基于光纤温度传感技术的压力管道泄漏检测

董建忠

(新疆维吾尔自治区塔里木河流域管理局信息中心，新疆 库尔勒 841000)

目前，我国污水处理压力管道经常面临破裂的风险，导致污水通过渗漏进入湖泊系统，严重恶化湖泊水质，从而破坏生态系统。对水质的不利影响还可能引发健康风险，还会造成经济损失。因此，迫切需要一种可行的技术，对即使是很小的泄漏进行经济和有效的检测和修复。

目前的污水管道检测技术方法都能提供关于是否存在泄漏的可靠信息，然而在管道超过一定长度(100m以上)并放置在深水中时，其性能相对较差，小的泄漏经常被忽视或操作范围受到限制，且存在时间长、成本高的缺点。分布式温度传感技术(DTS)为克服这些困难和局限性提供了一种手段，可以在非常高的空间和时间分辨率下检测和定位10～30km的光缆上的温度变化，在管道和工艺工程中得到了广泛的应用。

与永久放置FO电缆的典型DTS技术不同，本文旨在测试一种污水管道检测方法，该方法无需成本高昂的永久放置FO电缆，但具有DTS泄漏的精确空间检测优势。为了验证这一新的监测概念，设计了1个中型实验室实验来测试该方法的可行性。特别关注的是管道内不同的电缆定位，以及该方法在实际实施中的局限性和挑战。

1 材料与方法

1.1 DTS技术

DTS技术提供了沿FO电缆的高时间和空间分辨率的温度测量。DTS设备至少与光纤的一端相连。该装置发出激光脉冲并通过FO电缆传播，FO电缆作为线性传感器。光谱仪测量后向散射光子。通过测量传输时间，可以确定电缆中后向散射的位置。拉曼散射在本实验中用于确定温度，产生向高频(反斯托克斯分量)的波长偏移，也产生向低频(斯托克斯分量)的波长偏移。温度可以通过这两个分量的大小之比来推断。温度测量的准确性取决于为计算斯托克斯/反斯托克斯比而计数的光子数。因此，它直接取决于测量的时间和空间分辨率。实验中使用了最大空间分辨率为0.25m、时间分辨率为10s的Silixa XT-DTSTM装置。

1.2 测量方法

DTS在本质上的实现途径是：首先，在泵站压力管道中引入FO电缆。为了能够引入FO电缆，必须使用小型穿线装置，在泵的支持下将其浮到位置。为了使摩擦产生的拉应力最小化，电缆的比重应与水的比重相近。在正常情况下，泵站是不连续运行的，这取决于进入泵站的废水量。因此，管道内水温主要受湖水温度的影响。在夏季湖泊的分层阶段，表层的温度分别高于深层。表层被一个具有尖锐温度梯度的过渡层从下层更深的冷层中分离出来。在引入光纤光缆时，可以通过管道将来自外延层的温暖水抽出，从而产生人工温度梯度。之后，通过在出水口结构和泵站关闭阀门，并通过已安装的水泵在管道内设置稍微负压(约0.1bar)，便可触发负冷湖水通过泄漏点渗入管道。由此产生的泄漏处的局部温降是可测量的，并确定其位置。

1.3 实验设计

通过室内实验，模拟自然环境下的泄漏检测条件，验证了在管道内部采用射缝电缆进行泄漏检测的可行性。实验设计示意图如图1所示。采用直径20cm、长6m的U型PVC管作为压力管。在两个定义截面处钻取半径为4、6和8mm的理想圆形泄漏孔。将DTS电缆用拉紧丝穿入管道。电缆定位每隔25cm定位一次。在两端，电缆通过带有冰浴和温浴的校准段。选择了与仪器只有一个连接的单端安装。校准参数由3个参考截面组成的集合显式计算得到。管道几乎完全浸没在水箱中，水箱中充满了与潜水层水温相近的冷水。开始测量后，用比水箱中的水温暖10℃的水冲洗管道，并沿管道连续进行温度测量。模拟的温度差异来源于上、下两层典型的季节温差。

图1 实验中尺度设计方案

在正常的泵送条件下，水从管道中通过泄漏挤出进入水箱中的水是预期的，管道内部不存在温差。为产生反向流动，首先停止温水冲洗，关闭管道始端和末端阀门。几分钟后，可以观察到管道内的水和水箱内的水的近似均匀的温差。通过在管道末端施加0.1bar的微负压来诱导反向流动，从而引发更冷的水从水箱侵入管道。冷水与较暖水混合导致泄漏口附近局部温度降低。

1.4 测量序列

共进行了13组测量序列。它们的不同之处在于：时间分辨率、空间分辨率、电缆定位、泄漏的数量和大小。通过在相同的实验条件下实现不同的测量运行，测试了时空分辨率对定位的影响。为了测试管壁对泄漏检测的影响，采用一根自由浮动电缆和其他一系列电缆在管道内壁粘接的测量方法实现了另一个测量系列。后者已经与测量结果进行了比较，用泡沫聚苯乙烯制成的支架将电缆与墙壁隔开至少3cm。最后，进行了不同尺寸、不同空间分辨率的多次泄漏试验。

1.5 数据解读

采用不同的空间分辨率(0.25、0.5、1和2m)和时间分辨率(10、30和60s)进行温度测量。空间分辨率是指单个温度值报告的空间积分尺度，时间分辨率是指积分时间。通过泄漏检测异常需要检测异同点和阈值定义。首先利用积分时间(t)期间的累积温度变化Tcum来解释：

(1)

式中，Tcum—积分时间内的累积温度变化，℃；Tref—触发水侵入管道之前测量的参考温度，℃；Tref+k(z)—触发水侵入后k个时间步测量的温度，℃。

使用累积温度Tcum降低了由于测量不确定性或错误测量而导致的错误检测到的温度变化的概率。

1.6 阈值定义

无论累积温度变化是由泄漏还是由测量的随机噪声引起的，均由预定义的阈值Th决定，在z位置的阈值超过Tcum(|Tcum|>|Th|)表示泄漏，因为由不确定性引起的温差的概率变得非常小。Th(z)定义为：

(2)

式中，σTcum—由测量不确定性引起的Tcum的标准差；ΔTbackground—导热(管外水与管内水之间)发生的本底温度变化，℃；t—测定Tcum的测量次数。

1.7 Tref的确定

精确测定参考温度Tref在应用本文提出的方法时起着至关重要的作用。Tref严重影响Tcum的结果，因为它出现在和的每个加数中。为了降低Tref的不确定度，使用一组n个测量值来确定Tref，降低了不确定度：

(3)

式中，σTref(z)—由测量不确定性引起的Tref的标准差；σT(z)—由测量不确定性引起的T(z)的标准差。

这些测量是在负压初始化之前进行的。Tref的推导是通过计算算术平均值以及在减压开始之前通过简单线性回归消除趋势得到的温度来进行测试的。当取n的第一个值时，如图2所示，通过计算变化m和n的Tref(z)集合，并分析对Th-Tcum的影响，来检验测量次数(n)和起始点(m)变化的影响。在沿电缆z的每个位置上，对Tref进行了(m×n)/2计算：

图2 温度参考点、负压时刻测量温度与背景温度分布图

n+m=tpressure=nmax-1=mmax-1

(4)

式中，tpressure—参考温度；nmax—在负压设置之前可进行的最大温度测量次数；mmax—在时刻压力设置负压之前进行参考温度测量的最新时刻。

2 结果与分析

2.1 泄露检测分析

沿DTS电缆的Tcum(z)分析显示了泄漏处的特征峰。结果表明，已经可以检测到较小的泄漏(4mm)，如图3所示。振幅随积分时间t、内外流体温差以及泄漏数量的变化而变化。泄漏检出率与负压强度和泄漏量大小相对应。较长的积分时间克服了这些影响。阈值Th主要取决于测量不确定度σTcum(sr，tr)。背景温度变化很小，最大测量时间tmax=240s，在此时间段内没有热对流的相关温度变化为-1.45～0℃/min。

图3 累积温度和检测到的泄漏

空间分辨率对泄漏定位的影响对Tcum和阈值Th都有影响。前者在分辨率较低时减弱。这是很明显的，因为在较低的空间分辨率下，渗漏处的侵入水相对于测量体积较小。由于测量不确定度的降低，后者在较低的空间分辨率下也会减小。在泄漏检测方面，高空间分辨率和低空间分辨率都能检测到泄漏。较低的测量不确定度补偿了Tcum的影响，从而降低了阈值Th。对于泄漏点的定位，空间分辨率越高越好。

空间分辨率对84.5m电缆定位(t=200s)处6mm泄漏孔Tcum和Th的影响，如图4所示。

图4 空间分辨率影响示意图

2.2 线缆定位

电缆位置的影响通过用管道胶带将电缆的部分固定到内壁或用发泡聚苯乙烯制成的垫片将其至少分离3cm来测试。当电缆与管壁接触时，测量温度的降低并不一定会妨碍泄漏检测。其中关键的一步是电缆沿线参考温度Tref的准确测定。因此，在Tcum的计算中捕获并消除了由于未知的相对电缆相对管壁位置而引起的小尺度变化。然而，如果壁面效应的冷却作用叠加了冲洗水温升的影响，则外界水温与测量的内部温度之间的局部温度梯度可能会消失或低于测量不确定度本身。两个截面的温度随时间的变化情况，如图5所示。冲洗水的温度从测量开始时的37℃变化到测量结束时的35℃。水箱内的温度为30℃，壁面处的测量温度持续低于冲洗水的温度，温差高达3℃。当这种温差ΔT大于单次测量的阈值Th时，泄漏检测是可能的，但可能需要增加Tcum的测量次数。由于这种温差在电缆沿线的每个位置z处都会发生变化，因此必须事先实现对管道沿线温度的修正。

图5 电缆在管道内定位的效果

3 结语

通过对多个实验设计的测试显示，相比于传统方法，所提出的方法更具有优势，即使是很小的泄漏也可以精确定位。此外，除DTS本身不需要任何额外的技术设备，管道系统和周围湖水之间的温度梯度可以在夏季通过冲洗表层湖水来产生，成本低。该方法可能会成为污水管检查的传统方法之外一种具有成本吸引力的替代方法。但受管道长度、管壁摩擦产生的拉应力以及自然界不均匀温度条件的影响，相比于实验室检测，在实际执行过程中可能会出现进一步的挑战。作为下一步，我们建议在自然真实系统条件下测试所开发的方法，以探索我们的方法大规模应用的实际可行性。