分布式光纖測溫系統在管道泄漏檢測中的應用

鄭小梅，王榮昌,*，張榮斌，馬暉斌，韓 明，陸海濤

(1.同濟大學環境科學與工程學院，同濟大學長江水環境教育部重點實驗室， 上海 200092；2.嘉興市聯合污水管網有限責任公司，浙江嘉興 314000)

管道運輸是借助管道輸送氣體、液體等流體的運輸技術。近年來，該技術發展迅速，因其運輸量大、占地少、管道運輸建設周期短、費用低等優勢被廣泛應用于能源、市政建設和水利灌溉等領域，已成為陸上水、油、氣的主要運輸方式，與鐵路、公路、水運、航空運并列為當今世界的五大運輸方式，對國家經濟和社會發展有著舉足輕重的作用[1]。實際工程應用中的管道多埋藏在地下，且距離長，長期埋藏在地下的管道易受周圍環境的腐蝕、地質下沉和地面車輛壓力、人為損壞等外力的破壞，從而發生泄漏事故[2-5]。保證管道運輸的安全是維持管道正常運作的基本要求。因此，必須對運輸管道的健康情況進行實時監測，確保管道的運作安全。

傳統的管道泄漏檢測方法包括人工巡檢、平衡法、負壓波法和應力波法等[6-7]，這些方法都是在管道發生泄漏時或泄漏后進行檢測，存在定位難、距離短、成本高等缺陷，且沒有預警功能。近年來，以光纖為傳感元件及傳光介質的新型傳感技術克服了傳統技術的不足，為管道泄漏的檢測提供了一個新思路[8]。基于光纖傳感器具有防腐蝕、重量輕體積小、每個感應點均不需電能、免疫電磁干擾、靈敏度高、可實現分布式等優勢[9-10]，英國南安普敦大學于1981年首次提出分布式光纖傳感系統成為中國管道檢測領域應用最廣泛和最具發展潛力的技術手段之一[11]。實際工程中的輸送管道一般經過的地形復雜多樣，途經山川、河谷、鐵路、公路等，而沿管道敷設的分布式光纖傳感系統可提供全線連續的溫度監測，實現超長距離的傳感監測，實現對輸送管道全方位的監測，保證管道的安全運行。分布式光纖傳感系統基于不同的光纖測溫原理可分為3類：分布式瑞利光纖溫度傳感器、分布式拉曼光纖溫度傳感器和分布式布里淵光纖溫度傳感器[12]。自英國的Hartog首次以半導體激光器為光源，成功研制出分布式拉曼光纖溫度傳感器試驗裝置以來，分布式拉曼光纖溫度傳感技術不斷發展，在工程上已處于成熟階段[13]。2002年，德國柏林地區在修建地下儲氣庫時伴隨大量鹽水的產生，鹽水需要輸送到指定地點進行處理，該項目采用GESO公司開發的管道泄漏系統檢測鹽水輸送管道。光纖被埋在距離管道下方10 cm的沙子中，采用2臺采集儀串聯的方式采集溫度數據，每30 min采集儀將數據傳送到中央控制電腦進行數據分析，并在檢測到泄漏時生成警報，該系統能夠自動發送警報、生成報告、定期重置和重新啟動測量，幾乎不需要維護。2013年，Mirzaei等[14]利用光纖傳感技術進行石油模擬泄漏試驗，根據拉曼散射和布里淵散射原理檢測管道周圍的土壤溫度變化，從而判斷泄漏點的位置。該團隊通過模型計算，還提出了一種通過光纖泄漏傳感器測量泄漏流量的方法。Wang等[15]設計了一種分布式差分溫度傳感器，該技術幾乎可以瞬間檢測出光纖中的差分溫度，從而對流體運輸管道的泄漏點進行定位。2020年，Zhou等[16]采用溫度傳感器和纖維陣列收集土壤溫度的變化，對地下管道的高壓天然氣進行泄漏測試，研究了滲漏孔周圍土壤溫度的變化規律，結合數值計算，建立了最現實的泄漏模型，為氣體管道泄漏的光纖溫度檢測提供指導。分布式光纖測溫技術在各類流體運輸管道測漏領域的應用擁有巨大的潛能。本文從分布式光纖測溫系統的特點、工作原理、光纖的敷設方式和實際應用案例分析等方面對其在管道泄漏檢測的應用進行論述和分析。

1 分布式光纖測溫系統的基本原理

光從不均勻的介質中通過時，一部分光的前進方向會發生改變，這種現象稱為光的散射。光纖中光的散射分為：瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射(散射光譜如圖1所示)，其中瑞利散射對溫度的敏感度很低，目前較少應用于測溫技術中；布里淵散射存在偏振相關性問題，實際工程中應用較少；拉曼散射感溫靈敏且易與入射光分離開，被廣泛應用于管道泄漏檢測的實際工程中[17]。拉曼散射是一種非彈性反射現象，是光與傳輸介質中分子的振動或轉動模式相互作用的結果[18]。如若向光纖中打入一束激光脈沖，能量在構成物質分子的能級和入射光之間傳遞[19]，激光在光纖內部產生折損和消耗，而反射回入射端的散射光中包括斯托克斯光和反斯托斯克斯光，斯托克斯光與感溫不敏感但反斯托斯克斯光的強度與溫度成等比效應，反斯托克斯光與溫度之間的函數關系如式(1)[20]。

圖1 光纖中的3種后向散射光譜[21]Fig.1 Three Types of Backscattering Spectra in Fiber[21]

(1)

式(1)取對數可得式(2)。

(2)

其中：Lm——反斯托克斯光的光強,cd；

Ln——斯托克斯光的光強,cd；

h——布朗克系數；

c——光速,m/s；

α——與溫度有關的系數；

v——拉曼平移量，m-1；

k——鮑爾次曼常數，J/K；

T——溫度,℃。

因此，對反射回來的散射光進行過濾，提取影響其強度、頻率、相位、偏振或光譜內容的物理參數，并通過計算分析即可得到光纖上的溫度分布[22]。

光時域反射技術主要運用于光纖測溫技術的定位工作中。光源向光纖發送一束激光脈沖，脈沖在前進的過程中不斷地與周圍的光纖發生碰撞，產生的散射光返回入射端，通過計算檢測到反射光與發射光的時間差，即可定位光纖中發出反射光的位置，計算如式(3)。

(3)

其中：c——光在真空中的傳播速度,m/s；

n——光纖的折射率；

t——反射光與發射光的時間差,s。

分布式拉曼光纖測溫系統的工作原理是結合光在光纖中的拉曼散射和光時域反射技術，如圖2所示。光纖測溫系統由用戶軟件、激光光源、信號接收器、波分復用器、光電轉換器和感溫光纖組成。其工作原理是：管道泄漏會引起管壁和周圍土體的振動，以及介質和溫度的變化，如果將感溫光纜沿管道敷設，光纖感應到管道泄漏溫度變化后，對激光源的激光產生反射光感應信號，傳回信號接收器。隨后，波分復用模塊將拉曼散射中對溫度不敏感的斯托克斯光和對溫度敏感的反斯托克斯光分離，經由光電轉換器將分離開的光信號轉換為電信號，傳送給信號處理模塊；信號處理模塊采集電信號并通過信號變化檢測出光功率的變化量，將數據傳給計算機進行儲存，通過計算機對采集的溫度數據與設定的閾值進行對比，判斷管道是否發生泄漏。終端管理平臺為接警管理平臺，用戶軟件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，一旦監測到檢測部位環境溫度值或溫升速率超過設定的警戒值，用戶軟件會把超限值報告的報警信息傳送給接警平臺，發出警報，同時，手機短信及時通知管理人員。

圖2 分布式拉曼光纖測溫系統的組成Fig.2 Composition of Distributed Raman Optical Fiber Temperature Measurement System

2 光纖傳感器的敷設方式

分布式拉曼光纖測溫系統中的整根光纖既充當數據信號傳輸介質，又被用于管道沿線的溫度探測，以實現系統對管道的全方位監測，對每個點的報警探測可實現定溫、差溫和溫度均勻程度3種方式的任意混合，保證報警的可靠性。因此，合理的光纖安裝方式為整個光纖測溫系統的正常運作提供可靠保障。針對不同功能的輸送管道，光纖的安裝方式也各不相同。常見傳感光纖一般敷設于管道底部延伸線距離管道側面垂直線交點30 cm處；施工條件允許的情況下，也可將光纖緊貼管道敷設；在一些特殊的工程中也可采用光纖內置分布的安裝方式。總而言之，光纖的敷設方式要結合實際工程背景進行確定。管道泄漏引起周圍環境的溫度變化與管道運輸的介質及管道所處環境密切相關，例如，埋地石油管道和輸水管道泄漏時介質向下方土壤滲透，導致管道下方的溫度異常，此時管道下部是敷設光纖的最佳位置；而當管道處于水下時，管道泄漏往往導致石油上浮，此時光纖的理想敷設位置則與上述情況相反；當運輸的介質為氣體時，敷設光纖的最佳位置在管道正上方，因為無論泄漏點在何處，此位置接觸到泄漏氣體的可能性最大。張琨鵬等[23]基于分布式光纖測溫傳感技術，在設計針對發電企業供熱管網的智能型全程溫度場監控網絡時，采用了兩種不同的安裝方式，即以閥門前后多匝感溫光纖纏繞方式敷設和管道保溫層同軸內外方式敷設的辦法。如圖3(a)所示，纏繞式安裝方式利用了光纖自身的柔韌性，直接貼近管道外壁螺旋狀固定，實現對管道的360°泄漏監測。如圖3(b)所示，光纖內外雙層布置方式常見于保溫層中，保溫層內外各均勻布置等量獨立的光纖，通過對比保溫層內外的實時溫度差與初始溫度差，判斷保溫是否失效。如圖3(c)所示，邱偉豪等[24]直接將感溫光纖植入電纜，以檢測導體和絕緣層溫度分布為直接檢測導體和絕緣層溫度分布。趙亞等[25]將傳感光纖布放在距泄漏點5 mm的試驗管道表面，研究分布式光纖測溫系統在自來水管道泄漏檢測與定位中的應用[圖3(d)]。分布式光纖測溫系統應用于污水管網監測外來水量滲入方面，采用直接將整根光纖布置在污水管道內部的安裝方式，具有得天獨厚的優勢。因此，根據不同功能的運輸管道及測漏對象，選擇理想的光纖敷設方式顯得尤為重要。

圖3 感溫光纖測漏安裝工藝結構 (a)纏繞方式結構；(b)雙層布置結構；(c)內置結構；(d)外置結構Fig.3 Temperature-Sensing Optical Fiber Leak Detection Installation Process Structure(a) Winding Structure; (b) Double-Layer Arrangement Structure; (c) Built-In Structure;(d)External structure

3 光纖測溫技術在管道泄漏檢測中的應用案例

分布式光纖測溫技術是一項新技術，其在管道泄漏檢測中的典型應用案例如表1所示。光纖測溫技術已經成功應用于各類氣體和液體運輸管道的腐蝕和泄漏檢測，管道運輸介質主要包括自來水、冷卻水、鹽水、石油、天然氣、乙烯等。實際工程中使用的分布式光纖測溫系統的工作原理，大多是基于拉曼散射和光時域反射技術。目前，市場上存在各種規格的光纖可供選擇，且光纖的測溫范圍較廣。現有光纖測溫系統的精度能達到較高水平，測溫精度大多在1 ℃左右，定位誤差范圍在1 m以內，測量響應在幾秒內就能完成，充分說明拉曼光纖測溫系統檢測管道泄漏技術穩定可靠、技術優勢明顯，為管道運輸安全提供了重要保障。實際工程的光纖敷設方式多采用單光纖外置的敷設方式，只有對定位精度較高、危險系數高的少數工程才采用多根光纖或纏繞敷設的方式，這主要是出于成本考慮。綜上，如何進一步提高光纖測溫技術的檢測精度、降低成本、實現長距離大范圍的管道泄漏檢測是光纖測溫系統在未來發展中面臨的挑戰。

表1 光纖測溫技術在管道測漏中的應用案例Tab.1 Cases of Optical Fiber Temperature Measurement Technology in Pipeline Leakage Detection

4 結論與展望

綜上所述，分布式光纖測溫系統在管道運輸泄漏檢測方面得到了大量應用，包括天然氣和石油存儲管道、自來水運輸管道、供熱管道等。但截至目前，關于分布式光纖測溫系統在污水管網測漏方面的應用尚起步，針對污水管道呈網狀分布在地下、管道內有沉積物、污水水質復雜、污水為重力流等特點[37-38]，對光纖提出了更高的要求，光纖的測溫精度、空間分布率、溫度場識別能力等亟待進一步提高。此外，基于拉曼散射的光纖測溫技術在實際工程中應用較多，但基于布里淵散射和瑞利散射的光纖測溫技術的發展進程較緩慢，且現有基于拉曼散射的分布式光纖測溫技術仍存在許多問題。

盡管分布式光纖測溫技術目前發展尚不十分成熟，但其在管道運輸測漏中的優勢和發展潛力卻顯而易見。相信隨著科技的進步，分布式光纖測溫技術將不斷發展完善，其在管運輸測漏領域中的應用會有進一步的發展，為中國能源管道運輸的安全提供有力保障。