郑元辽, 刘月明

(中国计量学院, 浙江 杭州 310018)

0 引 言

目前,能源的传输一般采用压力管道进行传输，长输压力管道在实际工作中时常出现的泄露和爆管事故，采用有效的监测技术是保证压力管道安全运行的关键。传统的管道泄露检测方法具有诸多的缺陷，如放射性示踪剂检漏法效率低下，只有事故时发生才能报警，无法进行事故预警;压力点分析法存在检测泄露敏感性差和工作受环境限制大等缺陷;声波检漏法受限于声波传送距离，无法对长距离的长输管道进行监测，并且监测灵敏度低 。目前出现的光纤传感监测压力管道技术克服了传统检漏方法的技术限制，具有灵敏度高、实时性好、抗电磁干扰、防燃防爆和适用于长距离的遥感监测等优点 。

光纤传感技术是目前管道检漏技术发展的一个重要方向，在实现物理量测量同时可以实现信号传输，一般可分为分布式光纤和准分布光纤传感检漏技术 。

1 分布式光纤传感技术

分布式光纤传感技术是近年来光纤传感领域的研究热点 。目前分布式光纤传感技术主要有：基于光反射技术的分布式光纤检漏方法、基于光干涉技术的分布式光纤检漏方法和基于光散射技术的分布式光纤检漏方法等。

1.1 基于光反射技术的分布式光纤检漏方法

大庆石油学院的郑亚娟及其团队设计了一种长距离输油管道在线监测系统 ，该系统由光源模块、光纤传感头和信号采集处理模块三部分组成，其基本工作原理是光源发出的光在沿光纤向前传输的过程中产生后向散射，后向散射光强在向后传播过程中随着距离增长而按一定规律衰减，在光速不变的情况下距离与时间呈正比，根据探测器探测到的后向散射光强及其到达探测器的时间，就可以知道沿光纤路径上任一点的初始后向散射光强。

经过实验检测，该分布光纤监测系统已达到的如下技术指标：光纤长度为5 km(可延长)，测温范围为0～90 ℃(可扩展)，温度测量偏差小于5 ℃，对扰动外力和温度的定位偏差小于15 m，而负压波法检测泄漏的定位精度为1000 m。

1.2 基于光干涉技术的分布式光纤检漏方法

1.2.1 基于Mach-Zehnder和Sagnac干涉的分布光纤传感技术

干涉型光纤传感器可以检测多种物理量，因其空间灵活性好、测量灵敏度高和安全可靠等优点,近几年已成为光纤传感器领域主流发展方向。由Huang Shih-chu等人提出的基于Mach-Zehnder和Sagnac干涉混合系统的分布光纤传感技术避免了在管道附近构建光纤环结构，大大方便了在管道处铺设传感器的工作 。该系统是由Mach-Zehnder干涉仪和Sagnac干涉仪的混合配置结构以及ASE宽光源构成(见图1)，该干涉仪的4条路径只有2条具有相同的光学路径能够产生相干信号。泄漏点定位是通过对零点频率的确定进行的，实验结果表明：该混合干涉仪的信号测量分辨率约为0.5，这相比于其他干涉型光纤传感器高得多 。该系统的检测精度较高，实验结果也证实了这个系统可以检测到的泄露分布距离非常接近用OTDR方法测量的距离，但是结构复杂与经济成本过高的缺点使之无法被广泛运用。

图1 Mach-Zehnder和Sagnac混合型干涉仪

1.2.2 基于干涉型分布式光纤水下管道检漏技术

对于复杂水下环境，压力管道正常运作的条件要比陆地上的更为苛刻。目前水下管道常用的泄漏检测方法有水下机器人、水下导波技术等，传统检漏技术在检测精度和工作效率方面都存在着不足。杨其华教授及其团队设计了一种干涉分布式光纤水下长输气管道泄漏检测系统 ，该系统的主要检测原理是:当管道沿线某处发生泄漏时，泄漏流体与泄漏孔壁的摩擦会在管壁上产生应力波，此应力波会对铺设在管壁上的感测光纤产生扰动，通过感测光纤的应力应变效应对光纤中传输的光信号相位进行调制，然后对相应的输出干涉信号进行相应的分析处理,便可找到泄漏点位置。在泄露点距离法拉第旋转镜为3.994 km处，该团队重复做了10次实验，在10次实验中测得的泄露都在3.994 km附近，最小相对误差0.44 %，最大相对误差1.47 %，与实际值比较贴近。

1.3 基于光散射技术的分布式光纤检漏方法

光在沿光纤向前传播的同时还会产生后向传输的散射光，散射类型主要有瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。

1.3.1 基于后向相干瑞利散射的分布式光纤传感技术

工程实施规模化管理后，灌溉时农民只需在田间接1～2节软带即可，省去梯级灌溉提水设备搬运、铺设管路等费时、费工的工序，避免了管路接头漏水、阻水和接头断开等现象，灌溉时既省时、省力、又省钱，节省出的时间可以从事其他工作。灌溉工程建成后，明显缩短灌溉时间，保证作物各生长期的适时灌溉，果品可增产15%以上；对于一些输水距离较远、灌溉困难的地块，果农以往都很少进行灌溉，铺设管路后，灌溉得到了保证，果品增产可达50%以上，效益更加可观。灌溉工程提高了灌溉水利用率，每亩每年节水31.5 m3，在节水的同时每亩每年节省柴油2.74 L。

基于后向瑞利散射的光纤传感技术适用于光纤振动的监测 。严冰、董凤忠等人开展了该技术在管道监测应用方面的研究 ，其系统的测量原理见图2。周期性的短脉冲激光进入传感光纤后，光纤本身具有的折射率不均匀性将使脉冲激光发生瑞利散射，其中后向瑞利散射光经光纤返回耦合器，并被分布于另一端的光探测器接收。当传感光纤上某处因外部入侵产生扰动时，由于弹光效应，该处的折射率将发生变化，从而影响该处后向散射光的相位，进而造成干涉光强的变化。将发生扰动时采集到的后向散射光强信号与未扰动的信号相减，得到的光强差即包含事件的定位和事件特征的信息。系统通过对4 km长度的光纤进行扰动传感实验，有效地定位了扰动的发生。

图2 监测系统原理图

该系统在进行监测时，一般选较大消光比的电光调制器，并用多级放大以避免单次放大倍数过大导致线宽劣化，否则,实际监测距离将远小于理论预测距离。

1.3.2 布里渊散射

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术在压力和温度的同时测量方面有着无与伦比的优势 。传统布里渊光时域散射技术有以下2种局限 ：一是由偏振膜色散引起的光强测量精度低，二是因脉冲宽度受声子寿命与信噪比影响，以及SBS效应测量技术限制，使得脉冲宽度不能实现无限小。这些局限的存在严重阻碍了技术性能的提高。由Li W等人提出的一种名叫DPP-BOTDA的改进型布里渊散射技术突破了上述限制 ，有效提高布里渊光时域散射技术的性能。2012年，Soto M A等人提出在DPP-BOTDA中采用“复杂编码”技术，在60 km的光纤长度上实现空间分辨率为25 cm的布里渊增益与频移测量 ，进一步提高了该技术的技术性能。

1.3.3 拉曼散射

拉曼散射的温度效应是通过反斯托克斯光调制光纤中由脉冲激发产生的自发反斯托克斯散射光功率，经解调后得到空间温度场的分布信息。图3为长距离光纤拉曼温度传感器典型结构图。

图3 光纤拉曼温度传感器的结构

澳大利亚的Future Fiber Technologies Pty Ltd公司同样基于拉曼散射研制了用于天然气管道测漏的分布式光纤传感器通过检测管道周边的温度变化来判断是否发生泄漏，在10 km的监控范围内，测量时间10 min，温度分辨率为1.5 ℃ 。在2012年，Alessandro Signorini等人提出了性能更为优越的基于渐变折射率的多模和标准单模光纤拉曼温度传感技术，其测量性能达到以下指标：在监控范围超过50 km情况下，测量时间少于1 min，温度分辨率达到几个摄氏度。

1.3.4 不同光纤传感监测技术比较

基于瑞利散射的分布式光纤传感技术是应用最早的一项散射技术，目前研究较少，测量精度较低，传感距离短，主要应用于周界入侵、振动监测等方面；基于布里渊散射的传感技术对于单一分布参数的测量具有很高的精度和空间分辨率，并且传感距离长，但目前各种利用布里渊散射技术的分布式光纤传感器还只是主要集中在温度和应变的测量上，而且成本高，主要应用于长距离分布式应力监测、大中型建筑工地和长期稳定性监测；而基于拉曼散射的光纤传感技术空间分辨率与温度分辨率都很高，测量范围与成本介于以上2种散射技术之间，目前该技术已成熟，广泛应用于各领域。

2 准分布式光纤传感技术

相比于分布式光纤传感技术，准分布式光纤传感具有测量精度高、定位精确等优点，但是普遍存在功耗大的缺点。

2.1 双光纤阵列检漏技术

在管道正常服役情况下，外界突发情况引起的局部温度变化会造成在分析仪器末端出现的反射光中心波长发生漂移，从而导致检测出现失误。为解决该问题，李靖及其团队提出了一种双光纤阵列检测系统 ，该系统工作原理是:当管道某一处发生破裂时，石油由于自身的重力作用会沿着外壁流动，流到底部时与光纤阵列接触。由于聚合物对石油等碳氢化合物有明显溶胀现象，导致聚合物变形，从而带动封装在里边的光纤光栅做相应的形变，这样利用分析仪可以观察到反射光中心波长发生明显的漂移,从而确定泄露位置。

该技术很好地解决了石油输送管道泄露检测中温度干扰的现象，提高了对泄露处检测的准确性，它的缺点是定位检漏的范围十分有限。

2.2 基于准分布式FBG温度传感器的检测系统

大连理工的于清旭教授及其团队提出一种准分布式FBG温度监测系统，该系统基本工作原理是当光纤温度信号解调仪中发出的激光传输至FBG温度传感器阵列时，因每个FBG温度传感器具有各自的初始温度、波长编码和信号通道，所以，每个传感器返回的信号经解调后可得到各个通道的特征波长值，经过计算机信号光谱进行分析后，即可获得全部FBG温度传感器对应位置附近的温度值。在进行实际温度测量之前必须对各FBG温度传感器的Bragg波长和温度的关系进行标定。其标定范围在15～250 ℃内，在此范围内测量迟滞小。通过实验测试，该系统测得的温度与铂电阻温度计的测量值相对误差在0.5 %以下 。

3 结 论

光纤分布式与准分布式传感技术应用于管道检测是近年来管道检测行业发展的热点。光纤分布式传感技术测量范围大、损耗小、易于布网，适用于那些需要对长距离传输管道进行连续监测的工程，准分布式光纤光栅传感技术测量精度高、传感单元成本相对较低，但是损耗大，适用于小范围的高精度监测和精确定位。这2种技术在当今国内外都有着比较广泛的应用，并且都已经非常成熟。

目前，光纤传感技术在海底管道检测的应用研究还比较少，随着光纤传感技术的普及，这块领域也将有着很好地发展前景，相信在不久的将来，光纤传感技术会越来越多地应用于水下管道的检测，为在各种环境中运行的能源传输管道提供可靠的技术保障，促进长输油管道检漏技术不断发展。

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