基本原理，掌握光纖泄漏檢測系統操作使用方法和泄漏事故發生后的處置方法，提高了學生的工程實踐能力。

管道泄漏檢測； 實驗平臺； 分布式光纖； 泄漏定位

近年來,隨著我國油氣管網總體建設的快速推進,基干管網和部分區域性管網已基本形成,同時由于管道運行磨損、設備老化及人為損壞等因素引起的管道泄漏事故亦時有發生[1-2]。管道泄漏事故的危害很大,因此對管道泄漏檢測和定位技術的研究具有極為重要的現實意義,是油氣安全運輸的根本保障。分布式光纖檢測系統作為一種新技術應用于管道泄漏檢測與定位,具備響應速度快、定位精度高、維護成本低、誤報警率低、耐腐蝕、抗電磁干擾等優點[3],彌補了傳統管道泄漏檢測技術的諸多不足,研究基于光纖傳感器的油氣管道泄漏檢測具有較好的前瞻性和應用價值。但是,作為一種新技術,大部分人對光纖傳感技術了解較少。鑒于此,常州大學油氣儲運技術省重點實驗室搭建了模擬輸油管道光纖泄漏檢測實驗平臺,讓學生關于輸油管道泄漏檢測與定位技術，培養學生的數據采集、分析以及處理方法等能力,加深了學生對分布式光纖管道泄漏檢測技術在工程應用中的認識和理解。

1 分布式光纖泄漏檢測定位技術基本理論

分布式光纖泄漏檢測技術是基于輸油管道泄漏點的溫度變化轉化成光電信號,通過對管道及管道環境溫度參數的監測對比,實時發現溫度變化異常從而判斷傳輸管道是否泄漏,結合光纖的光時域反射技術可精確確定溫度變化點的實際物理位置[4]。

分布式光纖泄漏檢測原理是依據后向 Raman 散射的溫度效應,光在光纖中傳播時會產生多種微弱的背向散射光,其中的Raman 散射譜帶具有較大的位移,因此可通過過濾、波分復用器分離及光電二極管監波器(APD)等流程對其進行探測,其波長較長的Stokes譜帶對溫度的反應遲鈍,而波長較短的Anti-Stokes譜帶對溫度表現出很強的敏感度,而且這兩種成分的光強度與溫度變化成比例[5],因此通過Raman散射,可準確計算光纖各點的溫度,通過溫度的實時變化,即可確定是否發生泄漏。

分布式光纖傳感定位原理是依靠主機向探測光纜發射激光脈沖,通過監測后向Raman散射光的返回時間,從而確定泄漏點的位置。設光纖總長2L,現屏蔽一半光纖,光纖首端距泄漏點位置的距離為X,激光脈沖波經1∶1分束后分別進入光纖,同時用2個光電檢測器分別檢測光纖兩端的光電信號,即可確定2個測試信號的時間差[6],進而確定泄漏點。

光波沿整個光纖傳播的時間為

(1)

其中,C為光速；n為光纖的折射率。

光波信號從泄漏點X傳到兩端點的時差τd和X分別為,

(2)

(3)

從(3)式可以看出,當泄漏檢測系統確定后,光纖總長確定,此時泄漏點到光纖首端的距離X僅與τd有關,因此可以通過確定τd進而確定泄漏點的位置。

2 實驗平臺設計

2.1 實驗平臺需求性分析

輸油管道輸送的大部分是易燃易爆物質,由于輸送管道長期工作于高壓、變溫和帶有腐蝕性的介質中,必然會存在各種危險隱患。通過調研發現[7-8]:目前管道泄漏事故主要存在的安全隱患為腐蝕、管道材質差、第三方破壞、施工質量差、操作失誤等。

傳統的管道泄漏檢測技術存在可靠性、實時性難以保證,對于微小的泄漏基本無法檢測。分布式光纖檢測技術不但可以實現實時監測,還具備抗電磁干擾、抗震防爆以及耐高溫、耐水、防腐蝕等特性,而且系統簡單、安裝維護方便、壽命長、成本低。

2.2 實驗環境基本狀況

常州大學實驗基地管道為室外明裝,實驗裝置見圖1。基于該實驗環境基本狀況,分布式光纖檢測系統設計與安裝需滿足以下要求:

(1) 由于管道為室外明裝,日曬雨淋、氣候變化等對光纜有一定損害,因此光纜外護套設計必須具有耐腐蝕、耐老化、抗拉強度大等特性；

(2) 由于管道為金屬材質，導熱性能良好,光纜裸露安裝且無保溫措施,管道內壁溫度與外壁溫度基本一致,光纜與管道緊密敷設時實際監測為管道外壁溫度,即使泄漏也很難監測泄漏點溫度變化,因此外加熱源模擬泄漏熱源開展管道模擬泄漏測試；

(3) 由于實驗基地規模有限,管道采用環繞疊加設計安裝,因此必須對管道進行位置定標,從而實現光纖泄漏檢測的迅速定位。

圖1 常州大學實驗基地現場

2.3 實驗平臺及管道泄漏檢測系統設計

實驗平臺主要由分布式光纖溫度傳感系統和輸油管道等相關設備組成,架構見圖2。光纜鋪設方式采用緊貼管道平行鋪設,便于人為模擬泄漏。實物圖見圖3。

圖2 分布式光纖管道泄漏檢測架構

2.3.1 分布式光纖傳感系統設計

傳感系統主要由感溫光纜、DTS系統、監控主機及相關外接設備等組成,見圖4。

圖3 實物圖

圖4 分布式光纖傳感系統組成

(1) 感溫光纜。光纜設計首先必須滿足測溫響應快的特點,實驗平臺采用特殊設計的快速導熱型光纜,纖芯采用G.652D單模光纖。光纜外護套設計必須滿足耐腐蝕、耐老化、抗拉強度大等特性,因此外護套選用高性能的阻燃防腐材料,該材料不但抗拉強度大,耐彎、耐壓性能好,而且防水、抗腐蝕,可靠性高,可以滿足外護套的設計要求。為滿足防潮及防止外力破壞的要求,對光纖保護層采用不銹鋼套管防護。光纜構造見圖5,技術參數見表1。采用該光纜既能快速傳遞外界熱量,又可有效保護光纜內部的光纖,還能防止動物的嚙咬。

圖5 感溫光纜結構

名稱性能指標名稱性能指標光纖類型G.652D抗拉力/N400光纖接頭FC/APC彎曲半徑/mm最小33光纖外徑/mm3.3外護套阻燃聚合物不銹鋼管抗壓強度/(N·cm-1)4000

(2) DTS系統。分布式光纖溫度傳感系統(DTS),系統主機由脈沖光源,APD 探測器,A/D 采集單元,FPGA 控制單元、DSP 單元、ARM 控制單元,定標光纖,PC 機等組成,主要負責探測光纜現場溫度和光電信號傳輸、處理、報警和參數設置等功能。DTS系統的設計主要是針對DTS多模系統和單模系統的選擇、探測器以及采集卡的選用等。在光纖中Raman散射光強極其微弱,而多模光纖相較單模光纖有著更強的Raman散射強度,在實際檢測中更容易探測并有良好的解調效果；但是多模光纖同時也存在模式色散問題,光波脈沖在傳輸過程中會隨著檢測管道長度的增加而出現脈寬展寬,從而直接導致遠端空間分辨率迅速惡化。實驗平臺是針對長輸管道泄漏檢測的模擬,本著實驗教學盡量真實模擬實際工程應用的原則,實驗平臺選用DTS單模系統,同時選用雪崩光電二極管(APD)實現對微弱Raman散射光的探測,經過放大器處理后Raman散射光強可以清晰地被采集卡接收。該實驗平臺DTS單模系統關鍵技術參數見表2。

表2 DTS單模系統關鍵技術參數

(3) 監控主機。監控主機為普通臺式電腦,用于信號的接收、解調以及展示。

2.3.2 分布式光纖管道泄漏檢測系統功能

該系統設計有功能完善的中文交互界面,實時顯示溫度分布曲線和待測區域報警狀態,可根據實際工況分區設置多級報警閾值,并提供歷史數據查詢、歷史數據回放、統計分析功能等。泄漏實時監測系統可實現:(1) 模擬長輸管道實時監測功能,即實時顯示管線上的溫度分布曲線、各點溫度隨時間變化曲線,通過鼠標在通道上點選,可以顯示現場通道各點的詳細信息；(2) 泄漏報警,當系統監測到模擬長輸管道某處發生泄漏時,系統會自動報警,報警方式為主控機屏幕顯示泄漏報警信息和泄漏定位、系統主機聲光報警提示等；(3) 數據管理,即測量數據、記錄報警信息及系統操作實時保存等,學生可根據報警時間、報警事件類型等查詢或調用歷史數據,實現歷史數據回放功能；(4) 通信功能,即泄漏實時監測系統的測量數據既在當地實時顯示，也實時地傳向管道運營控制中心。系統監控主機界面見圖6,圖中藍色多圈環線為盤繞在實驗環道的光纖傳感器。

圖6 監控主機軟件界面

3 實驗教學過程

分布式光纖管道泄漏檢測實驗需要6位學生協同操作,3位學生負責室外基地實驗,2位學生負責室內實驗：其中1位學生負責用加熱帶或熱水浴模擬熱油泄漏的熱源,1位學生負責現場測試參數記錄并協助其同伴,2位學生負責現場管線模擬泄漏的人工定位測試,2位學生負責室內DTS主機控制,同時記錄實驗數據。基本的教學過程如下:

(1) 實驗前向學生介紹整個實驗平臺、相關裝置及實驗安全教育；

(2) 講解模擬長輸管道泄漏檢測的整個實驗具體操作過程、分布式光纖檢測及定位基本原理、DTS工作原理以及實驗現象及數據分析處理方法等；

(3) 指導學生分組開展實驗,對學生在實驗過程的操作、數據采集系統的參數設置操作進行指導。

3.1 實驗關鍵環節及數據采集

該實驗平臺采取人為模擬加熱原油泄漏測試,采用熱水浴和加熱帶兩種加熱方式模擬泄漏原油對管道周邊的加熱作用。在光纜定標位置分別為10、1 350、2 090 m 3點處進行溫度標定，并針對測溫精度、光纜響應時間、報警響應時間以及定位精度等關鍵性技術參數進行檢驗。檢驗結果表明:采用水浴加熱方式時,測溫精度保證在±3 ℃以內,光纜響應時間和報警響應時間分別為2 s和6 s之內,定位精度為±1 m；采用加熱帶加熱方式時,測溫精度可提高至±1 ℃內,對其他技術參數無明顯影響。具體測試方法及結果見表3。

表3(續)

水浴加熱模擬原油管道泄漏測試和加熱帶加熱模擬原油管道泄漏測試實驗現場如圖7所示。

圖7 熱水加熱測試和加熱帶測試實驗現場

3.2 實驗數據處理結果

模擬實驗數據處理結果見圖8。圖8中DTS溫度曲線和DTS光強曲線的橫坐標均為光纜沿線長度,縱坐標分別表示光纜沿線溫度和光強。圖中顯示了光纜在模擬長輸管道泄漏位置1 350 m處溫度和光強發生了突變,實際工程應用時,可根據設定溫度或光強預警閥值,一旦系統監測到長輸管道某處溫度或光強超出報警閾值時立即發出聲光報警。

圖8 實驗數據處理結果

4 結語

為滿足實驗教學要求,根據長輸管道泄漏實時監測的特點與要求,考慮現有油品儲運管道輸送實驗裝置的現狀,設計并搭建了模擬長輸管道泄漏檢測實驗平臺。根據管道系統特點和現場環境,對光纜結構、敷設布局等進行了整體設計,對DTS檢測系統總體架構、實現功能以及軟件界面開發等作了適當的需求性調整,同時制定了合理、有效的模擬測試方法。通過模擬長輸管道泄漏檢測實驗平臺,學生可掌握分布式光纖管道泄漏檢測實驗的操作過程,掌握管道泄漏檢測與定位的基本原理,了解長輸管線泄漏發生后的基本處置程序,培養了學生應用基礎理論知識分析和解決實際問題的能力。

References)

[1] 王明達,許長航,付建民.管道泄漏檢測實驗平臺設計與開發[J].實驗技術與管理,2014,31(11):105-110.

[2] 焦嬌娜,王建軍,韓克順,等.城市燃氣管網泄漏檢測系統構建與實驗設計[J]. 煤氣與熱力,2013,33(7):26-29.

[3] 馮其紅,胡偉,戰永平.石油工程專業大學生工程實踐與創新能力培養途徑改革[J].實驗技術與管理,2012,29(12):16-19.

[4] Pei Fujun,Yang Dong, Liu Hongyun. Design and implementation of ship pipeline leakage monitor based on optical fiber interferometer[J].Journal of Beijing University of Technology, 2015,41(7):984-990.

[5] Hu Zhengsong, Yang Qihua, Qiao Bo. Design of interference distributed fibci-optic underwater long gas pipeline leakagedetection system[J].Laser and Optoclectronics Progress, 2012,49(7):322-325.

[6] 韓玲娟,王強,楊其華,等.基于分布式光纖傳感的水下輸氣管道泄漏檢測與定位分析[J].傳感技術學報,2015 ,28(7):1097-1102.

[7] Huang Yuc, Wang Qiang, Han Lingjuan,et a l .Support vector machine based distributed optical fiber leakage detectionsystem and experimental analys[J].Journal of Applied Optics, 2015,36(3):424-429.

[8] 王冬旭.非介入式氣體管道泄漏檢測的可行性研究[J].管道技術與設備,2011(1):21-22.

Design on experiment for detection systemof distributed optical fiber pipeline leakage and its platform construction

Zhou Ning, Li Haitao, Liu Chao, Zhao Huijun, Ma Chenxin, Zhang Guowen

(School of Petroleum Engineering, Changzhou University, Changzhou 213016, China)

In view of the common accident of the pipeline leakage，an experimental platform based on distributed optical fiber leakage detection technology is designed, the functions of the experimental platform, the platform construction, data acquisition and processing, designing of control-system, development of leakage detection software, etc., are described. By carrying out the simulation experiment of the pipeline leakage, the students can understand the basic structure of optical fiber leakage detection system, master the basic principles of distributed optical fiber leakage detection and positioning, and know well about the operation and application of such detection system and the disposal method after a leakage accident, which can improve their ability of engineering practice.

pipeline leakage detection； experimental platform； distributed optical fiber； leakage positioning

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.021

2016-11-21 修改日期：2017-01-04

國家青年自然科學基金項目(51204026)；江蘇省高校“‘青藍工程’資助”項目 (SCZ1409700002)；建筑消防工程技術公安部重點實驗室開放課題項目(KFKT2014MS02)；常州市科技支撐計劃項目(CE20155025)

周寧(1977—)，男，四川仁壽，博士，副教授，主要從事爆炸與沖擊動力學、油氣爆炸安全、油氣儲運工程等方面的研究.

E-mail：zhouning@cczu.edu.cn.

TE88；G484

A

1002-4956(2017)5-0083-05