管道应力危害BOTDR分布式光纤检测系统*

迟延光,白 清,王 宇,王 东,张明江,王 磊,靳宝全,2*

(1.太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,太原 030024;2.煤与煤层气共采国家重点实验室,山西 晋城 048012)

深埋地下的油气管道规模庞大,会因地质沉降存在应力危害导致形变,进而出现管道损坏泄露[1]。一旦出现问题,轻则对周围生态环境造成破坏,严重时会产成爆炸,威胁人民生命财产安全[2]。因此,针对地下油气管道的安全预警检测极其重要。

目前应用广泛的油气管道泄露检测技术主要有负压波法,声波法等[3]。负压波法具有成本低、技术成熟的优势,但负压波法多用于短距离直线输油管道,应用范围窄,定位精度低。声波法具有定位精度高的优点,但由于传感器是分立式安装,因此无法实现分布式检测且后期维护成本昂贵[4]。此外还有检漏电缆法、放射性示踪法、热红外成像法等。这些方法存在着定位准确度低、检测距离短、实时性差、成本高等不同缺点,且都是管道被破坏后才能实现检测的方法,存在滞后性[5]。

分布式光纤传感检测技术是一种利用传感光纤作为检测元件与信号传输媒介的新型的传感技术[6]。相对于其他检测技术手段,分布式光纤传感技术是以光纤同时作为传感元件和信号传输媒介,具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、测量速度快、使用寿命长、成本低廉等优势[7],可适应长距离恶劣监测环境[8-11]。特别在埋地长输燃气管道安全监控领域,该技术具有天然优势,可以通过光纤分布式应变监测实现管道应力危害预警,使维护人员及时采取防范措施,防止事态恶化,避免产生危险[12-14]。

因地壳运动、违法开采、人类活动等因素导致的地质沉降,造成油气管道受应力产生形变[15]。传感光纤会提前感受应力变化进而发生应变。因此本文提出一种基于布里渊光时域反射原理的分布式光纤应变检测系统。通过检测传感光纤发生的应变判断管道的状态。

图1 B-OTDR分布式光纤应变系统技术原理图

1 技术原理

当油气管道受应力产生形变时,传感光纤发生应变,光纤内部布里渊散射光产生频移变化,被应变检测系统感知,经过处理得到应变发生区的位置以及相应的应变量。通过传感光纤的应变程度来判断油气管道受到应力危害程度。

光纤中材料分子由于布朗运动产生自发声波场光栅,其速度为Vα。入射光的频率为ωp,入射光与其作用产生两种与入射光不同的散射光信号:频率较低的布里渊斯托克斯光(频率为ωs)和频率较高的布里渊反斯托克斯光(频率为ωas),二者相对于入射光的频移相等[16],即:

(1)

由式(1)得,布里渊散射的频移量νB与传感光纤折射率n以及光纤中的声波速度Vα成正比,与入射光的波长λp成反比。系统采用光源所产生的入射光波长固定为1 550.12 nm,同一光纤声波速度Vα固定。当光纤有应变变化时,光纤中的折射率n,杨氏模量E、密度ρ、泊松比k会随应变ε的改变而改变。可得式(2):

(2)

由式(2)可知,当光纤温度T一定时,布里渊散射的频移量νB仅与应变ε有关,进一步可得,光纤应变改变量与光纤布里渊频移关系如式(3)所示[17]:

vB(ε,T0)=vB(ε0,T0)+CεΔε

(3)

由式(3)可知,布里渊散射的频移量νB与应变改变量Δε呈线性关系,其中初始频移νB(ε0,T0)为10.7 GHz,Cε为应变与频移的线性系数(可通过实验标定获取),νB(ε,T0)等于初始频移与应变产生的频移CεΔε之和。因此,确定出光纤轴向沿线分布的νB即可解调出应变量。

本系统利用光时域反射原理实现定位,入射光在光纤中会产生后向散射光,记录入射光发出的时间与接收到后向散射光的时差t,利用公式L=ct/2n,得到应变发生区位置L,其中c为光速,n为传感光纤折射率。

2 系统结构

2.1 硬件系统

硬件系统主要包括光路部分和电路部分;光路部分:窄线宽激光器、脉冲光调制器、脉冲光放大器、掺铒光纤放大器、扰偏器、环形器、耦合器、传感光纤;电路部分包括:光电探测器、微波扫频模块、数据采集卡、上位机。

窄线宽激光器发出的连续光,经过耦合器分为光功率不同的两路信号,其中10%一路为参考光,并经由扰偏器不断改变其偏振态。90%一路为探测光,经过脉冲光调制器调制,然后被脉冲光放大器放大并通过环形器注入传感光纤。传感光纤中的自发布里渊散射光经过环形器返回,并由掺铒光纤放大器放大功率,之后与参考光进入50∶50的耦合器拍频,然后经光电探测器转化为电频信号。由微波扫频模块结合数据采集卡扫频并采集包含布里渊频移信息的拍频信号,传送至上位机处理,得到传感光纤应变发生区的位置以及相应的应变大小,进而得到管道的形变程度,判断其运行状态。

图2 BOTDR分布式光纤应变测量系统总体结构框图

图3 系统软件流程图

2.2 软件系统

软件系统主要由基于MFC的消息响应机制和多线程并发来实现;包括硬件监控模块、信号采集与处理模块、数据存储及应变解调模块和显示模块四大部分。硬件监控部分通过调用串口设置脉冲光调制器的重复频率、脉冲宽度,以及掺铒光纤放大器的放大功率。然后检测其返回值以确定光学器件工作状态。信号采集与处理模块把采集到包含布里渊频移信息的多频率点扫频信号,采用累加平均降噪与LM算法拟合布里渊谱处理。数据存储及应变解调模块通过对处理过的原始数据与变化数据做差得到应变数据。显示模块通过TeeChart控件把原始数据、处理后的频移数据、应变数据显示至软件前面板。

图4 拉伸应变测量结果

3 系统性能实验

3.1 应变系数标定实验

将总长约为10.6 km的探测光纤置于25 ℃的实验环境中,一端连入本系统中。将其中1 m长的光纤固定于可调拉力计上拉伸,并测量应变。图4为以500 με为步进,共计拉伸6 000 με的测量结果与测量结果的线性拟合分析。由图4(a)可知,测得的频移变化区长度为1 m,即空间分辨率为1 m。由图4(b)可知R2为0.999 19,频率改变量与应变改变量呈现良好的线性关系,线性系数Cε为5.177 7 MHz/100 με。

图5 不同距离测量结果

3.2 不同距离应变检测实验及误差分析

在被测光纤的3 146 m、4 929 m、7 812 m、10 335 m处依次针对1 m光纤做拉伸实验,拉伸量为500 με和1 000 με,检测结果如图5所示。图5(a)为500 με下不同位置测得的应变峰,应变值依次为504.27 με、493.24 με、523.82 με、531.43 με;图5(b)1 000 με下不同位置测得的应变峰,应变值依次为996.97 με、989.09 με、1 026.20 με、971.89 με。两组测量结果的误差分析如图6所示,两组测量结果的应变峰值的最大误差在±32 με范围内,表明系统在10 km范围能够实现不同距离的应变检测。

图6 不同距离测量结果误差分析

3.3 分布式应变检测重复性实验及偏差分析

图7 重复性实验测量结果

在探测光纤的两处不同位置同时拉伸1 m长的光纤,先拉伸500 με做一组实验,再拉至1 000 με再做一组实验,每组应变检测十次。光纤应变检测结果如图7所示,图7(a)中两个应变峰值位置分别为10 267 m处和10 322 m处,测得应变量均为500 με左右;图7(b)中同一位置测的应变量均为1 000 με左右。两组测量结果的偏差如图8所示,两组应变峰值的最大偏差在±36 με范围内,表明系统在10 km范围能够实现分布式应变检测。

图8 重复性测量结果偏差分析

3.4 应变测量量程实验及误差分析

如图9是以500 με为步进拉伸8 500 με测量结果。

图9 8 500με的测量结果

图10 8 500με的测量结果误差分析

在拉伸达到8 500 με以上时,因为系统所使用的微波扫频模块的频率上限,达不到布里渊散射频移后的频率,无法完成扫频,所以得到系统最大测量范围为8 500 με。图10是对系统最大测量范围的误差分析;由图可知,系统测量最大误差在±46 με范围内,表明系统在10 km范围能够实现分布式应变检测。

3.5 定位精度误差分析

对该系统进行定位精度测试,测量8组不同长度的光纤(光纤长度已知),已知位置与该系统测量结果如表1所示。将系统测量结果和已知位置相比较可以看出8组测量结果中最大误差为2 m,因此可知该系统在10 km检测范围内定位误差为±2 m。

表1 系统定位测量结果表

4 结论

本文提出了面向地下油气管道应力危害预警的分布式光纤应变检测系统。通过对油气管道沿线传感光纤的应变测量来检测管道的安全状态。通过实验论证了该系统可实现10 km传感距离,可测最大应变为8 500 με,应变测量误差为±36 με,定位误差为±2 m,空间分辨率为1 m。该系统的提出可以为长距离油气管道的分布式、实时在线安全预警提供借鉴和参考方案,并在其他方面如海堤沉降、大型建筑物的混凝土健康检测、高铁轨道安全检测方面将会有很好的应用前景。