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分布式光纤管道泄漏检测和定位技术

第27卷　第2期2006年3月

石油学报

ACTAPETROLEISINICA

Vol.27　No.2Mar.

2006

基金项目:

国家自然科学基金项目“流体管网泄漏检测的新方法与关键技术研究”

（No.60534050资助。

作者简介:

周　琰,男,1968年4月生,2002年毕业于天津大学获硕士学位,2002年于天津大学精密仪器与光电子工程学院攻读博士学位,主要从事

文章编号:

0253Ο2697（200602Ο0121Ο04

分布式光纤管道泄漏检测和定位技术

周　琰　靳世久　张昀超　孙立瑛

（天津大学精密测试技术与仪器国家重点实验室　天津　300072

摘要:

提出了一种基于Mach2Zehnder光纤干涉仪原理的新型分布式光纤管道泄漏测试技术。

该检测技术利用在管道沿线附近敷设的一条光缆中的3条单膜光纤构成分布式微振动测试传感器,通过检测管道沿途所发生的泄漏噪声,可以实时地监测管道沿线所发生的泄漏情况。

利用广义相关时延估计算法,通过确定2个测试信号的时延可以获得泄漏点的位置。

阐述了该检测技术的测试原理和泄漏点定位方法,并对现场试验数据进行了分析。

理论分析和试验结果表明,该测试技术可以有效地提高管道泄漏测试的灵敏度和定位精度。

关键词:

管道;泄漏检测技术;光纤干涉仪;传感器;定位技术;时延估计算法中图分类号:

TN247　　　　文献标识码:

A

Distributedopticalfibersensingtechnologyfor

pipelineleakagedetectionandlocation

ZhouYan　JinShijiu　ZhangYunchao　SunLiying

（StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasuringTechnologyandInstruments,TianjinUniversity,Tianjin300072,China

Abstract:

AnewdistributedopticalfiberpipelineleakagedetectiontechnologybasedontheprincipleofMach2Zehnderopticalfiberinterferometerisproposed.Anopticalcableshouldbelaidalongthepipelinewhenapplyingthistechnologytopipelineleakagedetec2tion.Thedistributedmicro2vibrantmeasuringsensoriscomposedofthreesinglemodeopticalfibersintheopticalcable.Theoilleakagecanbedetectedbythesensorinreal2timebymeasuringleakednoisealongpipeline.Thepositionofleakingpointcanbeob2tainedbydefiningthevalueoftimedelayofthetwomeasuringsignalswiththegeneralizedcorrelationtimedelayestimationalgo2rithm.Thistechnologyisapplicableforvariousoilandgaspipelineleakagedetection.Themeasuringprincipleandtheleakingpointlocationmethodforthistechnologyaredescribed.Theexperimentresultshowedthatthistechnologycangreatlyimprovethemeas2uringsensitivityanddetectingprecisionofleakagelocationonpipeline.

Keywords:

pipeline;leakagedetectiontechnology;opticalfiberinterferometer;sensor;locationtechnique;timedelayestimational2

gorithm

　　管道泄漏的及时发现和定位具有重要的现实意

义。

目前国内外油气管道泄漏检测技术中的质量平衡法、负压波法、压力梯度法和实时模型等管道泄漏检测方法主要是通过检测管道输送压力、流量以及温度等参数的变化来判断是否发生管道泄漏,由于该类测试方法受到流体特性、输送工艺以及测试仪器的灵敏度和测试精度等因素的限制,对于管道微小泄漏检测灵敏度较低;应力波管道泄漏检测法是利用管道泄漏所产生的沿管壁传播的应力波来判断泄漏和定位,但由于其埋地管道应力波衰减较快、测试距离较近,限制了该方法的应用;采用超声波、漏磁技术的管内探测器法可以采集管壁信息,对管壁情况进行分析和判断,但该

方法不能对管道进行实时监测[123]。

笔者提出了一种基于Mach2Zehnder光纤干涉仪原理的分布式光纤管道泄漏检测技术,利用光纤作为传感器提取管道沿途的泄漏振动信号,通过对检测信号的处理和分析,可以有效地检测出管道发生泄漏的情况。

1　测试原理

在管道附近沿管道并排铺设一条光缆,也可以利用与管道同沟敷设的通讯光缆。

基于Mach2Zehnder光纤干涉仪原理,利用光缆中的3条单膜光纤构成分布式微振动测试传感器测试管道沿途的泄漏噪声;利用光缆中的2条光纤构成传感器的2个测试光臂,而

122　石　　油　　学　　报2006年　第27卷　

第3条光纤用于信号传输。

半导体激光器（LD发出的连续光波在分布式光纤传感器的一端分为光强度为

1∶1的两束光,分别进入2条光纤,使用同一光源发出

的连续光波在2条测试光纤中同时传播。

光波沿光纤传播到光纤的另一端,在光纤传感器另一端汇合而形成干涉信号。

再由第3条光纤将干涉信号传输到光电检测器（PD,并将光信号转换成电信号,通过放大和滤波电路对信号进行处理,再经过A/D转换并传输到计算机中进行进一步信号处理和分析。

其测试原理如图1所示

。

图1　测试系统原理

Fig.1　Diagramofmeasuringsystem

　　当测试光缆受到泄漏噪声的作用时,光缆中的2条测试光纤都会产生应力应变,因此2条传感光纤中传播的2束相干光波会分别产生相位变化[4]。

其表达式为

Δ<=β・Δl+l・Δβ（1

式中　

Δ<为光波的相位变化;β为光波在光纤中的传播常数;l为受到管道泄漏噪声作用的光纤长度;Δβ为光波的传播常数在受到管道泄漏噪声作用的光纤中产生的变化量。

沿2条测试光纤传播的2束相干光波,其光场为简谐振动,可分别表示为

Ψ1=A1cos[ωt+s1（t+φ1]（2Ψ2=A2cos[ωt+s2（t+φ2]

（3

式中　

Ψ1和Ψ2分别为2束相干光波的场强;A1和A2分别为光场振幅;ω为光波角频率;φ1和φ2分别为

2束光波的初始相位;s1（t和s2（t分别为2束光波的

光相位调制量。

设2束相干光波的强度分别为I1和I2,且

Δs（t=s1（t-

s2（t

Δφ=φ1-φ2

2束相干光波干涉后的光强为

I=I1+I2+2

I1I2cos[Δs（t+Δφ]（4

　　设I0为输入到2条测试光纤中的总光强度;α为

2束相干光波的混合效率。

则有

[5]

I（t=I01+αcos[Δs（t+Δ

φ]（5

　　如果仅考虑交流光强度,式（5可简化为

I（t=I0αcos[Δs（t+Δ

φ]（6

　　通过光电检测器将光强信号转化为电流信号,光

电流的交流量为

i（t=KI0αcos[Δs（t+Δ

φ]（7式中　K为光电转换系数。

在式（7中Δ

φ通常为常数π/2,因此测试信号是2束相干光波相位调制差Δs（t的函数。

由于2条测试光纤在光缆中排列位置不同,产生的应力应变也不相同,因而在2条传感光纤中传播的2束相干光波产生的相位变化也不完全相同。

当测试光缆受到泄漏噪声作用时,Δs（t是一个变量。

因此,通过实时检测干涉光信号的变化,则可以检测出分布式光纤传感器沿途管道泄漏噪声产生的微振动信号,从而实现了管道泄漏的实时监测。

2　定位方法

211　定位公式

管道泄漏定位技术是管道泄漏检测关键技术之

一,分布式光纤管道泄漏检测技术采用在传感光纤中同时传播方向相反的两组光波,因此在传感器的两端均可产生干涉信号。

当管道发生泄漏时,引起管道泄漏点附近的测试光纤产生应力应变,从而造成该处光波相位调制。

产生相位调制的光波沿光纤分别向传感器的两端传播。

用两个光电检测器检测传感器两端干涉信号发生变化的时间差,即可精确地计算出泄漏发生的位置,其定位公式可表示为

X=

12

L

-

vt2

-

t1

-

Lv

（8

式中　X为泄漏点至首端的距离,m;L为检测的管道

长度,m;t1为传感器首端的光电探测器检测到管道泄漏信号的时间,s;t2为传感器末端光电探测器检测到管道泄漏信号的时间,s;v为光波在光纤中的传播速度（v=c/n,m/s,其中c是光在真空中的传播速度（3

×108

m/s,n为光纤的折射率,无因次。

212　时间差的确定

同一光源发出的两组光波通过同一应力应变的光纤所产生的相位调制信号也是相同的,因而在分布式光纤两端检测到的干涉信号具有很强的相关性,所以采用相关运算可以获得非常精确的2个测试信号的时间差。

分布式光纤传感器两端的测试信号可分别表

　第2期周　琰等:

分布式光纤管道泄漏检测和定位技术123

　示为

x1（t=S（t+n1（tx2（t=α・S（t-τ0+n2（t

（9

式中　x1（t和x2（t分别为2个探测器检测到的信号;S（t为管道泄漏信号;n1（t和n2（t为噪声;α为比例系数;τ0为2个测试信号之间的时延。

通常S（t、n1（t和n2（t是互不相关的平稳随机过程,因此x1（t和x2（t的互相关函数为[6]

Rx1x2（τ

=∫∞

-

∞

x1（t・x2

（t+τdt

（10

在式（10所示的互相关函数中,当τ=τ0时,有峰值,因此获得最大值所对应的τ值,即可确定2个测试信号之间的时间差。

在实际检测过程中,2个测试信号经A/D转换后为离散信号,若选定采样周期为Ts,传感器两端的测试信号可分别表示为离散的x1（nTs和x2（nTs,其中n为整数。

取2个测试信号相同时段采样点为N的有限数据段进行相关运算,其互相关函数可表示为

Rx1x2

（mTs=1

N

∑N-1n=0

x

1

（nTs・x2（nTs+mTs

（11

式中　m是整数。

计算出R取得最大值的点m0,即可得到2个测试信号的时间差m0Ts。

3　现场试验

311　管道泄漏检测试验

在实际现场条件下,利用一段长为100m、管径为

159mm的管道进行气体管道的泄漏检测试验。

使用空压机向管道注入压缩空气,使管道内的压力为011~110MPa,分别进行了不同压力情况下不同泄漏孔径（1~5mm的管道泄漏试验。

在管道泄漏测试装置中,利用一条长202m的4芯单模通讯光缆构成分布式光纤传感器,测试光缆与管道平行敷设,间距为500mm。

采用美国NI公司的数据采集卡和虚拟仪器软件LabVIEW对检测信号进行采集和分析。

图2所示为管内压力为016MPa、泄漏点孔径为3mm所检测到的泄漏测试信号。

　　试验结果表明,在管道压力比较低的情况下,该检测技术可以检测到孔径较小的管道泄漏点。

在实际测试过程中,测试信号还包含有很强的背景噪声,因此进一步地进行信号处理可以有效地提高测试信号灵敏度

。

图2　管道泄漏检测信号

Fig.2　Measuringsignalofleakagedetection

312　管道泄漏定位试验

在管道泄漏定位试验中作为传感器的光缆长为4625m,折射率为11468,光波在光纤中的传播速度为

210436×108m/s。

测试系统的采样频率为8×107

Hz。

将管道的一端作为管道泄漏点,该点对应的测试光缆首端的位置为100m。

对其测试信号进行互相关运算的结果如图3所示,相关峰值位置为3528,

根据

图3　两端测试信号互相关曲线

Fig.3　Cross2correlationcurveoftwomeasuringsignals

式（8可以获得泄漏点至首端的距离为119m,绝对误差仅为19m,相对误差为0141%。

　　从试验结果可以看出,分布式光纤管道泄漏测试技术可以获得较高的泄漏定位精度。

由于泄漏定位绝对误差与采样频率有关,因此泄漏定位的绝对误差不随检测距离的增加而增加。

4　结　论

基于Mach2Zehnder光纤干涉仪原理的分布式光纤管道泄漏测试技术反应灵敏,反应速度快,具有较宽的响应带宽,可以检测出压力较低、泄漏孔径较小的管道泄漏点,而且定位精度较高。

现场试验表明,对于输送压力小于016MPa的气体管道,用该测试技术可以检测到孔径为3mm的管道泄漏点。

通过进一步的信号处理,还可以检测出孔径小于3mm的管道泄漏点。

随着管道输送压力的增加,可以检测到孔径更小的泄漏点。

因此,基于Mach2Zehnder光纤干涉仪原理的分布式光纤管道泄漏测试技术适用于管道微小泄漏点的检测。

124

　石　　油　　学　　报2006年　第27卷　

该技术不仅可以对气体、液体输送管道的泄漏进行实时监测,而且还可以对管道周围的非法施工、人为破坏（如打孔盗油以及自然灾害（如地震、洪水、泥石流以及山体滑坡等等可能造成管道泄漏的事件进行预报警。

另外,管道泄漏检测分布式光纤传感技术所采用的分布式光纤微振动传感器具有电绝缘性好、安全可靠以及耐腐蚀性强等特点,在石油、化工等强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀等环境中具有更广泛的应用前景。

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（收稿日期2005Ο06Ο01　改回日期2005Ο09Ο07　编辑　黄小娟

（上接第120页

4　结　论

（1在泵站可选位置确定的情况下,把工艺方案优化问题转化为最短路径问题进行求解,既便于对问题的分析,也易于求得次优工艺方案。

（2针对传统数值算法易陷于局部极小等缺点,引进了杂交差分进化算法求解数学模型,并对算法做了局部改进。

实际算例表明,该方法可行且收敛精度高。

（3编制了相应的成品油管道工艺方案优化设计软件MPPOD,可以为成品油管道的工艺方案优化设计提供辅助的决策和参考。

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（收稿日期2005Ο05Ο26　改回日期2005Ο09Ο12　编辑　黄小娟