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标题: 先进 OTDR 型分布式光纤传感器及其在油气管道在线监测应用 [打印本页]

作者: vhongbo 时间: 2023-7-1 14:43
标题: 先进 OTDR 型分布式光纤传感器及其在油气管道在线监测应用
涂勤昌，韦波，史训兵
（浙江中欣动力测控技术有限公司，浙江宁波 315010）
摘要：介绍了两种可实现 50~100 公里测量距离的先进 OTDR 型分布式光纤传感器：布里渊
光时域分析仪 BOTDA 和分布式声音传感器 DAS，给出他们的测量原理和技术优势。阐述
了这两种传感器在油气管道综合在线监测的具体应用，并介绍了国内外成功应用案例，表明
BOTDA 和 DAS 可实现油气管线多参量分布式测量和多事件准确定位，将有效保障长输油
气管道运营安全。
关键词：分布式光纤传感 BOTDA DAS 油气管道在线监测
1  引  言
石油天然气管道输送是我国第五大运输方式，具有安全、高效、低耗等优点，对保障能
源安全和经济发展具有重要意义。油气管道距离长、且多埋藏于地下，地质环境复杂；并且
在用油气管道中有相当部分服役时间超过 20 年，东部部分管网甚至超过 30 年，已步入事故
高发期。油气管道长期服役后会因腐蚀、地形沉降、管材及施工质量、机械施工及人为破坏
等原因发生失效事故，特别是近些年因恶意打孔盗油（气）和非法施工造成的管道安全事故
常有发生 [1~4] 。由于油气管道都是高压运行，输送介质易燃、易爆并具有毒性，一旦发生事
故极易造成重大经济损失、人员伤亡和环境污染，因此油气管道的安全在线监测尤显重要。
早期，油气管道的安全监测主要以人工巡护为主。随着测量技术的发展和自动化监测需
要，油气管道工程逐渐开始采用在线监测技术，主要以泄漏监测和打孔监测为主，采用的方
法主要有质量平衡法、负压波法、音波法、应力波法和瞬态模型法等 [2~4] 。近些年，以
Mach-Zehnder、Sagnac 干涉仪为代表的分布式光纤振动传感技术应用于油气管道工程，它
直接利用与管道同沟敷设的通信光缆或者传感光缆作为传感器，测量距离长、本质安全，可
以实现挖掘、机械施工以及泄漏等事件预警，并精确定位，技术优势显著。但受测量原理所
限，Mach-Zehnder、Sagnac 干涉仪仅可实现单一振动事件的定位，对管道沿线多个振动事
件将无法定位。充分发挥分布式光纤传感技术的独特优势，并实现多参量测量和多事件准确
定位将有效提升长输油气管道安全监测技术水平。
2  先进 OTDR  型分布式光纤传感器测量原理
OTDR 型分布式光纤传感技术是上世纪 90 年代末逐步发展起来的一种新型传感技术，
它利用光纤背向散射效应（瑞利、布里渊、拉曼散射）实现光纤沿线的物理参量测量，并利
用光时域反射 OTDR 技术实现事件位置定位，具备多事件同时定位功能。基于拉曼散射原
理的分布式光纤测温技术 DTS 已在国内外广泛应用，其测量距离一般不超过 10 公里，不适
合长输油气管道应用。本文主要介绍可实现 50~100 公里的先进 OTDR 型分布式光纤传感技
术：布里渊光时域分析仪 BOTDA 和分布式声音传感器 DAS。
2.1  布里渊光时域分析仪 BOTDA  测量原理
布里渊光时域分析仪 BOTDA 是基于受激布里渊散射效应的分布式光纤传感器，最初由
日本 Horiguchi 等人提出。布里渊散射是光波和声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散
射过程，布里渊频移Bν 与波长 λ、声速Aν 和折射率 n 与的关系
（1）当环境温度变化或光纤产生形变时，光纤中声速和光的折射率都会随之变化，从而使布
里渊频移发生变化。根据文献[5, 6]，布里渊频移与环境温度、光纤应变成线性关系：
（2）式中Bv Δ 为布里渊频移变化量， ε Δ 为光纤轴向应变，RT Δ 为光纤温度，εC 和TC 分别为
布里渊散射频移的应变和温度系数。对于普通的单模光纤，温度系数TC 约为1.1MHz/℃，应变系数
εC 约为 0.0483MHz/με。BOTDA 系统需要的两个窄线宽的激光光源，分别为泵浦光源（脉冲光信号）和探测光
源（连续光信号），这两个光源发出的激光在光纤中反向传输，在光纤的脉冲光源端测量探测
光信号。泵浦光和探测光分别从光纤的两端分别注入，当泵浦光与探测
光的频率差与光纤中某个区间的布里渊频移相等时，该区域就会发生受激布里渊放大效应，
两束光之间发生能量转移。通过扫描探测光频率，可获得光纤任一点的布里渊频谱，从而得
到分布式应变和温度测量。目前，BOTDA 系统最大测量距离可达 120 公里，空间分辨率 3~10
米，定位精度小于 2 米。
图 1 BOTDA 测量原理
2.2  分布式声音传感器 DAS  测量原理
分布式声音传感器 DAS 是基于相干瑞利散射的分布式光纤传感器。它利用光纤对声音
（振动）敏感的特性，当外界振动作用于传感光纤上时，由于弹光效应，光纤的折射率、长
度将产生微小变化，从而导致光纤内传输信号的相位变化，使得光强发生变化。
声波导致的相位变化很小，因此 DAS 系统通常采用高相干的脉冲光源，脉冲宽度区域
内瑞利散射信号之间会发生干涉，当外界振动导致相位发生变化时会使得该点的相干瑞利散
射信号强度发生变化，通过检测振动前后的瑞利散射光信号的强度变化（差分信号），即可
实现振动事件的探测，并精确定位。与 Mach-Zehnder、Sagnac 干涉
仪相比，DAS 系统仅需一芯单模光纤，最大测量距离可达 50 公里，定位精度±20 米以内，
并且可实现多事件同时探测与定位。
3  先进 OTDR  型分布式光纤传感器技术优势
BOTDA 和 DAS 作为最新一代的 OTDR 型分布式光纤传感技术，直接利用与管道同沟
敷设的通信光缆或者传感光缆作为传感器，均可实现 50 公里以上测量距离，具有明显技术
优势，非常适合长输油气管道在线监测应用，具体如下：
①长距离分布式测量：可以实时测量光纤沿线任一点上的温度、应变、振动等分布信息，
覆盖管道全线范围，无测量盲区，最大实时监测距离可达 100km。
②多参量测量：单一的温度、应变或者振动，都无法准确评估管道的健康和安全，综合
测量管道周围的温度、应变和振动实时信息，有助于全方位、多角度监测管道安全。
③多事件定位：OTDR 型分布式光纤传感器先天具备多振动事件探测及定位功能。
④灵敏度高：系统对管道第三方破坏非常灵敏，可检测管线周围 20 米以内的机器挖掘、
15 米以内的人工挖掘；另外，对高压管道微泄漏引起的微弱振动和原油管道泄漏引起的温
度变化有极高的探测灵敏度。
⑤本质安全：分布式光纤传感器采用光信号测量，抗电磁干扰；管道现场无需供电，本
质安全。
⑥寿命长：单模通信光纤本身就是传感器，“传”“感”合一，并且光纤寿命可达 30 年，
可以长年累月的实时监测管道安全，后期维护成本低。
4  分布式光纤传感油气管道综合在线监测系统
基于 BOTDA 和 DAS 为感测技术的分布式光纤传感油气管道综合在线监测系统，利用
利用与管道同沟敷设的通信光缆作为传感器，能实时获得油气管道沿线的温度、应变、振动
等状态信息，通过历史数据分析和特征信号提取与智能识别，实现对管道第三方破坏、管道
泄漏、管道沉降形变和地质灾害等进行事前预警，事前预知事件发生的时间、地点、事件趋
势等，并准确定位。
图 3 分布式管道安全在线监测系统示意图
4.1  管道泄漏在线监测
管道出现泄漏后，泄漏点附近的温度会出现变化并且会产生一定频率的振动信号。利用
BOTDA 的分布式温度测量功能以及 DAS 的分布式振动监测功能均可实现管道泄漏在线监
测与定位。对于原油管道，需加热输送，泄漏处的温度将升高；对于天然气管道，由于焦耳
-汤姆逊效应，天然气经过泄漏孔节流膨胀，节流膨胀过程前后的焓不变，在泄漏孔出口出
现温度下降。此外，DAS 可实时感测高压管道泄漏时产生的振动信号，通过
提取特征信号与智能识别，能及时报警并定位。
4.2  管道第三方破坏在线监测
管道周围出现机械挖掘、打孔盗油、蓄意破坏等人为破坏时，都会产生不同频率特征的
振动信号。DAS 可分布式检测到管道沿线各个位置的振动信号，100%覆盖整个管线。DAS
可以获得振动事件的时间、地点、事件趋势等信息，通过对振动波形分析和特征信号提取，
并结合专家数据库和神经网络识别算法，可确定振动事件类型，对可能危害管道安全的动土
事件、站场设施入侵事件提前预警，保障管道运行安全。
4.3  管道周边地质灾害在线监测
影响管道安全运行的地质灾害主要有：①地壳内部运动导致的地质灾害，包括地震、地
面塌陷、沉降、地裂缝、断裂灾害等；②外部环境导致的地质灾害，包括滑坡、泥石流与洪
水冲蚀、沙埋和风蚀灾害；③特殊土体所导致的地质灾害，多为湿陷性黄土、膨胀土、盐渍
土、多年冻土发生变形引起的灾害等。上述地质灾害对管道的影响主要体现在管道周边环境
的变化，使得挤压力、弯曲力、剪切力等复杂的交变应力作用于管道上，从而导致管道出现
异常的形变，最终损坏管道或者降低管道服役寿命。通过管道外壁固定传感光缆或者管道同
沟直埋通信光缆，利用 BOTDA 可以获得管道沿线光纤应变分布，进而推算出管道形变或者
周边土层应变分布变化信息，提前预警安全隐患。
直埋光缆
油气管道
土壤
紧压土层
（a）管道外壁固定应变传感光缆（b）管道同沟直埋光缆
5  国内外成功应用案例
5.1  管道泄漏在线监测应用案例
2007 年，美国阿拉斯加 Beaufort 海上油田采用了一台 BOTDA 设备用于监测 2 条输油
管道，其中包括 8 公里长的海底输油管道。利用海底管线束内的通信光缆，BOTDA 设备可
实时提供 14 公里管道沿线的温度分布曲线，精确定位泄漏的位置。BOTDA 系统可以长期
连续工作，为泄漏在线监测及预警提供良好的解决手段 [5] 。类似的，2013 年胜利油田首次采
用了一台 BOTDA 用于采油区块内增压泵至联合站间的两条输油管线分布式温度在线监测，
以实现原油输送管道泄漏及时报警和准确定位。
天然气管道方面，意大利利用 BOTDA 设备用于已服役 35 年的埋地天然气管道监测（温
度、应变测量），其中利用温度传感光缆成功实现一次气体泄漏预警 [9] 。
5.2  管道第三方破坏在线监测应用案例
国外英国 QinetiQ 公司、Fotech 以及 Silixa 公司几年前即可提供 DAS 产品，该产品在长
输油气管道第三方破坏在线监测的应用案例较多。如，2009 年 11 月，东欧为了保护 100 公
里石油管道不受第三方破坏尤其是打孔盗油的危害，利用两套 DAS（各监控 50 公里）实现
全线监控，曾成功预警盗油事件。2009 年，厄瓜多尔某公司利用 DAS 在线监测石油管道，
发现了一起在管道周围 20 米内施工的事件，及时报警，避免了事故发生 [9] 。
5.3  管道周边地质灾害在线监测应用案例
在安第斯山脉，超过 50%的管道故障是由地质灾害引起。秘鲁修建了一条 408 公里长
从东至西跨越安第斯山的 LNG 管线，管线海拔 4000～6000 米，途经陡坡、高峰和低谷等
地质不稳定的地区，并且气候多变。该公司利用使用 BOTDA 实现 60 公里管线在线监测，
其利用两根长距离光缆，一根用于地质探测的应变测量光缆，一根用于泄漏探测的温度测量
光缆（为通信光缆的一部分）。其中通信光缆贯穿整个管道长度，而应变监测光缆只用于部
分较危险的山区，实现管道泄漏、地质运动全面监控 [9] 。
6  结束语
油气管道安全事关国民经济和人民生活，对油气管道安全在线监测尤显重要。以
BOTDA 和 DAS 为代表的先进 OTDR 型分布式光纤传感器，直接利用与管道同沟敷设的通
信光缆或者传感光缆作为传感器，实时获得管道沿线任意一点的温度、应变、振动等多参量
信息，实现管道第三方破坏、管道泄漏、管道沉降形变及地质灾害等多参量测量和多事件定
位，技术优势明显，从而全方位保障油气管道运营安全。
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