分布式光纤测温系统在管道泄漏检测中的应用

郑小梅，王荣昌,*，张荣斌，马晖斌，韩 明，陆海涛

(1.同济大学环境科学与工程学院，同济大学长江水环境教育部重点实验室， 上海 200092；2.嘉兴市联合污水管网有限责任公司，浙江嘉兴 314000)

管道运输是借助管道输送气体、液体等流体的运输技术。近年来，该技术发展迅速，因其运输量大、占地少、管道运输建设周期短、费用低等优势被广泛应用于能源、市政建设和水利灌溉等领域，已成为陆上水、油、气的主要运输方式，与铁路、公路、水运、航空运并列为当今世界的五大运输方式，对国家经济和社会发展有着举足轻重的作用[1]。实际工程应用中的管道多埋藏在地下，且距离长，长期埋藏在地下的管道易受周围环境的腐蚀、地质下沉和地面车辆压力、人为损坏等外力的破坏，从而发生泄漏事故[2-5]。保证管道运输的安全是维持管道正常运作的基本要求。因此，必须对运输管道的健康情况进行实时监测，确保管道的运作安全。

传统的管道泄漏检测方法包括人工巡检、平衡法、负压波法和应力波法等[6-7]，这些方法都是在管道发生泄漏时或泄漏后进行检测，存在定位难、距离短、成本高等缺陷，且没有预警功能。近年来，以光纤为传感元件及传光介质的新型传感技术克服了传统技术的不足，为管道泄漏的检测提供了一个新思路[8]。基于光纤传感器具有防腐蚀、重量轻体积小、每个感应点均不需电能、免疫电磁干扰、灵敏度高、可实现分布式等优势[9-10]，英国南安普敦大学于1981年首次提出分布式光纤传感系统成为中国管道检测领域应用最广泛和最具发展潜力的技术手段之一[11]。实际工程中的输送管道一般经过的地形复杂多样，途经山川、河谷、铁路、公路等，而沿管道敷设的分布式光纤传感系统可提供全线连续的温度监测，实现超长距离的传感监测，实现对输送管道全方位的监测，保证管道的安全运行。分布式光纤传感系统基于不同的光纤测温原理可分为3类：分布式瑞利光纤温度传感器、分布式拉曼光纤温度传感器和分布式布里渊光纤温度传感器[12]。自英国的Hartog首次以半导体激光器为光源，成功研制出分布式拉曼光纤温度传感器试验装置以来，分布式拉曼光纤温度传感技术不断发展，在工程上已处于成熟阶段[13]。2002年，德国柏林地区在修建地下储气库时伴随大量盐水的产生，盐水需要输送到指定地点进行处理，该项目采用GESO公司开发的管道泄漏系统检测盐水输送管道。光纤被埋在距离管道下方10 cm的沙子中，采用2台采集仪串联的方式采集温度数据，每30 min采集仪将数据传送到中央控制电脑进行数据分析，并在检测到泄漏时生成警报，该系统能够自动发送警报、生成报告、定期重置和重新启动测量，几乎不需要维护。2013年，Mirzaei等[14]利用光纤传感技术进行石油模拟泄漏试验，根据拉曼散射和布里渊散射原理检测管道周围的土壤温度变化，从而判断泄漏点的位置。该团队通过模型计算，还提出了一种通过光纤泄漏传感器测量泄漏流量的方法。Wang等[15]设计了一种分布式差分温度传感器，该技术几乎可以瞬间检测出光纤中的差分温度，从而对流体运输管道的泄漏点进行定位。2020年，Zhou等[16]采用温度传感器和纤维阵列收集土壤温度的变化，对地下管道的高压天然气进行泄漏测试，研究了渗漏孔周围土壤温度的变化规律，结合数值计算，建立了最现实的泄漏模型，为气体管道泄漏的光纤温度检测提供指导。分布式光纤测温技术在各类流体运输管道测漏领域的应用拥有巨大的潜能。本文从分布式光纤测温系统的特点、工作原理、光纤的敷设方式和实际应用案例分析等方面对其在管道泄漏检测的应用进行论述和分析。

1 分布式光纤测温系统的基本原理

光从不均匀的介质中通过时，一部分光的前进方向会发生改变，这种现象称为光的散射。光纤中光的散射分为：瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射(散射光谱如图1所示)，其中瑞利散射对温度的敏感度很低，目前较少应用于测温技术中；布里渊散射存在偏振相关性问题，实际工程中应用较少；拉曼散射感温灵敏且易与入射光分离开，被广泛应用于管道泄漏检测的实际工程中[17]。拉曼散射是一种非弹性反射现象，是光与传输介质中分子的振动或转动模式相互作用的结果[18]。如若向光纤中打入一束激光脉冲，能量在构成物质分子的能级和入射光之间传递[19]，激光在光纤内部产生折损和消耗，而反射回入射端的散射光中包括斯托克斯光和反斯托斯克斯光，斯托克斯光与感温不敏感但反斯托斯克斯光的强度与温度成等比效应，反斯托克斯光与温度之间的函数关系如式(1)[20]。

图1 光纤中的3种后向散射光谱[21]Fig.1 Three Types of Backscattering Spectra in Fiber[21]

(1)

式(1)取对数可得式(2)。

(2)

其中：Lm——反斯托克斯光的光强,cd；

Ln——斯托克斯光的光强,cd；

h——布朗克系数；

c——光速,m/s；

α——与温度有关的系数；

v——拉曼平移量，m-1；

k——鲍尔次曼常数，J/K；

T——温度,℃。

因此，对反射回来的散射光进行过滤，提取影响其强度、频率、相位、偏振或光谱内容的物理参数，并通过计算分析即可得到光纤上的温度分布[22]。

光时域反射技术主要运用于光纤测温技术的定位工作中。光源向光纤发送一束激光脉冲，脉冲在前进的过程中不断地与周围的光纤发生碰撞，产生的散射光返回入射端，通过计算检测到反射光与发射光的时间差，即可定位光纤中发出反射光的位置，计算如式(3)。

(3)

其中：c——光在真空中的传播速度,m/s；

n——光纤的折射率；

t——反射光与发射光的时间差,s。

分布式拉曼光纤测温系统的工作原理是结合光在光纤中的拉曼散射和光时域反射技术，如图2所示。光纤测温系统由用户软件、激光光源、信号接收器、波分复用器、光电转换器和感温光纤组成。其工作原理是：管道泄漏会引起管壁和周围土体的振动，以及介质和温度的变化，如果将感温光缆沿管道敷设，光纤感应到管道泄漏温度变化后，对激光源的激光产生反射光感应信号，传回信号接收器。随后，波分复用模块将拉曼散射中对温度不敏感的斯托克斯光和对温度敏感的反斯托克斯光分离，经由光电转换器将分离开的光信号转换为电信号，传送给信号处理模块；信号处理模块采集电信号并通过信号变化检测出光功率的变化量，将数据传给计算机进行储存，通过计算机对采集的温度数据与设定的阈值进行对比，判断管道是否发生泄漏。终端管理平台为接警管理平台，用户软件实时显示温度分布曲线和待测区域报警状态，可根据实际工况分区设置多级报警阈值，一旦监测到检测部位环境温度值或温升速率超过设定的警戒值，用户软件会把超限值报告的报警信息传送给接警平台，发出警报，同时，手机短信及时通知管理人员。

图2 分布式拉曼光纤测温系统的组成Fig.2 Composition of Distributed Raman Optical Fiber Temperature Measurement System

2 光纤传感器的敷设方式

分布式拉曼光纤测温系统中的整根光纤既充当数据信号传输介质，又被用于管道沿线的温度探测，以实现系统对管道的全方位监测，对每个点的报警探测可实现定温、差温和温度均匀程度3种方式的任意混合，保证报警的可靠性。因此，合理的光纤安装方式为整个光纤测温系统的正常运作提供可靠保障。针对不同功能的输送管道，光纤的安装方式也各不相同。常见传感光纤一般敷设于管道底部延伸线距离管道侧面垂直线交点30 cm处；施工条件允许的情况下，也可将光纤紧贴管道敷设；在一些特殊的工程中也可采用光纤内置分布的安装方式。总而言之，光纤的敷设方式要结合实际工程背景进行确定。管道泄漏引起周围环境的温度变化与管道运输的介质及管道所处环境密切相关，例如，埋地石油管道和输水管道泄漏时介质向下方土壤渗透，导致管道下方的温度异常，此时管道下部是敷设光纤的最佳位置；而当管道处于水下时，管道泄漏往往导致石油上浮，此时光纤的理想敷设位置则与上述情况相反；当运输的介质为气体时，敷设光纤的最佳位置在管道正上方，因为无论泄漏点在何处，此位置接触到泄漏气体的可能性最大。张琨鹏等[23]基于分布式光纤测温传感技术，在设计针对发电企业供热管网的智能型全程温度场监控网络时，采用了两种不同的安装方式，即以阀门前后多匝感温光纤缠绕方式敷设和管道保温层同轴内外方式敷设的办法。如图3(a)所示，缠绕式安装方式利用了光纤自身的柔韧性，直接贴近管道外壁螺旋状固定，实现对管道的360°泄漏监测。如图3(b)所示，光纤内外双层布置方式常见于保温层中，保温层内外各均匀布置等量独立的光纤，通过对比保温层内外的实时温度差与初始温度差，判断保温是否失效。如图3(c)所示，邱伟豪等[24]直接将感温光纤植入电缆，以检测导体和绝缘层温度分布为直接检测导体和绝缘层温度分布。赵亚等[25]将传感光纤布放在距泄漏点5 mm的试验管道表面，研究分布式光纤测温系统在自来水管道泄漏检测与定位中的应用[图3(d)]。分布式光纤测温系统应用于污水管网监测外来水量渗入方面，采用直接将整根光纤布置在污水管道内部的安装方式，具有得天独厚的优势。因此，根据不同功能的运输管道及测漏对象，选择理想的光纤敷设方式显得尤为重要。

图3 感温光纤测漏安装工艺结构 (a)缠绕方式结构；(b)双层布置结构；(c)内置结构；(d)外置结构Fig.3 Temperature-Sensing Optical Fiber Leak Detection Installation Process Structure(a) Winding Structure; (b) Double-Layer Arrangement Structure; (c) Built-In Structure;(d)External structure

3 光纤测温技术在管道泄漏检测中的应用案例

分布式光纤测温技术是一项新技术，其在管道泄漏检测中的典型应用案例如表1所示。光纤测温技术已经成功应用于各类气体和液体运输管道的腐蚀和泄漏检测，管道运输介质主要包括自来水、冷却水、盐水、石油、天然气、乙烯等。实际工程中使用的分布式光纤测温系统的工作原理，大多是基于拉曼散射和光时域反射技术。目前，市场上存在各种规格的光纤可供选择，且光纤的测温范围较广。现有光纤测温系统的精度能达到较高水平，测温精度大多在1 ℃左右，定位误差范围在1 m以内，测量响应在几秒内就能完成，充分说明拉曼光纤测温系统检测管道泄漏技术稳定可靠、技术优势明显，为管道运输安全提供了重要保障。实际工程的光纤敷设方式多采用单光纤外置的敷设方式，只有对定位精度较高、危险系数高的少数工程才采用多根光纤或缠绕敷设的方式，这主要是出于成本考虑。综上，如何进一步提高光纤测温技术的检测精度、降低成本、实现长距离大范围的管道泄漏检测是光纤测温系统在未来发展中面临的挑战。

表1 光纤测温技术在管道测漏中的应用案例Tab.1 Cases of Optical Fiber Temperature Measurement Technology in Pipeline Leakage Detection

4 结论与展望

综上所述，分布式光纤测温系统在管道运输泄漏检测方面得到了大量应用，包括天然气和石油存储管道、自来水运输管道、供热管道等。但截至目前，关于分布式光纤测温系统在污水管网测漏方面的应用尚起步，针对污水管道呈网状分布在地下、管道内有沉积物、污水水质复杂、污水为重力流等特点[37-38]，对光纤提出了更高的要求，光纤的测温精度、空间分布率、温度场识别能力等亟待进一步提高。此外，基于拉曼散射的光纤测温技术在实际工程中应用较多，但基于布里渊散射和瑞利散射的光纤测温技术的发展进程较缓慢，且现有基于拉曼散射的分布式光纤测温技术仍存在许多问题。

尽管分布式光纤测温技术目前发展尚不十分成熟，但其在管道运输测漏中的优势和发展潜力却显而易见。相信随着科技的进步，分布式光纤测温技术将不断发展完善，其在管运输测漏领域中的应用会有进一步的发展，为中国能源管道运输的安全提供有力保障。