光纤传感技术在海底管道泄漏监测方面的应用

张庆所，胡 江

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津300452)

光纤传感技术在海底管道泄漏监测方面的应用

张庆所，胡 江

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津300452)

海底管道作为海上油气运输的重要设施，一旦发生泄漏事故，不仅会造成巨大的经济损失和环境污染，还会造成重大的社会影响，因此亟需一种在线监测技术来对海底管道进行实时在线监测。针对目前对海底管道因腐蚀和第三方破坏等造成海底管道泄漏无法进行实时监测和定位的问题，开发了基于光纤传感技术的泄漏监测系统。通过实际应用，该系统能够有效地进行海底管道泄漏监测。

海底管道 光纤传感技术 泄漏监测

海底管道是海上石油、天然气运输方式中最经济合理的选择，而随着海底管道的不断建造以及服役时间的增长，腐蚀和第三方破坏等对海底管道造成损伤的可能性也在不断增加，当海底管道的损伤达到一定程度后难免会造成油气泄漏事故的发生。油气泄漏一旦发生，不仅会造成巨大的经济损失，污染海洋环境，往往还会造成重大的社会影响。

目前海底管道对数字化、实时连续、高效安全监测的需求日益增加，对于监测手段也有了更高的要求，包括监测效果、监测范围、监测过程的安全性、监测设备对于环境的耐受性和使用寿命等。传统的监检测技术存在效果较差、范围有限、对于人力依赖较大、无法实现实时在线连续性监测等问题，难以真正实现海底管道对高效安全监测的要求。因此如何安全、科学、有效、经济地对海底管道进行监测是一个十分迫切且有现实意义的重大课题。

1 光纤温度传感技术

20世纪70年代，人们在实验中首次将光纤用于传感而非通讯，[1]开启了现代光纤传感技术的先河。随着研究的深入，光纤传感技术可传感的距离越来越远，传感器也由单点传感方式过渡到分布式传感方式。现代光纤传感技术已经成功从实验室走向工程，并成功应用于航天航空、建筑、化工、交通、军事等领域。

1.1 准分布式光纤传感技术

准分布式光纤传感技术是一种以光纤将多个光学传感器以串联或并联的方式连接在一起，利用频分复用、时分复用等方式使多个传感器的信息共用一条光纤传输到监测终端的传感技术。它可以同时感知多个点位的环境信息(如温度、压力、倾角、微应变等)。基于此技术的传感系统主要有：基于Mach. Zehnder和Sagnac干涉仪的光纤声学传感系统、基于Joule-Thomson效应的输气管线泄漏传感系统、[2]基于Sagnac干涉仪的准分布式光纤声学传感系统。[3]

准分布式光纤温度传感系统是利用波分复用技术，将不同中心波长的FBG传感器串连在1条光纤上，实现对多点位的温度监测。如图1所示，宽带光源发出的激光是不同波长的光混在一起。激光通过耦合器后，入射光中特定波长的光被FBG传感器反射回来，经过耦合器传输至解调仪(即图中的AWG)中进行解码。

图1 准分布式光纤温度传感系统示意图Fig.1 Schematic diagram of quasi distributed optical fiber temperature sensing system

每一个FBG传感器所反射的光拥有不同的中心波长λB，中心波长的数值受环境温度的影响。通过解码各传感器中心波长的变化即可得知各点位的温度变化，实现各点位温度的同时监测。

虽然准分布式光纤传感系统实现了对多个点位的同时测量，但其只能对已布设传感器的离散点位进行监测，并不能做到对某一段路径区间内的无盲区监测，因而不适用于海底管道这种长距离、大范围空间场的监测。

1.2 全分布式光纤传感技术

全分布式光纤传感器利用1根光纤作为延伸的敏感元件，光纤上的任意一段既是敏感单元又是其他敏感单元的信息传输通道，因而可获得被测量沿此光纤空间和时间变化的分布信息。它消除了传统传感器存在的传感“盲区”，从根本上突破了传统的单点测量限制，是真正意义上的分布式光纤传感器，适合应用于海底管道。

2 管道泄漏监测系统的泄漏监测原理

激光器发出的光射入到光纤中，会在光纤中发生拉曼散射。其中背向拉曼(Raman)散射中因分子能级间的转换，包含有高于入射光频率的反斯托克斯光和低于入射光频率的斯托克斯光。[4]反斯托克斯光强度随温度变化显著，而斯托克斯散射光基本与温度无关。因此可以在入射端测得反斯托克斯光强度并根据时间变化来获取温度信息，通过光时域反射技术来对散射发生处进行定位。[5-7]

式中：Ias、Is分别为Raman散射的反斯托克斯光和斯托克斯光的光强；vas、vs分别为Raman散射的反斯托克斯光和斯托克斯光频率；Δγ为Raman散射频移波数，仅与光纤材料有关；h为普朗克常量；k为玻尔兹曼常量(见图2)。

图2 激光散射原理图Fig.2 The principle of laser scattering

原油管道发生泄漏后，高温高压液体由于内外压差向外泄漏，会导致泄漏点附近温度升高。光纤传感分布式监测管道泄漏主要是基于激光散射温度测量原理，通过伴随管道的光缆测量泄漏时的温度变化来识别泄漏的发生并定位(见图3)。

图3 管道泄漏监测原理Fig.3 The principle of pipeline leakage monitoring

3 海底管道安全监测系统

不同于准分布式的FBG传感系统，[8-10]本系统为全分布式系统，光纤既是传光元件又是传感器。本监测系统首次实现了利用光纤传感技术对海底管道进行安全监测，包括海底管道泄漏监测和海底管道振动监测。系统主要由监测主机、传感光缆、监测软件和显示器构成，如图4所示。

①监测主机具有多通道光电转换功能以及插损小、易扩展等特点，同时提供各种报警指示灯，方便了解运行状态，另外还负责数据实时采集，便于后期软件分析处理。监测主机内部主要包括激光器、电光调制器及其电驱动器、光耦合器、声光调制器、光接收组件等。②传感光缆为上述伴随海底管道铺设的光缆，采用铠装结构，力学和热传导性能优秀；该光缆响应快、衰减小，提高了系统的测量精度和测量范围，主要负责信号采集和信号传输。③监测软件提供监测现场线路全程分区图及其温度、振动分布曲线，有利于报警的及时定位；同时该监测软件至少可以分为128个分区，分区可独立报警，方便定位；采用全中文友好界面，操作便捷，易于升级。④显示器采用高清液晶显示器，主要负责监测结果及监测曲线的显示。

图4 系统构成Fig.4 System components

本监测系统首次实现了海底管道泄漏的实时在线监测，从而可以第一时间发现泄漏点和泄漏位置，为海洋油气田安全生产和环境保护提供了有力保障，具有重大的社会和经济价值。

4 现场应用

目前，该系统已在渤海某2座海洋平台之间的海底输油管线上进行了应用。为了验证该监测系统进行海底管道监测的有效性，在平台上做了测温实验。实验是将局部光缆放入热水中，观察光缆加热时的温度变化，如图5、6所示。

图5 光缆加热Fig.5 Heating the fiber cable

图6 加热后测温结果Fig.6 Monitoring results after heating

为了方便观察，在图6中只显示了前500,m光缆的测温结果，图中白色曲线为温度曲线。可以看出，对光缆加热后，圆圈所示位置明显出现1个峰值，此处正是光缆加热的位置。由于前200多m光缆在海面以上，其余光缆在海面以下，从图6还可以看出，海面以上光缆的温度明显高于海面以下光缆的温度，该测温实验是在夏天进行的，这也与实际相符。

5 结 论

本文针对目前对海底管道因腐蚀等造成管道泄漏无法进行实时监测和定位的问题，开发了基于光纤传感技术的安全监测系统，可以通过监测海底管道的温度来反映海底管道泄漏情况并定位。同时研究的适用于海底管道的光缆铺设工艺，有效保证了该项技术能够应用到实际中。另外通过现场测温实验可知，该监测系统能够对海底管道的温度进行有效监测，为海洋油气田的安全生产和环境保护提供保障，提升经济及社会价值。■

［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］ 刘天夫，张步新. 光纤后向拉曼散射的温度特性及其应用[J]. 中国激光，1995(9)：695-700.

［5］ 孙峥，刘晓丽，朱士嘉. 利用光纤拉曼散射温度传感系统的电力电缆温度在线监测[J]. 光纤与电缆及其应用技术，2009(2)：33-37.

［6］ 李政. 拉曼散射理论及其应用[D]. 北京：北京工业大学，2005.

［7］ 耿军平，许家栋，郭陈江，等. 全分布式光纤温度传感器研究的进展及趋势[J]. 传感器与微系统，2001(2)：4-8.

［8］ 张金涛，刘士奎，刘盛春，等. FBG温度传感特性的实验研究[C]. 第九届全国敏感元件与传感器学术会议，2005.

［9］ 刘海锋，王虎，刘伟，等. 基于短栅区光纤光栅传感器的油气管线腐蚀在线监测系统研究[J]. 传感技术学报，2013(10)：1379-1383.

［10］ 陈雅楠，曹宏远，向安，等. 基于光纤传感油气管道安全监测评价系统研究[J]. 科技创新导报，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