新型光栅阵列感温火灾报警系统在油库工程的研究及应用

摘 要 针对王家沟油库储油罐已建传统光纤光栅感温火灾报警系统出现的各类故障及误报率高等问题，提出运用新型光栅阵列感温火灾探测器将其进行替换，利用先进的拉丝光刻、一次成缆工艺、波分/时分混合复用等技术，提升储油罐火灾报警系统的整体稳定性与准确率，对储油罐火灾监测及安全运作起到了举足轻重的效果。

关键词 储油罐火灾监测 光栅阵列 波分/时分混合复用 拉丝光刻 一次成缆

中图分类号 TH862+.7"" 文献标志码 B"" 文章编号 1000 3932（2025）01 0138 06

石油是国家重要的战略物资，各类油品的储运安全是能源生产和销售的重要保障。为避免储油罐发生火灾事故，设置火灾自动探测装置显得尤为重要。随着光纤光栅制造技术的不断发展与完善，其在储油罐火灾自动报警系统中的应用中也越来越多，如何使光纤光栅探测技术在各工业领域更实用化、准确率更高也是研究人员重点考虑的问题。笔者主要对传统式光纤光栅感温火灾报警系统在王家沟油库应用中出现的各类故障及问题进行分析，并提出运用新型光栅阵列感温火灾报警系统对其进行替换，以期提升应用效果。

1 传统式光纤光栅感温火灾报警系统在应用过程中存在的问题分析

《石油库设计规范》GB 50074—2014规定：储存甲B类和乙A类液体且容量大于或等于50 000 m3的外浮顶罐，应在储罐上设置火灾自动探测装置。2011～2012年期间，王家沟油库在11座原油外浮顶储罐上设置了传统式光纤光栅火灾报警系统。

传统式光纤光栅探测器的光纤和光栅是两个独立部件，各个光栅需要通过光纤熔接进行串联连接，光栅分布距离为每3 m一个。此套系统在应用过程中误报率和故障率不断增加，给库区安全生产运行带来诸多问题与不便。表1为该套系统在2019年3月至2021年2月共计36个月内的误报及故障的累积统计次数。

此套系统在应用过程中存在问题的分析如下：

a. 由于传统式光纤光栅中探头为预制焊接型式，因此在浮盘起降过程中受力能力较低，卡扣脱落后容易导致浮盘卡阻；

b. 光纤光栅探测缆熔接点较多，如一座油罐上布置50个光栅，就对应100个熔点，熔点损耗大，造成误报率高；

c. 光栅受温对光源反射及衍射影响程度较高，运行过程中会不断受阳光照射角度的影响而出现高报预警（误报，探测值达85 ℃及以上）和低低报预警（误报，探测值达-50 ℃及以下）；

d. 光纤光栅接头由光纤材料与光栅材料结合而成，其连接头中还存在金属部件和电子元器件，在工作过程中，接头容易进水，尤其冬天还容易结冰，接头长时间处于潮湿甚至有水的环境下，就会导致氧化、腐蚀，轻则影响亮度和分辨率，严重时会直接损坏设备。

可见，传统式光纤光栅系统由于受其物理结构本身的局限性，工程现场进水、结冰、光照、浮盘起降、老化等各种因素的影响都容易导致其稳定性较低、故障率及误报率较高，以至系统最后基本处于停用状态。王家沟油库原油储油罐火灾报警系统亟需进行升级更换以解决故障和误报率，因此笔者提出用新型光栅阵列感温火灾探测器替换传统式光纤光栅火灾探测器的方式进行改造。

2 新型光栅阵列感温探测技术

传统式光纤光栅探测缆（多段熔接）如图1所示，新型光栅阵列感温探测器的光纤和光栅采用一体成型的结构（图2），即在光纤拉制过程中采用拉丝光刻技术［1，2］实时在光纤上刻写光栅，光纤和光栅一体成型，具有100 mm的感温单元间距，1 s的温度测量周期以及10 km的探测距离，整条光缆无任何熔接点，布设简单，可靠性高。系统还采用波分/时分混合复用技术，使用脉冲光替代原有扫频光进行测量，可大幅增加相同波长传感器的复用数量。

2.1 拉丝光刻工艺简介

目前，光栅阵列的制备方法中最具应用能力的方式为拉丝塔在线制备技术，将光纤拉制和光栅刻写（图3）两个步骤同步完成，在光纤动态运动过程中实现光栅的在线写入，可以实现在一根光纤中连续刻写大量的布拉格光栅。

光纤拉制。光纤拉制首先要制备预制棒，光纤预制棒是控制光纤性能的原始棒体材料，其内层为高折射率纤芯层，外层为低折射率的包层，以满足光波在芯层传输的基本条件。光棒成品的质量和特性（如纯度、强度、有效折射率、衰减程度）对光纤有重大影响。光纤预制棒芯棒有多种生产方式，主要原理是基于气相沉积法，当前主要采用改进的化学气相沉积法（MCVD）、轴向气相沉积法（VAD）、棒外化学气相沉积法（OVD）和等离子化学气相沉积法（PCVD）四大主流工艺。光棒外部包层制造一般采用套管法（早期是RIT，后来演进为RIC）和全合成法（OVD、VAD）。之后进行光纤拉丝，即由高温拉丝炉将光纤预制棒高温融熔并拉制成细长的光纤。在拉丝的过程中，需控制拉丝速度和力度，以保证光纤的质量和直径精度。

光栅刻写。用准分子激光的单个脉冲在光纤上刻写光栅，由于准分子激光属于输出功率大的脉冲激光，单个脉冲能量集中、加热时间短、加热效率高，因此成栅时间非常短，这样就使得周围环境在成栅的过程中影响几乎可忽略不计。另外，在拉丝的同步实现用单脉冲刻写光栅，然后光纤进入涂层容器进行涂覆，保护了光纤不受其他因素造成损伤，因此提供了光栅的优良的光学性能和机械强度。

2.2 光纤光栅波分（WDM）+时分（TDM）混合复用解调技术

为增强光纤光栅的适用性，改善光纤光栅的分布，且往往需要对多点进行监测。因此可以采用复用技术进行光纤光栅分布，提高光源利用效率，增加光纤传输容量，在过程应用中降低系统搭建成本。过去最常见复用技术是波分复用（WDM）或时分复用（TDM）。

波分复用的优点是信号强，响应快，精度高；可多参量组网。缺点就是测量点数少（一般少于50个点）；单个制备光栅，焊接成网；组网时，损耗大、可靠性差。

时分复用的优点包括多点分布式测量，普通光纤，无需制作传感器。缺点就是信号弱，响应时间慢，精度低，只能测量温度及应力等少数参量。

光纤光栅波分+时分传感信号解调技术是一种先进的光纤传感方法，结合了波分复用（WDM）和时分复用（TDM）两种技术，通过在同一根光纤中利用不同波长和时间间隔进行传感信号的传输，该技术实现了高精度、多点的监测，其技术原理示意图如图4所示。这使得它在石油石化、电力和交通等领域的安全监测中具有广泛的应用前景。其优势包括高精度测量、有效避免信号干扰和适应恶劣环境。

2.3 性能对比

与传统式光纤光栅火灾报警系统相比，光栅阵列感温火灾报警系统具有以下特点：

a. 采用独有的拉丝光刻技术，每100 mm刻写一个光栅，可对100 mm范围的温升产生感应，具有非常高的空间分辨率；

b. 采用万分之一反射率的光栅进行感温，每通道可串联上万个光栅传感器，单通道测量距离可达5 km，仪表检测距离可达10 km；

c. 光栅阵列感温火灾报警系统在国内率先采用了先进的拉丝塔连续在线刻写光栅生产工艺和感温光缆整体无接头封装成缆生产工艺，即采用光纤拉制与光栅在线刻写合二为一、实现感温光栅整体封装成缆技术，此技术可连续多点写入传感光栅，光栅间无需焊接，无接点损耗。无任何熔接点，可完美解决工程现场出现进水、结冰导致光缆断裂的现象出现，可靠性高；

d. 响应速度快，传感元件为光栅，信号质量好，强度高，不需要进行累加。

传统式光纤光栅和新型光栅阵列感温火灾报警系统性能对比见表2。

综上所述，光栅阵列技术是一种可灵活配置的大规模、无接续、高精度、快速响应的光纤传感新技术，尤其是适合油库工程火灾报警探测。

3 油库工程中的应用及效果

3.1 在王家沟油库原油罐区火灾探测中的应用

3.1.1 阵列式光纤光栅感温探测系统构成

本工程将王家沟油库原油罐区3#罐、4#罐、7#～15#罐共计11座储罐的传统式光纤光栅火灾报警系统更换为光栅阵列感温火灾报警系统。光栅阵列感温火灾报警系统主要由光栅阵列感温光缆、火灾报警监测主机及火灾报警控制器组成（图5）。

由于光栅阵列感温光缆本质安全防爆、防雷，因此可安装在石油储罐现场，感知现场的温度信息；系统直接采用光栅阵列感温光缆进行光信号传输；光栅阵列火灾报警监测主机安装在控制室，通过RS485/RJ45通信端口向监控计算机输出油罐上各监测区温度和位置信息、火灾报警信号、故障报警信号等，并存储数据。同时报警开关信号通过输入模块接入控制室内的火灾报警控制器，与火灾自动报警系统实现数据共享，并与消防设施联动。

3.1.2 光栅阵列感温光缆安装

如图6所示，光栅阵列感温光缆安装于浮顶储罐边缘的二次密封金属板上沿，呈圆周形分布，光缆采用固定卡进行机械固定，固定卡间距约1 m。

光栅阵列感温光缆从油罐顶部到罐底部沿油罐外壁垂直敷设，使用DN 25镀锌管进行保护，DN 25镀锌管安装于罐外壁角钢上，角钢规格为∠40×40×4，角钢间隔2 m。

3.2 应用效果

表3为使用光栅阵列感温火灾报警系统后，此11座储罐在2022年8月至2024年1月18个月内系统误报及故障的累积统计次数。

通过对比分析，说明光纤光栅火灾报警系统技术更新后，故障率和误报率都极大程度地降低，提升了测温系统的整体稳定性，也明显减少了人工维护及维修的成本，应用效果良好。

4 结束语

光纤光栅传感器已经广泛应用于石油化工、电力系统、公共交通的各个领域中，逐渐形成了产学研紧密结合的格局。新型光栅光纤阵列传感技术的出现，能够为我国各个领域的工程、重要基础设施的状态监测与安全管理提供完整先进的解决方案，对潜在事故隐患及时地进行预警和报警，显著提升我国大型基础设施的实时监测能力与安全管理水平。同时，伴随着光纤光栅传感技术的飞速发展与应用，其许多技术难点还需要克服，希望光纤光栅探测系统的技术及性能更趋于完善，误报及故障等问题可以得到更好地解决，使光纤光栅具备更大的应用优势，更好地为国家经济服务。

参 考 文 献

［1］ 龚健文，王建，刘俊伯，等.基于投影光刻技术的微透镜阵列加工方法［J］.光电工程，2023，50（12）：89-99.

［2］ 陈林森，黄文彬，浦东林，等.激光直写光刻技术的发展与应用（特邀）［J］.中国激光，2024，51（12）：286-299.

（收稿日期：2024-05-27，修回日期：2024-07-03）