基于φ-OTDR的输气管道泄漏定位技术研究

张伟鹏

（中油北京销售有限公司，北京 100101）

随着我国国民经济的发展，油气管道的铺设距离越来越长，很多管道由于服役时间长、防腐层失效、阴极保护度降低、内腐蚀严重、人为破坏等问题，容易发生穿孔泄漏现象。据统计数据表明，某管道公司平均每年发生12-16起重大泄漏事故。由于油气输送管道介质具有易燃易爆特点，一旦发生泄漏，极易引发蒸气云扩散和池火灾爆炸，造成人员伤亡和环境污染等重大事故，因此对油气管道的泄漏点进行准确定位是管道安全运行的前提条件。

分布式光纤传感系统的原理是当光纤敷设环境发生改变时，入射光会产生向后散射现象，其中与入射光频率相同的为瑞利散射，与入射光频率不同的为拉曼散射或布里渊散射，散射信息中携带了光纤自身的特性变化，通过移动差分处理提高散射信号的信噪比，从而分析出泄漏位置和泄漏点信息。在此，采用先进的φ-OTDR（相敏光时域反射）技术对管道沿线不同工况条件下的温度信息进行采集和处理，对泄漏点位置进行快速定位，该技术与传统的OTDR相比，其激光发射器具有低线宽、低线频的特点，采用了同向双激光发射器来增强散射信息（主要为瑞利散射光），测量的温度范围更广，测量精度更高。

1 模型原理

1.1 汤姆-焦耳逊效应

输气管道泄漏的过程可以看作压缩气体节流，节流过程中外界所做的功与气体的内能相等，同时节流前后的焓值H不变，将H微分后得到：

dH=CpdT+[μ-T(∂μ-∂T)]pdp

式中：Cp为定压比热容，J/mol·K；μ为比容，m3/k；T为泄漏点处的温度，K；p为泄漏点处的压力，MPa。

管道泄漏属于节流膨胀，体积变大，温度降低产生致冷效应，与周围的土壤会产生热传递，在土壤中形成温度场，φ-OTDR可检测到这种温度变化，并引起瑞利散射光强的频移，从而对温度梯度发生变化的位置L进行定位：

L= vt/2n

式中：L为温度梯度发生变化的位置，m；v为光速，3×108m/s；n为分布式光纤的折射率。

1.2 数据处理方式

向后散射的光强容易淹没在噪声信号中，φ-OTDR采用了移动平均差分法对干扰进行滤波处理，首先采集n条瑞利散射曲线：

m={m1，m2，…mn}

假设采集窗口宽度为m，进行公式变换平移操作，处理后的信号R为：

R={R1，R2，…Rk}

k=n-m+1

差分参考项Ri：

当采用移动平均差分法进行处理后，瑞利散射曲线的数量从n降为m，大大减少了数据的处理量，同时泄漏信号差分幅值也未发生较大变化，说明测试点信号特征具有较高的信噪比，虽然提取了低频信号，但中高频部分的主要特性信息依然存在。

2 现场试验

2.1 工程条件

选取某输气管道作为试验现场，该管道全长35km，管径1422mm，壁厚15.5mm，设计输量300×108m3/a，设计压力15MPa，实际运行压力10MPa，防腐层为3PE。服务器和主机设置在首站，沿管线同沟敷设φ-OTDR光纤测温传感器，并利用通信光缆中的2芯线路进行回路测试，传感器接收到土壤温度场的变化后将数据上传至主机，主机将信号进行调制、解调后上传至服务器，根据服务器中预先设定的报警阈值进行报警处理。φ-OTDR光纤传感器的传感距离为40km，空间定位精度为1-20m，采样频率为5-20Hz，采样分辨率为0.5-1m，通道数不少于2个。

2.2 升温试验

根据管道内检测中里程轮的数据，结合设计、施工、运行中的管道历史数据，将管道长度与光纤长度进行了对齐操作，控制全线光纤长度的误差在15m以内。

在管道里程15.67km处进行开挖试验，此处管道埋深2.1m，开挖2.3m后光纤和管道全部裸露在空气中，通过对该段光纤进行升温操作，每10min监测一次温度数据，得到经主机识别后的温度变化曲线，见图1所示。随着时间的延长，温度在10min内先迅速上升后缓慢下降，到90min时恢复至升温试验前的温度，与环境温度基本保持一致，这说明外界温度的变化可以引起φ-OTDR光纤测温传感器的温度变化，其温度变化的规律符合热力学的相关规律。与实际里程对比，测试误差为2m。

图1 升温试验温度随时间的变化

2.3 降温试验

在管道里程16.43km处进行开挖验证，此处管道埋深1.8m，冻土层为1m，首先开挖到1.1m处停止，观察土壤温度变化，该工况下管道上方仍有0.7m的覆土，故土壤的保温效果较好，土壤温度几乎不变；二次开挖到1.9m时，管道悬空，暴露在空气中，主机可监测到温度迅速下降；随后进行分层回填操作，发现随着回填厚度的增加，开挖点处的温度不断回升，回填完毕后温度与开挖前温度一致，说明φ-OTDR光纤测温传感器的温度变化与开挖回填操作基本一致，见图2所示。与实际里程对比，测试误差为-5m。

图2 开挖—回填中温度的变化

2.4 对比验证

分别采用φ-OTDR、声发射传感、光纤光栅传感和加速度传感等4种技术进行对比验证，其中声发射探头频率为30kHz，谐振灵敏度为85dB；光纤光栅传感器的扫描频率为1kHz，8通道，光学接头为FC/APC格式；加速度传感器的采样率为500kS以上，采样精度32位，同步时钟误差小于1ns。将四种传感器同时放置在管道上，在首站汇管旁通处开展试验，不同泄漏孔径下的检测结果见表1所示。其中光纤光栅传感和加速度传感的整体信号幅值最小，光纤光栅传感在小孔和中孔泄漏下的幅值变化基本一致，无法区分小孔和中孔泄漏；加速度传感在中孔和大孔泄漏下的幅值变化基本一致，无法区分中孔和大孔泄漏；在小孔泄漏2mm时，φ-OTDR的幅值变化要优于声发射传感，在中孔泄漏6mm时，φ-OTDR的幅值变化与声发射传感基本一致，在大孔泄漏10mm时，φ-OTDR的幅值变化略低于声发射传感，可见φ-OTDR传感器对三种泄漏孔径的灵敏度均较高，同时对小孔泄漏的适应性更好。

表1 四种方式的检测结果

3 结束语

随着人工算法的发展和科技的进步，泄漏检测技术逐步向智能化、数字化发展，仪器仪表的灵敏度越来越高。通过现场试验，发现φ-OTDR技术可以对输气管道的泄漏点进行准确定位，误差在-5～2m以内，与其他泄漏检测方法相比，对小孔泄漏的适应性更好，今后应开展敏感性分析，测试不同埋深、不同管道材质、不同压力等级和不同泄漏量条件下的φ-OTDR技术适应性。

◆参考文献

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