張慶所，胡 江

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300452)

光纖傳感技術(shù)在海底管道泄漏監(jiān)測方面的應(yīng)用

張慶所，胡 江

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300452)

海底管道作為海上油氣運輸?shù)闹匾O(shè)施，一旦發(fā)生泄漏事故，不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，還會造成重大的社會影響，因此亟需一種在線監(jiān)測技術(shù)來對海底管道進(jìn)行實時在線監(jiān)測。針對目前對海底管道因腐蝕和第三方破壞等造成海底管道泄漏無法進(jìn)行實時監(jiān)測和定位的問題，開發(fā)了基于光纖傳感技術(shù)的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。通過實際應(yīng)用，該系統(tǒng)能夠有效地進(jìn)行海底管道泄漏監(jiān)測。

海底管道 光纖傳感技術(shù) 泄漏監(jiān)測

海底管道是海上石油、天然氣運輸方式中最經(jīng)濟(jì)合理的選擇，而隨著海底管道的不斷建造以及服役時間的增長，腐蝕和第三方破壞等對海底管道造成損傷的可能性也在不斷增加，當(dāng)海底管道的損傷達(dá)到一定程度后難免會造成油氣泄漏事故的發(fā)生。油氣泄漏一旦發(fā)生，不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，污染海洋環(huán)境，往往還會造成重大的社會影響。

目前海底管道對數(shù)字化、實時連續(xù)、高效安全監(jiān)測的需求日益增加，對于監(jiān)測手段也有了更高的要求，包括監(jiān)測效果、監(jiān)測范圍、監(jiān)測過程的安全性、監(jiān)測設(shè)備對于環(huán)境的耐受性和使用壽命等。傳統(tǒng)的監(jiān)檢測技術(shù)存在效果較差、范圍有限、對于人力依賴較大、無法實現(xiàn)實時在線連續(xù)性監(jiān)測等問題，難以真正實現(xiàn)海底管道對高效安全監(jiān)測的要求。因此如何安全、科學(xué)、有效、經(jīng)濟(jì)地對海底管道進(jìn)行監(jiān)測是一個十分迫切且有現(xiàn)實意義的重大課題。

1 光纖溫度傳感技術(shù)

20世紀(jì)70年代，人們在實驗中首次將光纖用于傳感而非通訊，[1]開啟了現(xiàn)代光纖傳感技術(shù)的先河。隨著研究的深入，光纖傳感技術(shù)可傳感的距離越來越遠(yuǎn)，傳感器也由單點傳感方式過渡到分布式傳感方式?，F(xiàn)代光纖傳感技術(shù)已經(jīng)成功從實驗室走向工程，并成功應(yīng)用于航天航空、建筑、化工、交通、軍事等領(lǐng)域。

1.1 準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)

準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)是一種以光纖將多個光學(xué)傳感器以串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接在一起，利用頻分復(fù)用、時分復(fù)用等方式使多個傳感器的信息共用一條光纖傳輸?shù)奖O(jiān)測終端的傳感技術(shù)。它可以同時感知多個點位的環(huán)境信息(如溫度、壓力、傾角、微應(yīng)變等)?；诖思夹g(shù)的傳感系統(tǒng)主要有：基于Mach. Zehnder和Sagnac干涉儀的光纖聲學(xué)傳感系統(tǒng)、基于Joule-Thomson效應(yīng)的輸氣管線泄漏傳感系統(tǒng)、[2]基于Sagnac干涉儀的準(zhǔn)分布式光纖聲學(xué)傳感系統(tǒng)。[3]

準(zhǔn)分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)是利用波分復(fù)用技術(shù)，將不同中心波長的FBG傳感器串連在1條光纖上，實現(xiàn)對多點位的溫度監(jiān)測。如圖1所示，寬帶光源發(fā)出的激光是不同波長的光混在一起。激光通過耦合器后，入射光中特定波長的光被FBG傳感器反射回來，經(jīng)過耦合器傳輸至解調(diào)儀(即圖中的AWG)中進(jìn)行解碼。

圖1 準(zhǔn)分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of quasi distributed optical fiber temperature sensing system

每一個FBG傳感器所反射的光擁有不同的中心波長λB，中心波長的數(shù)值受環(huán)境溫度的影響。通過解碼各傳感器中心波長的變化即可得知各點位的溫度變化，實現(xiàn)各點位溫度的同時監(jiān)測。

雖然準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)實現(xiàn)了對多個點位的同時測量，但其只能對已布設(shè)傳感器的離散點位進(jìn)行監(jiān)測，并不能做到對某一段路徑區(qū)間內(nèi)的無盲區(qū)監(jiān)測，因而不適用于海底管道這種長距離、大范圍空間場的監(jiān)測。

1.2 全分布式光纖傳感技術(shù)

全分布式光纖傳感器利用1根光纖作為延伸的敏感元件，光纖上的任意一段既是敏感單元又是其他敏感單元的信息傳輸通道，因而可獲得被測量沿此光纖空間和時間變化的分布信息。它消除了傳統(tǒng)傳感器存在的傳感“盲區(qū)”，從根本上突破了傳統(tǒng)的單點測量限制，是真正意義上的分布式光纖傳感器，適合應(yīng)用于海底管道。

2 管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的泄漏監(jiān)測原理

激光器發(fā)出的光射入到光纖中，會在光纖中發(fā)生拉曼散射。其中背向拉曼(Raman)散射中因分子能級間的轉(zhuǎn)換，包含有高于入射光頻率的反斯托克斯光和低于入射光頻率的斯托克斯光。[4]反斯托克斯光強(qiáng)度隨溫度變化顯著，而斯托克斯散射光基本與溫度無關(guān)。因此可以在入射端測得反斯托克斯光強(qiáng)度并根據(jù)時間變化來獲取溫度信息，通過光時域反射技術(shù)來對散射發(fā)生處進(jìn)行定位。[5-7]

式中：Ias、Is分別為Raman散射的反斯托克斯光和斯托克斯光的光強(qiáng)；vas、vs分別為Raman散射的反斯托克斯光和斯托克斯光頻率；Δγ為Raman散射頻移波數(shù)，僅與光纖材料有關(guān)；h為普朗克常量；k為玻爾茲曼常量(見圖2)。

圖2 激光散射原理圖Fig.2 The principle of laser scattering

原油管道發(fā)生泄漏后，高溫高壓液體由于內(nèi)外壓差向外泄漏，會導(dǎo)致泄漏點附近溫度升高。光纖傳感分布式監(jiān)測管道泄漏主要是基于激光散射溫度測量原理，通過伴隨管道的光纜測量泄漏時的溫度變化來識別泄漏的發(fā)生并定位(見圖3)。

圖3 管道泄漏監(jiān)測原理Fig.3 The principle of pipeline leakage monitoring

3 海底管道安全監(jiān)測系統(tǒng)

不同于準(zhǔn)分布式的FBG傳感系統(tǒng)，[8-10]本系統(tǒng)為全分布式系統(tǒng)，光纖既是傳光元件又是傳感器。本監(jiān)測系統(tǒng)首次實現(xiàn)了利用光纖傳感技術(shù)對海底管道進(jìn)行安全監(jiān)測，包括海底管道泄漏監(jiān)測和海底管道振動監(jiān)測。系統(tǒng)主要由監(jiān)測主機(jī)、傳感光纜、監(jiān)測軟件和顯示器構(gòu)成，如圖4所示。

①監(jiān)測主機(jī)具有多通道光電轉(zhuǎn)換功能以及插損小、易擴(kuò)展等特點，同時提供各種報警指示燈，方便了解運行狀態(tài)，另外還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)實時采集，便于后期軟件分析處理。監(jiān)測主機(jī)內(nèi)部主要包括激光器、電光調(diào)制器及其電驅(qū)動器、光耦合器、聲光調(diào)制器、光接收組件等。②傳感光纜為上述伴隨海底管道鋪設(shè)的光纜，采用鎧裝結(jié)構(gòu)，力學(xué)和熱傳導(dǎo)性能優(yōu)秀；該光纜響應(yīng)快、衰減小，提高了系統(tǒng)的測量精度和測量范圍，主要負(fù)責(zé)信號采集和信號傳輸。③監(jiān)測軟件提供監(jiān)測現(xiàn)場線路全程分區(qū)圖及其溫度、振動分布曲線，有利于報警的及時定位；同時該監(jiān)測軟件至少可以分為128個分區(qū)，分區(qū)可獨立報警，方便定位；采用全中文友好界面，操作便捷，易于升級。④顯示器采用高清液晶顯示器，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測結(jié)果及監(jiān)測曲線的顯示。

圖4 系統(tǒng)構(gòu)成Fig.4 System components

本監(jiān)測系統(tǒng)首次實現(xiàn)了海底管道泄漏的實時在線監(jiān)測，從而可以第一時間發(fā)現(xiàn)泄漏點和泄漏位置，為海洋油氣田安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)提供了有力保障，具有重大的社會和經(jīng)濟(jì)價值。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

目前，該系統(tǒng)已在渤海某2座海洋平臺之間的海底輸油管線上進(jìn)行了應(yīng)用。為了驗證該監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行海底管道監(jiān)測的有效性，在平臺上做了測溫實驗。實驗是將局部光纜放入熱水中，觀察光纜加熱時的溫度變化，如圖5、6所示。

圖5 光纜加熱Fig.5 Heating the fiber cable

圖6 加熱后測溫結(jié)果Fig.6 Monitoring results after heating

為了方便觀察，在圖6中只顯示了前500,m光纜的測溫結(jié)果，圖中白色曲線為溫度曲線。可以看出，對光纜加熱后，圓圈所示位置明顯出現(xiàn)1個峰值，此處正是光纜加熱的位置。由于前200多m光纜在海面以上，其余光纜在海面以下，從圖6還可以看出，海面以上光纜的溫度明顯高于海面以下光纜的溫度，該測溫實驗是在夏天進(jìn)行的，這也與實際相符。

5 結(jié) 論

本文針對目前對海底管道因腐蝕等造成管道泄漏無法進(jìn)行實時監(jiān)測和定位的問題，開發(fā)了基于光纖傳感技術(shù)的安全監(jiān)測系統(tǒng)，可以通過監(jiān)測海底管道的溫度來反映海底管道泄漏情況并定位。同時研究的適用于海底管道的光纜鋪設(shè)工藝，有效保證了該項技術(shù)能夠應(yīng)用到實際中。另外通過現(xiàn)場測溫實驗可知，該監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)５坠艿赖臏囟冗M(jìn)行有效監(jiān)測，為海洋油氣田的安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)提供保障，提升經(jīng)濟(jì)及社會價值。■

［1］ Grattan K T V，Sun T. Fiber optic sensor technology：an overview [J]. Sensors and Actuators A(Physical)，2000，82(1)：40-61.

［2］ Kaseh M，Hurtig E，Grosswig S，et a1. Leak detection and online surveying at underground gas pipelines using fiber optic temperature sensing [J]. Oil Gas-European Magazine，1997，23(3)：17-18.

［3］ Vakoc B J，Digonnet M J E，Kino G S. A novel fiberoptic sensor array based on the Sagnac Interferometer[J]. Journal of Lightwave Technology，1999，17(11)：2316-26.

［4］ 劉天夫，張步新. 光纖后向拉曼散射的溫度特性及其應(yīng)用[J]. 中國激光，1995(9)：695-700.

［5］ 孫崢，劉曉麗，朱士嘉. 利用光纖拉曼散射溫度傳感系統(tǒng)的電力電纜溫度在線監(jiān)測[J]. 光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2009(2)：33-37.

［6］ 李政. 拉曼散射理論及其應(yīng)用[D]. 北京：北京工業(yè)大學(xué)，2005.

［7］ 耿軍平，許家棟，郭陳江，等. 全分布式光纖溫度傳感器研究的進(jìn)展及趨勢[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2001(2)：4-8.

［8］ 張金濤，劉士奎，劉盛春，等. FBG溫度傳感特性的實驗研究[C]. 第九屆全國敏感元件與傳感器學(xué)術(shù)會議，2005.

［9］ 劉海鋒，王虎，劉偉，等. 基于短柵區(qū)光纖光柵傳感器的油氣管線腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報，2013(10)：1379-1383.

［10］ 陳雅楠，曹宏遠(yuǎn)，向安，等. 基于光纖傳感油氣管道安全監(jiān)測評價系統(tǒng)研究[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2013(7)：102-103.

The Application of Optical Fiber Sensing Technology in the Monitoring of Submarine Pipeline Leakage

ZHANG Qingsuo，HU Jiang
(CNOOC(China)Co.，Ltd．Tianjin Branch，Tianjin 300452，China)

As an important facility for offshore oil and gas transportation，submarine pipeline would cause not only huge economic loss and environmental pollution，but also bad social influence in case of a leakage accident．Therefore，it is necessary to develop a monitoring technology for submarine pipeline in real time online monitoring．To solve the problems of the failure in both real-time monitoring of submarine pipeline and position locating for submarine pipeline leakageswhich are caused by corrosion and destruction by any third party activities，this paper presents a safety monitoring system based on optical fiber sensing technology．This monitoring system can implement real-time monitoring and locate the leakage of submarine pipeline．Satisfying results were obtained after testing.

submarine pipeline；optical fiber sensing technology；monitoring of pipeline leakage

X21

A

1006-8945(2016)03-0045-03

2016-02-04