長(cháng)慶油田分公司

摘 要：基于C-OTDR（Coherent optical time domain reflectometer）分布式光纖傳感理論，以輸油管道同溝敷設的通信光纜作為傳感單元，針對管道周邊施工挖掘及打孔盜油等可能危及管道安全的事件進(jìn)行識別。測試結果顯示，模擬的激勵事件能夠準確觸發(fā)系統報警。實(shí)際運行中能夠監測并識別出管道附近數十米范圍內發(fā)生的異常事件，可實(shí)現對管道損壞事件的事前或事中預警。

輸油管道所處外部環(huán)境復雜，若發(fā)生損壞泄漏，會(huì )造成環(huán)境影響和安全風(fēng)險[1]。因此，有必要對施工損壞及打孔盜油等其它有損管道安全運行的異常事件進(jìn)行監測和預警。目前常用的壓力梯度法、負壓力波法、流量平衡法、超聲波檢測法、光纖傳感等管道安全監測方法[2-4]，均是在事件發(fā)生后才能識別并報警，且定位精準度都有一定局限。近年來(lái)，國內外大量研究的基于光時(shí)域反射的分布式光纖傳感技術(shù)[1,2,5-6]，具有監測距離長(cháng)、定位精度高、靈敏度高、安裝施工方便等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)油氣管道安全監測技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。

采用分布式光纖傳感技術(shù)，搭建了基于相干光時(shí)域反射（Coherent optical time domain reflectometer，C-OTDR）原理的分布式光纖振動(dòng)傳感（DistributedVibration Sensor, DVS）系統，以輸油管道同溝敷設的通信光纜作為傳感單元，建立了西北某輸油管道光纖振動(dòng)監測預警實(shí)驗平臺，并進(jìn)行了輸油管道附近人工挖掘、機械挖掘等外部損壞模擬監測及模式識別測試。

1 技術(shù)原理

1.1 光纖中的散射

激光入射到光纖中，會(huì )產(chǎn)生各種光散射，包括彈性散射和非彈性散射。光纖中的光散射主要包括瑞利散射(Rayleigh Scattering)，拉曼散射(RamanScattering)和布里淵散射(Brillouin Scattering)，圖1為背向散射光頻譜圖。其中瑞利散射光是入射光與物質(zhì)發(fā)生的彈性散射，散射光頻率不發(fā)生變化，拉曼散射光和布里淵散射光是入射光與物質(zhì)發(fā)生非彈性散射，散射光頻率發(fā)生變化。實(shí)驗采用C-OTDR技術(shù)探測光纖中的瑞利散射。

長(cháng)距離分布式光纖C-OTDR系統原理如圖2所示，窄帶激光器發(fā)射連續激光，經(jīng)過(guò)3dB耦合器將連續光分成兩路，一路光作為本振參考光，另一路光經(jīng)過(guò)脈沖調制將連續激光調制為脈沖激光輸入到被測光纖中產(chǎn)生散射光信號，將散射光信號與參考光進(jìn)行外差相干獲得被測光纖上各監測點(diǎn)的擾動(dòng)信號，從而實(shí)現被測光纜沿線(xiàn)的外界入侵監測。圖2中坐標圖分別展示了振動(dòng)源作用前、作用時(shí)及作用后的差分信號波形示意圖。振動(dòng)信號作用時(shí)，作用點(diǎn)光纖前端及尾端的信號不受作用點(diǎn)信號串擾。

2 現場(chǎng)實(shí)驗

2.1 實(shí)驗目的

以實(shí)際輸油管道為現場(chǎng)環(huán)境搭建實(shí)驗平臺，驗證長(cháng)距離分布式光纖振動(dòng)監測預警系統DVS在輸油管道實(shí)施在線(xiàn)監測的可行性。

2.2 實(shí)驗平臺的搭建

以西北某輸油管道作為測試現場(chǎng)，分別在其200余公里長(cháng)的原油管道2#、 9#閥室安裝一臺單通道監測主機，在6#閥室安裝一臺雙通道監測主機，每個(gè)通道方向監測25～30 km。監測主機安裝于閥室儀表間機柜中，與交換機進(jìn)行連接，并將數據上傳到同閥室的監控電腦上進(jìn)行數據處理，連接顯示器進(jìn)行信號展示。系統設置了多個(gè)遠程監測工作站，分別置于區域控制中心和調度控制中心。工作站可通過(guò)專(zhuān)用生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò )對監測主機進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)與控制，并實(shí)時(shí)獲取各閥室的監測數據，以供客戶(hù)端軟件實(shí)施報警響應。

系統軟件分為三層，第一層為儀表層，主要功能為采集信號的原始數據和原始數據處理；第二層為算法層，主要接收第一層軟件傳輸過(guò)來(lái)的數據，對數據進(jìn)行分析處理，提取信號特征，對數據進(jìn)行模式識別驗證，并將模式識別結果傳遞到第三層；第三層接收第二層軟件傳遞過(guò)來(lái)的數據處理結果，結合地理信息將處理結果展示并進(jìn)行報警提示（圖3）。

實(shí)驗用的傳感光纖為隨管道同溝敷設的通信光纜，為單模光纖G652。硬件系統搭建完畢后，需要進(jìn)行軟件系統的搭建和配置，首先對輸油管道進(jìn)行GPS定位，結合監測系統展示平臺，在坐標定位處進(jìn)行地面敲擊以實(shí)現光纖定位，以此確保管道位置與光纖位置的定位匹配。實(shí)驗采用的GPS定位儀擁有米級定位精度，預警系統的光纖定位精度為10 m，因此光纖與管道匹配精度達到米量級。

獲取被監測管道的坐標位置及對應光纖點(diǎn)位后，即可在軟件平臺電子地圖上進(jìn)行展示。

2.3 實(shí)驗內容

實(shí)驗包括在測試線(xiàn)路上選定測試點(diǎn)進(jìn)行人工挖掘和機械挖掘操作，以模擬管道附近的人工挖掘和機械挖掘損壞行為�，F場(chǎng)在3個(gè)監測區段共選擇了7個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行（表1），記錄原始數據和報警響應數據，將報警響應數據作為本次實(shí)驗的最終評價(jià)標準。為測試系統的精確性和靈敏度，在部分測試點(diǎn)進(jìn)行了定位精度、響應范圍、響應時(shí)間及模式識別準確率測試。

3 實(shí)驗結果

為預警系統的報警展示界面，每一條報警信息均包含了報警位置坐標、報警模式、報警時(shí)間以及報警置信度。

圖4（a）為典型的人工挖掘時(shí)域監測信號曲線(xiàn)，圖4（b）為典型的挖掘機在管道附近真實(shí)挖掘行為的時(shí)域監測信號曲線(xiàn)。其中，人工挖掘位置相對于監測主機近，機械挖掘相對于監測主機遠，因此人 工挖掘的整體信號強度比機械挖掘強，且相對于機械挖掘信號更清晰，主要是機械挖掘受發(fā)動(dòng)機震動(dòng)的影響，導致信號整體能量較強，而人工挖掘信號局部較強。

表2為測試點(diǎn)的定位精度測試結果，實(shí)驗結果顯示在測試樁號處進(jìn)行人工挖掘激勵和機械挖掘激勵下均能準確報警，報警樁號與測試樁號的距離偏差具有隨機性，但總體距離偏差不超過(guò)10 m，與本測試系統的定位精度（10 m）比較吻合。

表3為響應范圍及響應時(shí)間測試結果。在各監測區段各選一個(gè)實(shí)驗點(diǎn)，分別選擇垂直于管道走向5、10、 15、 20 m 四個(gè)測試點(diǎn)，機械挖掘作為激勵源。結果顯示各個(gè)測試點(diǎn)均有報警輸出，所不同的是報警響應時(shí)間與測試點(diǎn)的土壤硬度有關(guān)。分析表明本系統能響應垂直于管道20 m范圍的挖掘行為，當管道周邊為干燥硬質(zhì)土壤時(shí)其總體響應時(shí)間在30 s內，若為松軟土壤，則其響應時(shí)間會(huì )相應延長(cháng)。

4 結論

現場(chǎng)實(shí)驗結果表明，分布式光纖振動(dòng)監測預警系統能有效的應用于輸油管道的振動(dòng)監測預警，準確進(jìn)行人工挖掘與機械挖掘等外破行為的模式識別，具有定位精度高、響應時(shí)間快、動(dòng)態(tài)監測范圍大、敏感度高等優(yōu)點(diǎn)，為輸油管道實(shí)時(shí)監測外部施工損壞及打孔盜油等異常事件、實(shí)現管道損壞事前預警預防提供了合理有效的監測方法。

參考文獻：

【1】涂勤昌,韋波,張真毅,等. OTDR型分布式光纖傳感器在油氣管道監測中的應用[J].管道技術(shù)與設備,2015(3):28-31..

【2】趙宏振,戴承奇,祖正寧,等.基于OTDR的油氣管道監測及定位方案應用[J].光通信技術(shù),2015, 39(5).

【3】何弼.分布式光纖傳感技術(shù)在管道監測中的應用研究[J].管道技術(shù)與設備,2017(1):9-12.

【4】周德新,樊智勇.管道泄漏監測與控制技術(shù)的研究[J].計算機測量與控制,2005,13(3),237-238+264.

【5】Lu Y,Zhu T,Chen L,et al .Distributed Vibration SensorBased on Coherent Detection of Phase-OTDR[J]. Journalof Lightwave

Technology, 2010, 28(22):3243-3249.

【6】Fei Peng,Han Wu,et al . Ultra-Long high-sensitivityФ-OTDR for high spatial resolution intrusiondetection of pipelines[J].

OPTICS EXPRESS,2014,11(22):13804-13810.

作者：張玉龍， 1985年生，工程碩士，長(cháng)慶油田分公司第二輸油處數字化與科技信息中心副主任，工程師，從事輸油管道泄漏防控、能耗優(yōu)化、管道信息化管理與智能化研究等工作。