用于常溫輸送管線泄漏檢測的特種感溫光纜材料特性研究

徐紅 馮維一 趙霞 黃曉煒 劉禮華

摘? 要：該文提出了一種用于常溫介質泄漏檢測的被動加熱感溫特種光纜，分析了特種光纜結構中反應物材料的溫升特性。通過在光纜結構中添加反應物的方式，使管道泄漏點處的常溫介質與反應物產生化學反應而被動加熱，從而利用分布式光纖測溫技術來檢測泄漏點，實現常溫介質輸送管道健康狀態的實時監。實驗結果表明，特種光纜結構中反應層在2mm厚度時效果最佳，能夠達到泄漏點溫度檢測的要求。

關鍵詞：管道泄漏? 分布式光纖傳感? 加熱光纜? 常溫介質? 光纖測溫

中圖分類號：TE832 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）07（c）-0071-04

Study on Material Characteristics of Special Temperature Sensing Optical Cable Used for Leakage Detection of Normal

Temperature Transmission Pipeline

XU Hong1，2? FENG Weiyi2? ZHAO Xia1，2? HUANG Xiaowei1? LIU Lihua2

（1.Jiangsu Fasheng Optical Communication Technology Co.， Ltd.;2.Jiangsu Fasheng Photoelectric Technology Co.， Ltd.， Wuxi， Jiangsu Province， 214433 China）

Abstract： In this paper， a kind of passive heating temperature sensing special optical cable used for the detection of medium leakage at room temperature is proposed， and the temperature rise characteristics of reactant materials in the structure of special optical cable are analyzed. By adding reactant in the structure of optical cable， the normal temperature medium and reactant at the leakage point of the pipeline will react passively and heat up， so that the distributed optical fiber temperature measurement technology can be used to detect the leakage point and realize the real-time monitoring of the healthy state of the normal temperature medium transmission pipeline. The experimental results show that the effect of the reaction layer is the best when the thickness of the reaction layer is 2mm， which can meet the requirements of the temperature detection of the leakage point.

Key Words： Pipeline leakage; Distributed optical fiber sensing; Heating optical cable; Normal temperature medium; Optical fiber temperature measurement

分布式光纖測溫技術（Distributed Temperature Sensing，DTS）以其高空間分辨率、高測量精度和傳感距離長等優點，已被廣泛研究和應用于實際工程中，尤其是管道泄露監測領域，但是對于常溫介質輸送管道，如供水管道，傳統光纖測溫技術可能難以識別泄漏點的發生，需要一種特殊結構的光纜。

針對常溫管道泄漏監測難題，南京理工大學、大連理工大學等高校進行了主動加熱光纖法管道泄漏監測實驗，提高了常溫管道泄漏的監測精度。但采用主動加熱方法制成的光纜需要供電，不適合在長距離管道監測中應用。在中國專利文獻中公開了一種用于常溫輸送管線分布式光纖測溫裝置及測溫方法，這是一種將感溫光纜、加熱包密封在輸送管道外部，然后將感溫光纜與DTS主機連接，加熱包作為被動熱源。當有常溫介質泄漏時，會觸發加熱包升溫，從而檢測出泄漏點。這種被動加熱光纖的方法在實施起來需要將加熱包、光纜和管道密閉處理，工序復雜，不便于大規模應用。該文提出了一種新型的被動加熱光纜結構，能夠適合長距離管道監測，且敷設簡單，并且對于光纜材料中被動加熱材料的使用量進行了實驗分析。

2? 特種感溫光纜結構

為解決常溫下供水管道泄漏檢測的難題，該文提出了一種被動加熱感溫特種光纜結構，如圖1所示。該結構從外向里主要分為開槽的PE護套、并帶樹脂薄膜、反應物、束管和光纖，其中并帶樹脂薄膜起到一定的阻水作用，防止內部反應物受雨水濺射等微小水量引起誤報。反應物成分為氧化鈣，遇水能發生化學中和反應迅速放熱，使管道泄漏點處的光纜加熱升溫，并由內部多模光纖感知溫度變化，從而判斷常溫供水管道是否發生泄漏事件。光纜不僅不需要供電，且內部反應物得到很好的保護，解決了長距離常溫管道泄漏監測和預警的工程化應用問題，提升了管道數字智能化安全監測水平。

3? 氧化鈣反應溫度特性實驗與分析

為使光纜內部反應物能夠產生最佳的反應效果，該文研究了氧化鈣與無機鹽水、弱酸、弱堿接觸后的升溫速率，確定達到最佳升溫反應時的氧化鈣和3種溶液的配比，評估反應放熱效果。實驗中氧化鈣主要涉及的化學反應有3種：（1）氧化鈣與水反應：CaO+H2O=Ca（OH）2;（2）氧化鈣與鹽酸反應：CaO+2HCl=CaCl2+H2O;（3）氫氧化鈣與鹽酸反應：Ca（OH）2+HCl=CaCl2+H2O。化學中和反應帶有熱量產生，實驗在室溫27℃下進行，并采用紅外電子溫槍來探測溫度隨時間的變化情況。

首先配置了一定濃度的NaCl水溶液（質量比2.5%，ph=7）、稀鹽酸溶液（質量比0.025%，ph=2）和氫氧化鈉溶液（質量比0.1%，ph=10），并將1g、1.5g、2g、2.5g這4種質量的氧化鈣粉末分別放置在4個培養皿中（培養皿直徑35mm，4種質量在培養皿中均勻鋪開后對應厚度分別為1mm、1.5mm、2mm、2.5mm），共12個培養皿，如圖2所示。

3.1 不同溶液與不同質量的氧化鈣反應情況

將相同體積（0.5mL）的3種溶液分別滴入不同質量的氧化鈣粉末上，使其吸收反應，并利用紅外測溫槍每隔1min分別記錄下各自的溫度變化情況，其反應升溫曲線如圖3所示。

從圖3（a）中可以看出，不同質量的CaO與NaCl溶液反應的劇烈程度不同，其中2.5g的CaO與0.5mL的NaCl溶液反應最劇烈，升溫最高，產生的熱量使培養皿發生變形，如圖3（d）所示。不同質量的放熱反應從第2分鐘開始變得明顯，7min以后，所有放熱反應基本結束，開始降溫。從圖3（b）中可以看出，不同質量的CaO與HCl反應的劇烈程度不同，其中2g和2.5g的CaO與0.5mL的HCl溶液反應最劇烈，升溫最高，產生的熱量使培養皿發生變形。不同質量的放熱反應從第3分鐘開始變得明顯，8min以后，所有放熱反應基本結束，開始降溫。從圖3（c）中可以看出，不同質量的CaO與NaOH溶液反應的劇烈程度不同，其中2g和2.5g的CaO與0.5mL的NaOH溶液反應最劇烈，升溫最高，產生的熱量使培養皿發生變形。不同質量的放熱反應從第4分鐘開始變得明顯，9min以后，所有放熱反應基本結束，開始降溫。

從反應放熱的程度來看，3種溶液的反應速度大小順序依次為：稀鹽酸、水、NaOH，即CaO與水反應放熱比較快，從第2分鐘后就開始升溫，酸和堿溶液與CaO反應放熱相對滯后，所有反應的放熱時間基本在5min之內結束。由此可以看出，在體積相同的溶液情況下，CaO的質量越多，反應放熱越明顯，無機鹽水、弱酸和弱堿和CaO接觸后放熱情況基本相似。

3.2 不同體積的溶液與氧化鈣的反應情況

從3.1節的結果來看，質量為1.5g和2g的CaO與溶液反應升溫效果比較理想，而且不是異常劇烈。因此該文還進行了不同體積的NaCl溶液與這兩種質量的CaO的反應。將0.5mL、1mL和1.5mL的NaCl溶液分別滴入1.5g和2g這兩種質量的氧化鈣粉末表面，使其吸收反應，每隔1min記錄下滴液中心溫度變化情況，繪制不同體積溶液與兩種質量的氧化鈣反應后的溫度變化曲線如圖4所示。

從圖4中可以看出，不同體積的NaCl溶液與CaO反應的劇烈程度不同，溶液過多或過少均會影響反應時溫升情況。當CaO量比較少時，不同體積的溶液反應后溫度變化趨勢比較一致，而當氧化鈣較多時，不同體積的溶液反應后溫度持續時間不一致。

從CaO和水化學反應式的摩爾質量比（54：18）也可以看出，CaO和水充分反應的質量比大約3：1。實驗中，由于CaO放置在培養皿中，不同質量厚度不同，且與水接觸面不均勻，因此該實驗得到的比較理想的情況是1mL水與2g氧化鈣接觸，反應放熱情況較好，即光纜中CaO粉末層最佳情況在2mm。

4? 結語

該文針對常溫供水管道泄漏問題提出了一種被動加熱的特種感溫光纜結構，并對結構中反應物CaO與常溫介質的反應情況進行了實驗，實驗結果表明，當光纜中反應層CaO粉末在2mm厚度時效果最好。目前設計的光纜結構可以起到阻隔少量水、檢測常溫介質泄漏的作用，為長距離常溫管線的泄漏監測應用提供借鑒意義，后續將會對相應的特種光纜產品做進一步驗證。

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