光纤传感检测技术的效能评价

王曙光

1. 山东省天然气管道有限责任公司, 山东 济南 250101;2. 中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院, 山东 青岛 266000

0 前言

近年来,随着经济水平的不断发展,城市规模不断扩大,城乡结合速度加快,给天然气管道运营维护带来了占压、蛮力施工等问题。大部分天然气管道在设计时,基本都处于一类和二类地区,现在却逐步演变为三类和四类地区,保障管道安全平稳运行,为沿线城乡居民源源不断地顺利输送清洁能源,成为考验天然气管道企业运营水平和管理能力的重要依据。

目前,天然气管道保护基本采取人工巡护和部分管段架设监控等措施,不能实现全部管道的实时监控[1],新技术的引用迫在眉睫。近两年,全国各天然气管道企业已引入了许多新技术,如无人机巡护、光纤传感技术[2-5]等。本文对光纤传感检测技术的应用及准确性的检测[6]进行了总结,研究成果对提高天然气管道企业运营水平和管理能力具有重要意义。

1 管道概况

山东省天然气管道有限责任公司胶州站到胶西站天然气管道于2007年12月建成投产,全长22.4 km,沿途经过胶州市胶北镇、胶西镇,地形地貌以平原为主。该段主管道规格为508 mm×8.7 mm,材质L 390螺旋缝埋弧焊钢管,设计压力6.3 MPa,管道防腐采用普通级三层PE加阴极保护联合防腐技术,同时敷设8芯光缆(型号GYTA 53-8 B 1)。该管道穿越小新河、十米河等中型河流2条,穿越胶济铁路、胶新铁路等铁路2处,穿越325省道高级公路1处。该管道内天然气温度约14～16 ℃。光缆敷设在管道右下方(沿气流方向),埋深1～3 m,光缆总长度25 km,尚余6芯未用(其中2芯备用)。

2 方案设计

光纤传感检测技术利用光纤振动检测[7-9]和温度检测[10]原理,对管道全线振动和温度场变化情况的实时检测[11-15],实现对管道入侵、泄漏事件[12-15]的早期介入,避免事态扩大和减少事故发生。

2.1 分布式光纤振动检测方案设计

分布式光纤传感振动检测系统主机检测距离可以达到30 km,该管道长度22.4 km,同沟铺设的光缆总长度25 km。在胶州站配置1台振动主机连接1芯光纤,在胶西站光纤尾端接入1个反射模块,即可完成管道第三方外力入侵检测[16-17]。光纤振动检测主机配置见图1。

2.2 分布式光纤温度检测方案设计

分布式光纤温度传感检测系统主机能检测最大距离约10 km,拟在胶州站、胶西站分别配置1台温度传感主机,分别占用1条空闲的光纤(共2芯),完成该管道的泄漏监测[16-17]。光纤温度检测主机配置见图2。

图1 光纤振动检测主机配置

图2 光纤温度检测主机配置

3 效能评价

效能评价[18]主要通过入侵模式识别测试和温度测试获得，主要用于总结光纤传感检测技术对天然气管道入侵泄漏状态的实时检测、定位的效果，探索用于天然气管道入侵泄漏状态的预警[19-20]和报警。

3.1 设备布置

1)现场监控中心设在胶州站监控室,进行系统整体运行情况展示。现场配有1台54 in(1 in=33.33 mm)液晶显示器作为监控屏。

2)将1台振动传感主机、2台温度传感主机及机柜,按测试要求安放在胶州站或胶西站机房,使用2芯空闲光纤(一芯光纤直接接入温度传感主机、一芯直接接入振动传感主机)进行测试。

3)监控中心配置2台服务器,1台数据库服务器,1台WEB服务器。

设备配置见图3,系统总体架构见图4。

图3 设备配置示意图

图4 系统总体架构图

3.2 测试准备

3.2.1 测试光缆连接

将分布式光纤振动检测所需光缆与分布式光纤振动检测系统进行熔接,再将尾端光缆与光反射模块进行熔接。

3.2.2 现场试验环境

测试地点距离胶州站约1.4 km,该处在农田中间的1条土质路面附近,便于开挖。

3.3 测试结果

3.3.1 分布式光纤振动传感系统测试

分布式光纤振动传感系统测试时间为2015年1月。

3.3.1.1 测试目的

1)测试分布式光纤振动传感系统检测入侵信号的灵敏度及定位[2]的准确度。

2)现场进行挖掘机挖土、铁锨铲土和电钻打孔等试验,采集不同入侵类型的振动数据形成不同入侵源的振动样本,然后由系统对样本数据进行处理,建立入侵模式识别库。

3)进行挖掘机挖土、铁锨铲土和电钻打孔等不同入侵类型,对入侵信号进行模式识别,确定振动源,检验模式识别的精度。

3.3.1.2 样本数据采集测试

现场进行电钻打孔、挖掘机挖土、铁锨铲土等试验,并定义6种类型入侵:电钻打孔、挖掘机挖土、铁锨铲土、锤子捶地、火车驶过和重型车经过,分别编号为1、2、3、4、5、6号。管道未入侵情况下的检测曲线见图5。

图5 无入侵情况下检测曲线

3.3.1.3 模式识别测试

1)电钻打孔现场试验

在管道旁放置一段钢管,使用电钻对钢管打孔,模拟打孔盗气。光纤传感检测系统对电钻打孔的振动信号进行自动检测,并对入侵源进行识别和定位。电钻打孔现场照片见图6。

通过测试,系统能够检测到入侵信号,入侵类型为1号,实现管道预警[19-20]。入侵振动类别识别情况见图7。

图6 电钻打孔现场照片

图7 入侵振动类别识别情况

2)挖掘机挖土入侵试验

在管道旁边5 m处,用挖掘机进行挖土,对挖掘机挖掘振动信号进行检测,并对入侵源进行识别。通过测试,系统能够检测到入侵信号。挖掘机挖掘现场见图8,挖掘机挖掘检测情况见图9。

图8 挖掘机挖掘现场

图9 挖掘机挖掘检测情况

3)铁锨铲土入侵测试

在管道附近用铁锨铲土测得振动信号。铁锨铲土检测情况见图10。

图10 铁锨铲土检测情况

4)锤子捶地入侵测试

在管道附近用锤子捶地能够测得振动信号,通过模式识别,测得入侵类型铁锤,识别正确并且入侵地点的定位误差在10 m内。锤子捶地检测情况见图11。

图11 锤子锤地检测情况

5)火车驶过的入侵检测及模式识别

14.7 km处测得有火车经过,由管道实际铺设地理位置可知,此处为火车道,系统能够对火车驶过的入侵进行准确地检测和定位,并能够正确识别。GIS报警软件火车驶过检测情况见图12。

图12 火车驶过检测情况

6)重型车经过

9.3 km处测得有重型车经过,由管道实际铺设地理位置可知,此处为公路路口,车辆频繁驶过,识别正确。GIS报警软件重型车经过检测情况见图13。

图13 汽车经过检测情况

3.3.1.4 测试结论

1)分布式光纤振动传感系统能及时灵敏地检测到6种入侵振动信息并准确进行定位,定位误差为20 m。工作人员可在第一时间发现偷盗采行为,做出有效处理。

2)系统对电钻打孔、重型车经过和火车驶过入侵的识别率较高,能够进行一定程度的模式识别。

3)针对入侵源识别不准确问题,应从以下方面对入侵源模式识别进行改进:加大模式识别数据采集量,大量采集挖掘机、铁锨、锤子在不同地点的入侵数据,进行模式分析和模式库建立,提高识别精度。

3.3.2 温度传感系统测试

温度传感系统测试时间为2015年1月。

3.3.2.1 温变测试一

光缆挖出后,暴露在环境中一段时间,使之与环境温度基本相同,随后为光缆附近敷上蓄水棉,进行浇水试验,测试周围温度变化。

测试点距离工控机站约1.4 km,土壤温度5.7 ℃,空气温度8.8 ℃,测试光缆长度1.2 m,稳定后浇水的铠装光缆表层温度26 ℃,所测稳定后温度17.4 ℃,第一次浇水反应时间1～2 min,管道、光缆、浇水位置见图14。

图14测试结果：烧水时，温度明显升高，系统给出了高温报警提示，温度升高检测结果见图15。随着蓄水棉温度逐渐降低，检测曲线上的温度突变点逐渐消失，温度降低检测结果见图16。

图14 温度测试示意图

图15 温度升高检测结果简图

图16 温度下降检测结果简图

3.3.2.2 温变测试二

测试点距离工控机站约1.4 km,土壤温度5.1 ℃,空气温度9.3 ℃,测试光缆长度1.2 m,稳定后浇水的铠装光缆表层温度25 ℃,所测稳定后温度19.4 ℃,浇水反应时间2～3 min。远程服务端同步显示情况见图17。

图17 温度检测结果简图(第二次升温过程)

从图17可看到,温度产生了明显的突变，与温度测试的结果基本一致。

3.3.2.3 测试结论

1)在实验室理想环境下,温度传感系统的最大检测距离达24 km;但在实际环境中,由于光纤的熔接等原因,实际可稳定检测的有效距离约15 km。

2)在温度发生变化后,能够进行准确地检测、定位和报警。

4 结论与建议

4.1 结论

1)分布式光纤振动传感系统能够检测到日常的入侵事件,定位误差在20 m左右。

2)能够对电钻打孔、火车驶过和重型车经过进行入侵源识别,对挖掘机挖掘、铁锨挖掘、锤子敲击的入侵类型识别尚需进一步完善。

3)温度传感系统能够对管道温度变化带来的异常进行检测、报警和准确定位,定位误差为10 m。

4)通过测试,数据能够传输到监控中心并实现管道入侵、泄漏状态的实时检测、预警、报警和定位,在一定程度上能够对管道进行有效的防护。

4.2 建议

1)进一步论证和评估光缆分布位置以及光缆偏移量对检测效果的影响。

2)增加分区域检测、屏蔽干扰信息和自动识别有效信息的功能。