分布式光纤传感器在管道微泄漏监测中的应用

刘故箐邵海年李琼玮

(1.西安通信学院;2.南海舰队;3.长庆油田公司油气工艺研究院)

分布式光纤传感器在管道微泄漏监测中的应用

刘故箐1邵海年2李琼玮3

(1.西安通信学院;2.南海舰队;3.长庆油田公司油气工艺研究院)

在现有的管道泄漏监测技术中,分布式光纤传感器是一种非常具有发展前景的技术。它利用管道发生泄漏时管道周围温度发生变化的特性,实现长输管道的泄漏检测。与传统技术相比,分布式光纤传感器能对小流量泄漏进行实时检测和准确定位。通过国外近年相关文献汇总,阐述了分布式光纤传感器中布里渊光时域分析仪系统的原理和结构,分析了光纤传感系统如何实现管道微泄漏监测,并重点介绍了国外公司在管道泄漏监测中的三个典型实例。

分布式光纤传感器 管道微泄漏 监测 布里渊散射

1 引言

管道运输是石油和天然气最经济的长距离输送方式。由于各种原因,管道故障经常发生,不仅导致经济损失,而且对社会和生态环境产生不良影响,因此建立管道监测系统有着重要的意义。

管网检测技术的传统方法主要有:泄漏检测电缆法、示踪剂检测法、负压波法、压力梯度法、质量平衡法、实时模型法、统计决策法、应力波法、声波法等。这些方法在应用中存在不同的缺点,例如质量平衡法只能判断泄漏的发生,而不能对泄漏定位;普遍使用的负压波法只对突发的大流量泄漏敏感,监测不到缓慢发生的小流量泄漏。与上述技术相比,分布式光纤传感器具有准确度高、抗电磁干扰、耐腐蚀,可实现远距离分布式传感,能对小流量泄漏进行实时检测和准确定位等优点。尤其近年来很多长输管道在建设过程中都同沟敷设通信光缆,为光纤传感技术的实用化提供了良好的条件,因此在管道泄漏监测技术领域,分布式光纤传感技术具有良好的应用前景。

2 分布式光纤传感器

2.1 基本类型

当前普遍研究和应用的分布式光纤传感器是基于布里渊 (Brillouin)散射和拉曼 (Raman)散射的光纤传感器,这两种技术都是利用光纤的非线性效应,通过监测管道周围的温度变化来实现泄漏的监测。当已知波长的光入射进光纤,沿着光纤的每个点会有光反射。反射光除了初始波长 (瑞利散射)的成分外,还有与初始波长不同的波长成分(布里渊散射和拉曼散射)。这些改变的波长成分反映光纤很多局部属性,特别是应变和温度。图1给出在典型光纤中主要的散射波长成分,可看出布里渊散射峰的位置 (布里渊频移)与应变和温度有关,而拉曼散射峰的光强与温度有关。

图1 光纤中的光散射

拉曼散射是光纤中入射光与光纤材料之间非线性效应的结果。拉曼散射光的相对光强决定于光纤的局部温度。已报道的典型拉曼散射传感系统的温度分辨率达到0.1℃,空间分辨率达到1 m,测试距离为8 km[1-2]。

布里渊散射效应是注入光波场与光纤中弹性声波场间相互耦合作用而产生的一种非线性光散射现象。根据入射光强的不同,光纤中会产生自发布里渊散射或受激布里渊散射。布里渊散射光的频移具有温度和应变相关性,这是因为弹性声波的传播速度随光纤材料的密度改变而改变,因此布里渊传感器除了能测试温度,还能测试应变。由于布里渊传感器主要通过监测布里渊频移得到温度或应变等参数,比利用强度的拉曼系统具有更好的稳定性和精度。因此,目前分布式传感器的研究热点主要集中于布里渊传感器。较成熟的基于布里渊散射的传感系统能提供0.1℃的温度分辨率,20μ ε的应变分辨率,测试距离为30 km,空间分辨率为1 m[8-9]。

利用布里渊散射的光纤传感技术主要有布里渊光时域反射计 (BOTDR)[3-4]、布里渊光频域分析仪 (BOFDA)[5]、布里渊光时域分析仪 (BOTDA)[6-7]等。BOTDR技术利用光纤的自发后向布里渊散射光实现应变和温度的分布式测量,该技术有良好的应用前景和可靠的技术研发可行性,是将来光纤传感技术的主要发展方向之一;BOFDA基于布里渊散射现象和光频域反射仪技术[5],该技术还主要停留在理论研究和实验系统的研制上,没有实用化仪器的报道;BOTDA技术利用受激布里渊散射效应,已发展成主要的布里渊分布式测量技术。瑞士的SMARTEC和Omnisens公司的BOTDA系统DiTeSt已实现商业化[8-12],本文将以该系统为基础介绍布里渊分布式传感器在管道微泄漏监测中的应用。

2.2 BOTDA系统原理与结构[7,9,10]

在BOTDA系统中,在光纤两端同时注入不同频率的光波。其中频率高的光波称为泵浦光,是脉冲光信号;频率低的光波称为探测光,是连续光波信号。当泵浦光和探测光的频差等于光纤的布里渊频移时产生受激布里渊散射,能量从泵浦信号转移到探测信号上,探测信号光被放大 (图2)。测试时不断改变探测光的频率进行扫描,当泵浦光和探测光的频差等于光纤的布里渊频移时,散射增益得到极大值,同时根据散射信号的返回时间对布里渊频移进行定位,从而得到沿着光纤的布里渊频移图(图3和图4)。根据温度和应变与布里渊频移的对应关系 (图5)[13],能将频移信息转换为所需测量的温度和应变信息。

图2 BOTDA中光信号的相互作用

BOTDA仪器原理结构框图如图6所示[9]。该系统最显著的特点是只有一个光源LD,光源采用Mach-Zehnder电光调制器 (EOM)实现外调制。EOM有两个作用:一是将连续光调制成脉冲光,作为泵浦光;二是对光频率进行调制,产生探测光,探测光的频率可以连续调制。掺铒光纤放大器(EDFA)对泵浦光和探测光同时进行放大,波分复用器 (WDM)对光信号进行分路。传感光纤构成环路,泵浦光和探测光通过WDM分别送入光纤的两端。当探测信号从传感光纤返回后,经WDM送往光电探测仪 (PD)进行光强检测,结果记录在数字存储卡DAC中。

3 管道泄漏监测原理[8,11]

分布式光纤传感器的检测原理非常简单:当管道发生泄漏时,管道周围的温度分布会改变,对温度进行监测,其空间定位能确定泄漏的大概位置,时间定位能确定泄漏的开始时间。管道周围的温度分布取决于管道的类型和它所处的环境,如地埋石油和盐水管道,泄漏液体比周围土壤温度高,会改变土壤的热性质,特别是热容量,在很多情况下管道周围将形成温度较高的污染区域;而对于气体管道,由于压力被释放,泄漏气体产生局部冷却效应;在多相流管道中则会综合出现以上现象。设计光缆的理想放置位置时需考虑以上效应的影响。

对于地埋石油管道,传感光缆的最佳位置在管道下方,并且光缆不和管道直接接触。无论泄漏点在何处,这个位置接触到泄漏石油的概率最大。当管道处于水下时,泄漏石油会上升而不会下沉,此时光缆的理想位置与上述情况相反。气体泄漏会使泄漏位置的温度降低,传感光缆最好与管道表面直接接触,光缆的最佳位置在管道正上方。这种装置还可以对第三方侵入进行监测,因为当管道表面暴露在空气中时,温度会产生变化。

4 实际应用

4.1 盐水管道泄漏监测

盐水管道位于柏林至 Heckelberg之间,距离为55 km。系统选用两个DiTeSt分析仪,一个分析仪能接收处理两根传感光纤的信号,因此整个管道分为四个监测段,最长的传感监测距离为16.056 km(图7)。传感光缆选用标准通信光缆,光缆中的一根光纤用于温度监测,另一根用于仪表和控制室之间的数据通信。

图7 55 km盐水管道泄漏监测系统

在系统建设过程中,首先将光缆敷设在管沟中,上面填埋沙子,然后敷设盐水管道,光缆大约位于管道下10 cm处,以便监测到所有泄漏。盐水从地下抽出并注入管道时温度大约为35℃。在正常流速下温度沿整个管道下降8℃。管道埋在地下2～3 m处,土壤温度约为5℃,并且随季节变化不大,因此,即使在很低的泄漏速率下,任何温度升高都意味着泄漏发生。

图8给出泄漏发生时的测试曲线图。该泄漏的速度很慢,只有50 mL/min,泄漏引起的温度升高为8℃。当检测到泄漏时,传感系统立刻启动警报并自动关断盐水。该系统的温度分辨率达到1℃,测量响应时间低于10 min,至今还在稳定运行。

图8 泄漏监测系统监测数据

4.2 石油微泄漏模拟试验[11]

意大利的Praoil进行了地埋管道石油微泄漏模拟试验。一根两芯光缆埋在地下1.5 m处,上盖一层薄沙。将一根注水小孔径聚乙烯管道置于光缆上,管道上不同位置安装多个阀门,每个阀门上安装流量计,注入水的流量和温度可控,用以模拟流速为300～3 500 m3/h的大孔径管道的不同微泄漏情况。

试验中泄漏的平均流速是0.6 m3/h,相当于能监测 300 m3/h流量的 0.2%的泄漏和 3 500 m3/h流量的0.02%的泄漏,监测微泄漏的能力明显优于其他检漏技术。

模拟实验发现影响测量响应时间和泄漏损失量的因素主要有:土壤的渗透性和密实度、发生泄漏的位置与传感器的距离、泄漏导致的土壤温度与地面温度的温差等。

4.3 天然气泄漏模拟试验[11]

为评价分布式光纤传感器是否适用于天然气泄漏监测,意大利在天然气管道上进行了模拟试验。一根光缆安装在 500 m长的 10 in(1 in=25.4mm)天然气管道的顶部。距离测试起始端50 m处安装了一根中空的塑料管,它使管道表面和空气相接触,用以模拟天然气泄漏。实际操作中,向塑料管注入CO2使管道冷却,产生类似气体泄漏的情况。

在管道冷却前先进行参考测试。当CO2注入后,每2～10 min测试一次温度,并与参考值进行比较,模拟的泄漏点在图中能明显观察到 (图9中画圈处)。

图9 气体压力的释放导致的温度降低指示泄漏的存在

5 结论

在管道监测领域,分布式光纤传感器是一种比较新的技术,具有很多独特的优点,尤其适用于地埋管道的微泄漏监测。BOTDA技术是目前最成熟和商用化程度最高的技术,除了以上三个典型应用,BOTDA技术还应用于德国原油管道的泄漏检测、意大利3 km氨水管道泄漏监测等项目。在实际应用中,发现传感系统成功的关键在于针对特定的传感需求,选择合适的传感光缆并正确地安装[11-12],有时可以利用与管道同沟敷设的光缆通信线路来实现管道监测。此外,人们还在不断研究新技术,以期进一步提高系统的测试距离、空间分辨率和温度分辨率[10]等性能参数。

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2009-11-11)