于清澄(中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124008)

分布式光纖管道預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用

于清澄(中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124008)

基于光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)的分布式光纖管道預(yù)警系統(tǒng)，利用與管道同溝敷設(shè)的光纜中的一芯，可以有效檢測(cè)管道沿線的振動(dòng)情況，采用模式識(shí)別的方式鑒別振動(dòng)事件的類型，可以有效檢測(cè)管道沿線所發(fā)生的泄漏和異常情況，對(duì)危害管道安全的事件進(jìn)行預(yù)警和定位。

OTDR；管道預(yù)警；模式識(shí)別；振動(dòng)類型

0 引言

本文介紹基于光時(shí)域反射(OTDR)原理的分布式光纖管道預(yù)警技術(shù)，可以檢測(cè)管道沿線的振動(dòng)信號(hào)，不僅可以檢測(cè)出管道發(fā)生泄漏情況，還可以對(duì)管道沿線發(fā)生的危害事件進(jìn)行預(yù)警。

1 光纖預(yù)警系統(tǒng)原理

1.1 OTDR檢測(cè)原理

基于OTDR原理的分布式光纖管道預(yù)警系統(tǒng)，利用管道伴行光纜中的一芯作為分布式振動(dòng)傳感器，利用高功率的激光發(fā)射器向所連接的光纜發(fā)射激光脈沖，光脈沖在光纖中向前傳輸，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生后向的瑞麗散射和菲涅耳反射。反射光反射到入射端經(jīng)過定向光耦合分路器、濾波器射向光電探測(cè)器，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理和分析，可以得到沿線光纖每個(gè)位置的損耗特性。

光纖的彎曲和抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致膜間能量耦合發(fā)生變化，反射回入射端光的相位和強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)管道發(fā)生泄漏或管道附近有機(jī)械施工、人為破壞等時(shí)間時(shí)，都會(huì)對(duì)光纖施加作用力，該位置光纖的損耗特性就會(huì)變化。

1.2 定位原理

利用光時(shí)域反射技術(shù)進(jìn)行定位，根據(jù)發(fā)射光脈沖到背向散射光被反射回來所用的事件，以及光在光纖中傳輸?shù)乃俣?，可得?jì)算距離的公式：

式中：L為光纖長(zhǎng)度；c為光在真空中的速度；n為光纖線芯中

的折射率；t為信號(hào)從發(fā)射到返回的事件。

根據(jù)以上公式，在t時(shí)刻測(cè)量得到的是離光纖入射端距離L處的損耗，可以確定光纖故障點(diǎn)、斷點(diǎn)或損耗變化點(diǎn)的位置。

2 光纖預(yù)警系統(tǒng)組成

基于OTDR運(yùn)用拉曼散射和瑞利散射原理的光纖管道預(yù)警系統(tǒng)主要有以下設(shè)備構(gòu)成：

(1)探測(cè)光纜：敷設(shè)在石油管線沿線，既作為探測(cè)光纜，同時(shí)也作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路。

(2)探測(cè)單元(IU)：即分布式光纖智能偵測(cè)主機(jī)，用于激光脈沖發(fā)射和采集、實(shí)時(shí)感應(yīng)周圍壓力、振動(dòng)等情況，將收集到的信息傳輸給處理服務(wù)器進(jìn)行分析。

(3)處理服務(wù)器(PS)：分析和處理來自探測(cè)單元的數(shù)據(jù)信號(hào)，完成基本的信號(hào)處理工作。

(4)控制單元(CU)：用于參數(shù)配置的軟件控制，相當(dāng)于工程師級(jí)用戶界面。

(5)綜合監(jiān)控平臺(tái)：由MaxView服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器(選配)構(gòu)成。管理用戶權(quán)限，保存日志信息，呈現(xiàn)報(bào)警信息作為直接操作界面為用戶提供服務(wù)。

光纖預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用中需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)光纜敷設(shè)深度要求

光纜施工對(duì)系統(tǒng)有效性的主要影響因素有三個(gè)，分別是埋設(shè)深度、土壤環(huán)境、測(cè)量距離。

預(yù)警系統(tǒng)探測(cè)效果還會(huì)受到周圍環(huán)境的影響，例如雨水、積雪、土壤疏松都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)應(yīng)用中探測(cè)性能的降低。

(2)沿線土質(zhì)情況標(biāo)定

光纖預(yù)警系統(tǒng)對(duì)第三方機(jī)械挖掘的有效探測(cè)范圍與周圍的環(huán)境也息息相關(guān)，例如土壤的疏松程度、雨水、積雪都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)探測(cè)性能的降低。

光纖預(yù)警系統(tǒng)投用前，需對(duì)管線沿線土質(zhì)情況進(jìn)行了解，作為振動(dòng)識(shí)別的基礎(chǔ)參數(shù)。一般采用探測(cè)球沿管道逐段進(jìn)行探測(cè)，光纖預(yù)警系統(tǒng)的控制單元記錄探測(cè)球產(chǎn)生的振動(dòng)波形，對(duì)土質(zhì)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

(3)建立各種振動(dòng)事件的識(shí)別模式

管道光纖預(yù)警系統(tǒng)采用模式識(shí)別的方法判斷管道入侵事件的類型，如車輛行駛、人員步行、人工挖掘、機(jī)械挖掘、管道鉆孔、火車經(jīng)過等。根據(jù)各種入侵事件產(chǎn)生振動(dòng)的頻率、振幅特性，建立不同的振動(dòng)模式。采用模式識(shí)別的方式，即能屏蔽無危害的振動(dòng)事件，降低誤報(bào)率，又能及時(shí)識(shí)別入侵類型，提高事件處理反應(yīng)速度。

系統(tǒng)對(duì)常見的、對(duì)管道無危害和正常范圍內(nèi)的振動(dòng)事件(如鐵路穿越點(diǎn)火車經(jīng)過、公路穿越點(diǎn)車輛經(jīng)過等)作為常規(guī)信號(hào)提示不報(bào)警；對(duì)管道有危害的振動(dòng)事件如(人工挖掘、機(jī)械挖掘)進(jìn)行報(bào)警，提醒工作人員現(xiàn)場(chǎng)巡視、做出處理；

對(duì)于異常的、模式類型中未包括的振動(dòng)事件(如管道泄漏、河水沖刷)進(jìn)行報(bào)警，由人工進(jìn)行判斷等。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

在西氣東輸二線蘇浙滬段的芙蓉站-上海站120km的管線上，實(shí)驗(yàn)應(yīng)用了上海波匯科技有限公司基于OTDR技術(shù)的管道光纖預(yù)警系統(tǒng)。該段管道地處江南水網(wǎng)，土質(zhì)為黑色軟淤泥，光纜為同溝敷設(shè)的硅管光纜，沿線有多處廠房、橋梁、公路、樓群等施工工地，管道多次穿越公路、河流、高鐵，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜。

芙蓉站-上海站段管道光纖預(yù)警系統(tǒng)安裝3年來，不斷完善振動(dòng)模式庫(kù)，應(yīng)用效果良好，多次發(fā)現(xiàn)第三方事件入侵，有效的保護(hù)了管道安全運(yùn)行。

經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用中的檢驗(yàn)，管道光纖預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警性能基本可以達(dá)到以下技術(shù)參數(shù)：

監(jiān)測(cè)光纜長(zhǎng)度40km；

靈敏度：0.1μm形變；

響應(yīng)時(shí)間：≤10s；

定位精度±10m；

漏報(bào)率零；

誤報(bào)率≤5%；

預(yù)警范圍：機(jī)械事件±10m；人為事件±3m(受地質(zhì)環(huán)境影響)。

4 結(jié)語

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明，基于OTDR的分布式光纖管道預(yù)警技術(shù)反應(yīng)靈敏、定位精度高，可以檢測(cè)到較小的管道泄漏，尤其可以對(duì)機(jī)械挖掘、自然災(zāi)害等危害管道安全的事件進(jìn)行及時(shí)報(bào)警和定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)危害事件的及時(shí)發(fā)現(xiàn)、準(zhǔn)確定位、有效制止，能夠有效提高對(duì)管道運(yùn)行的安全性。

[1]鄭亞娟，王忠東，衣實(shí)賢.基于OTDR技術(shù)的光纖式輸油管道安全預(yù)警系統(tǒng)[J].化學(xué)自動(dòng)化及儀表,2008.35(2).

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[3]王培國(guó)，楊斌，李澤，盧大興.基于Φ-OTDR技術(shù)的通信光纜險(xiǎn)情定位與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].光學(xué)儀器,2012-3.

于清澄，男，自控工程師，中油遼河工程有限公司，研究生。