光纤传感及其在管道监测中应用研究

李先良

【摘 要】作为能源运输的重要介质，管道危险性较高，具有易燃、易爆和易腐蚀等特点，如果出现问题，会造成较为严重的后果，因此，油气管道安全运行管理工作非常重要。为确保管道的安全性，必须加强管道监测，从而及时发现管道损伤问题。光纤传感技术具有高效、准确的监测作用，在管道监测中具有重要应用价值。本文对光纤传感技术进行了简单分析，并探讨了光纤传感技术在管道监测中的应用。

【关键词】光纤传感；管道监测；应用

引言：

长输油气管道是国家重点工程之一，关系到我国经济建设与社会发展，同时也是满足人们日常生活需要的公用设施，其运行的安全性与稳定性直接影响到国家能源安全。全面保证长输油气管道运行安全，有利于维护社会稳定、推动经济建设。目前，管道通常采用无损检测技术进行检测，如管体腐蚀和焊接缺陷检测、油气管道内外检测等，但无损检测技术采用的是离线检测方式，无法对管道缺陷引发的侵害提前予以识别并进行报警，来防止损害发生。随着光导纤维和光纤通信技术的发展，光纤传感技术得到应用，具有分布式、长距离、实时性、耐腐蚀、抗电磁、轻便灵巧等优点，成为管道监测领域中的研究热点。

一、光纤传感技术分析

（一）基本原理

光纤是光导型纤维材料的总称，具备尺寸小、质量轻便、安装条件宽泛、使用年限长等优势，制作原材料类型丰富，便于铺设及市场推广，不仅能保护环境，减少金属资源浪费，还能节约成本投入。光纤传感技术是以光波为载体、光纤为媒质、感知和传输外界被测信号的新型传感技术。光纤传感技术的基本原理为：将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，再经过光纤送入探测器，经解调后获得被测参数。

（二）技术特点

第一，抗干扰性，光纤传感技术在信号传播过程中不会受到任何的电磁干扰，也不会给外界的电磁场造成影响，非常安全可靠，这些特点使光纤传感技术在恶劣环境中、油气管道中、高压高温和强腐蚀环境中能进行快速准确的信号传输；第二，灵敏性，长光纤和光波干涉技术的灵敏度要比一般的传感器高，实践证明，在测量转动、水声、加速度、位移、温度、磁场等物理量时，光纤传感技术具有较高的灵敏度；第三，功能强大，光纤传感技术应用于油气管道中，可以监测各种参数，包括温度、压力、位移、速度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、电场、磁场、电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等各种物理量、化学量。

（三）常见技术

第一，分布式光纤传感技术，利用感测光缆对沿光纤分布的被测量进行连续测量，同时获取被测量的空间分布状态及其随时间变化的数据信息，OTDR技术是实现分布式光纤传感的关键技术，如图1所示，它的基本原理是光源发出的光在沿光纤向前传输的过程中产生后向散射，后向散射光强在向后传播过程中随着距离增长而按一定规律衰减，在光速不变的情况下，距离与时间成正比，因此，根据探测器探测到的后向散射光强及其到达探测器的时间，就可以知道沿光纤路径上任一点的初始后向散射光强，可实现对沿光纤线路监测问题点的定位；第二，光纤光栅传感技术，该技术近些年在国内外传感领域都受到极大关注，光纤光栅是纤芯中具有折射率周期性变化结构的光纤，因而具备光波波长选择功能，基于光纤光栅传感开发的主要产品有光纤布拉格光栅（FBG）传感器，其折射率、调制深度和光栅周期都是常数，具有结构简单、非传导性、波长编码、高灵敏度、高分辨率等诸多优点；第三，光纤智能化传感，随着新的传感技术不断出现，特别是光纤传感、通信及计算机技术的深入发展及融合交叉，极大促进了光纤传感及相关领域的智能化发展，如使用单片机、虚拟仪器及多层次计算等实现智能化数据控制处理，同时，光纤传感网络促进智能材料和智能结构的发展，光子晶体光纤促进光子晶体的发展等。

二、光纤传感技术在管道监测中的应用

（一）管道运行现状分析

从目前管道安全运行管理的主要问题来看，管道腐蚀及破裂绝对是其中最为严重的问题。埋藏在地下的管道一旦遭遇酸性土壤，管道被氧化的程度将会大大增加，很容易出现管道腐蚀的情况，而那些暴露在野外的管道，更是受到酸雨等自然因素的侵蚀。由于长输油气管道通常所处的土壤环境都非常复杂，并且输送的油气资源的腐蚀性也很强。因此，不管是长距离输送油气的管道内壁还是外壁都极易被腐蚀，如果出现腐蚀穿孔的情况，就会造成大量油气泄漏，这不仅会导致输送中断，而且还会造成严重的环境污染问题。

（二）光纤传感技术在管道监测中的应用

1.管道应变/变形监测

油气管道传输距离长，冷热变形量大，在长期服役过程中容易受到地质灾害，如地基沉降、沿线滑坡、冻胀融沉等不利因素而引起变形，因此需要对管道进行实时变形监测。分布式光纤传感技术采用光缆作为传感和信号传输元件，当有外界因素对光缆和管道产生作用时，会引起光纤产生一定的应变，从而导致光缆长度和纤芯折射率发生变化。当光缆中有光通过时，则会使得光信号相位等参数发生变化，传感光缆把这种相位变化信息传输至信号处理中心并进行处理，得到传感光缆周围的外界作用变化和作用点，从而对外界作用事件进行监控。分布式光纤管道监测技术属于长距离、低灵敏度的静态监测，因此对了解管道结构性能的整体变化趋势较为适用。

2.管道泄露监测

管道由于人为穿孔或破坏引起的泄漏，不仅造成自然资源的浪费、环境污染，而且容易发生火灾、爆炸等灾难性事故，危害工农业生产和人民生活。因此，及时、准确地发现泄漏及其位置具有重大意义。温度、压力和流量是对流体管道进行漏泄检测、泄漏定位和生产控制所需要的基本数据。对于输油/气管道或热力管道，当高温、高压的液体泄漏时会导致周围的温度升高，而气体泄漏时周围温度将降低，根据这一性质可将光纤光栅准分布式传感系统和分布式光纤温度传感器系统应用到管道泄漏检测中。结合热力管道泄漏处的温度场变化规律，利用FBG温度传感器的温度特性可以对热力管道关键点温度进行连续监测，从而及时发现泄漏。

三、结束语

总而言之，管道输运是现代工业和国民经济的命脉，具有运量大、连续、经济、平稳、占地少、费用低等诸多优点，被誉为五大运输方式之一。由于油气的高压、易燃特性，对运输管道要求特别高，管道事故一旦发生就会给社会造成巨大的环境污染和经济损失。因此，相关单位要积极应用光纤传感技术加强管道监测，对管道事故发生点进行精确定位，进而确保管道运输安全。

【参考文献】

[1]冷建成，周国强，吴泽民，石永.光纤传感技术及其在管道监测中的应用[J].无损检测，2012，34（01）：61-65.

[2]刘故箐，邵海年，李琼玮.分布式光纤传感器在管道微泄漏监测中的应用[J].国外油田工程，2010，26（10）：52-55.

[3]鄭元辽，刘月明.光纤传感监测压力管道泄漏技术进展综述[J].传感器与微系统，2014，33（09）：15-17+21.