代紅濤，代紅波，李建業(yè)

(1．德州大陸架石油工程技術有限公司，山東德州 253005； 2．中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南昆明650051)

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基于單端BOTDA的油氣管道在線監(jiān)測系統(tǒng)

代紅濤1，代紅波2，李建業(yè)1

(1．德州大陸架石油工程技術有限公司，山東德州 253005； 2．中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南昆明650051)

為了進一步提高油氣管道監(jiān)測效率與可靠性，提出了一種基于單端布里淵光時域分析的油氣管道在線監(jiān)測方法。對油氣管道進行了泄漏點溫度測量模擬實驗研究。實驗結果表明，基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術能夠準確監(jiān)測并識別管道的溫度變化，在25 km的傳感光纖中，溫度測量分辨率達3 ℃，空間定位分辨率達到1 m。

油氣管道； 在線監(jiān)測； 光纖傳感； 布里淵散射

由于管道輸送具有成本低廉、節(jié)省能源、安全性高、供給穩(wěn)定、運量大等優(yōu)點而成為天然氣和石油的主要長距離輸送方式。其對社會和國民經濟發(fā)展起著重要作用，因此油氣管道的安全性問題也顯得越來越重要。目前，應用于油氣管道安全監(jiān)測的技術和方法主要是傳統(tǒng)的電測式傳感器，如流量平衡法、超聲波法、負壓波法、射線檢測法、壓力梯度法、密封加壓法、渦流檢測法和實時模擬法等[1-3]。上述管道監(jiān)測方法的優(yōu)點在于應用廣泛、技術成熟，但也存在著監(jiān)測距離短、實時性較差、精度低、定位誤差大且大多為離線檢測不能及時發(fā)現(xiàn)故障等缺點。分布式光纖傳感器容易實現(xiàn)長距離大范圍的在線測量，非常適合油氣管道的在線監(jiān)測應用[4-5]?；诓祭餃Y散射的分布式光纖傳感技術主要分為布里淵光時域反射計(BOTDR)和布里淵光時域分析儀(BOTDA)。布里淵光時域反射計基于自發(fā)布里淵散射原理，只需要在傳感光纖的一端注入光脈沖，但信號比較微弱，傳感距離有限。布里淵光時域分析儀基于受激布里淵作用原理，其信號相對較強，具有較遠的傳感距離，但需要在傳感光纖的兩端注入脈沖光，且在斷纖的情況下無法測量，限制了該技術在工程上的應用。在此基礎上，提出了一種基于單端布里淵光時域分析的油氣管道實時在線監(jiān)測技術，通過布里淵頻移與溫度之間的函數(shù)關系，可求得沿管道的溫度分布狀況，從而實現(xiàn)對泄露點的監(jiān)測。

1 基于布里淵散射系統(tǒng)傳感機理

1.1 基本原理

光散射是光在介質傳播過程中發(fā)生的普遍現(xiàn)象，是光與物質相互作用的一種表現(xiàn)形式。當光通過介質時，大部分光將透射過去，但有一部分光偏離原來的傳播方向散射開來，這種現(xiàn)象稱為光的散射，如瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射等[6]。其中瑞利散射是線性散射效應，拉曼散射與布里淵散射是非線性散射效應，布里淵散射的頻移比拉曼散射小，但其強度要比拉曼散射強10 dB左右。在常溫狀態(tài)下光纖中的原子、分子或離子因自發(fā)熱運動作連續(xù)彈性力學振動，形成了光纖中的自發(fā)聲波場。沿光纖方向的聲振動使得光纖的密度隨時間和空間周期性變化，從而使得光纖上的折射率被周期調制。這種自發(fā)聲波被看作是沿光纖運動著的光柵，此折射率光柵通過布拉格光柵衍射入射光。由于多普勒效應，散射光產生了頻率下移νB，即產生了頻率為νS=νP-νB的Stokes散射光，νP為泵浦光的頻率，布里淵頻移νB為[7-8]：

(1)

對于普通單模石英光纖，取聲速νA=5.96 km/s，折射率n=1.45，波長λP=1 550 nm，則布里淵頻移為νB≈11 GHz。當光纖受到溫度變化時，光纖的折射率和聲波速率發(fā)生變化，布里淵頻移νB與溫度T之間的關系如下[9]：

(2)

式中，Tr是參考溫度，溫度系數(shù)CT=1.1 MHz/℃，νB(Tr)為參考溫度對應的布里淵頻移。

1.2 單端BOTDA系統(tǒng)設計

圖1(a)為傳統(tǒng)布里淵光時域分析基本原理圖，圖1(b)為單端布里淵光時域分析基本原理圖。在圖1(a)中需要兩個激光器，一個作為泵浦脈沖光源，另一個作為連續(xù)探測光源。兩束光在單模光纖中相向傳輸，當連續(xù)探測光的頻率落在泵浦脈沖光的布里淵增益譜內時，產生受激布里淵放大作用，連續(xù)探測光被放大后，經耦合器進入光電探測器進行光電檢測，將轉換后的電信號放大濾波處理后，再由計算機處理得到溫度分布情況。在圖1(b)中泵浦脈沖光與連續(xù)探測光連接在光耦合器的一端，通過耦合器進入同一根光纖，再經耦合器后注入單模傳感光纖，在光纖的另一端連接光反射過濾裝置，其作用是反射回連續(xù)探測光并且過濾掉泵浦脈沖光。反射回的連續(xù)探測光與相向傳輸?shù)谋闷置}沖光相互作用，連續(xù)探測光被放大，最后由光電探測器PD進行信號的檢測并進行計算機信號處理。單端布里淵光時域分析的基本思想是利用反射回來的連續(xù)探測光替代傳統(tǒng)布里淵光時域分析中由激光器發(fā)射的連續(xù)探測光，從而實現(xiàn)單端測量的目的。

圖1 傳統(tǒng)布里淵光時域分析原理圖與單端布里淵光時域分析原理圖

Fig.1 The Schematic diagram of conventional BOTDA and single-ended BOTDA

單端布里淵光時域分析系統(tǒng)結構如圖2所示。系統(tǒng)采用工作波長在1.55 μm的窄線寬(<1 MHz)激光器LD作為光源，經保偏耦合器C1分成50∶50的兩路連續(xù)光。一路光作為脈沖光，光脈沖的寬度由調制脈沖的寬度決定，脈沖調制器由電光調制器和聲光調制器(AOM)構成，聲光調制器可以提高脈沖光的消光比，摻鉺光纖放大器將泵浦脈沖光放大。由于EDFA會產生自發(fā)輻射噪聲影響系統(tǒng)測量，光柵FBG2被用來濾除自發(fā)輻射光噪聲。另一路光信號由電光調制器和微波驅動模塊調制成為連續(xù)探測光，其與泵浦光的頻率差約為11 GHz。FBG1用來濾除微波調制后產生的邊帶信號，經濾波后的連續(xù)探測光和泵浦脈沖光經耦合器C2后合成一束光后，經環(huán)形器注入傳感光纖的一端，在傳感光纖的另一端連接一個由FBG3和FBG4構成的窄帶光柵濾波器，濾除泵浦脈沖光并反射回探測光。反射回的探測光和前向傳輸?shù)谋闷止猱a生受激布里淵散射作用，探測光經環(huán)形器后被光電探測器接收，光電信號經放大濾波后，再經數(shù)字累加平均提高信噪比。最終將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，計算出布里淵頻移的大小和沿光纖分布的溫度信息。傳感光纖尾端連接的是兩個反射譜相同的光柵，利用兩個光柵對泵浦脈沖光進行兩次衰減。若每個光柵對泵浦光的衰減為PdB，則經過2個光柵后可以衰減2PdB，從而更好的濾除泵浦光，提高測量的精度。

圖2 單端布里淵光時域分析系統(tǒng)結構框圖

Fig.2 The structure of single-ended BOTDA

2 結果與分析

實驗中，分布式布里淵光纖傳感技術在油氣管道監(jiān)測技術上的應用首先要考慮的是如何將光纖與油氣管道合為一體，只有選取合適的鋪設方式才能提供有效的監(jiān)測信息。實驗用到的光纖為直徑是0.9 mm的單模緊套光纖，因為緊套光纖具有抵抗應力大、不易斷點等優(yōu)點，有利于施工。再者油氣管道常年埋于地下或是浸泡于海水中，緊套光纖的壽命也比較長，適合管道監(jiān)測。當油氣管道發(fā)生泄漏時，會導致泄漏點溫度的升高，通過監(jiān)測管道周圍的溫度場的變化就可以得知是否存在油氣泄漏點。在實驗中，光纖的布設采用環(huán)繞方式，進行溫度模擬實驗。將25 km傳感光纖的尾端部分光纖按圖3所示的方式環(huán)繞在油氣管道上。在進行溫度實驗時，油氣管道埋設在沙堆中，將熱水澆灌在沙堆上，同時使用溫度計測量溫度作為對照。

圖3 環(huán)繞式光纖布設方式

Fig.3 The optical fiber ring layout

圖4為25 km傳感光纖單端布里淵光時域分析的散射光信號掃描圖。系統(tǒng)使用微波掃描方式來獲取布里淵頻移，微波的掃頻范圍為10.76～10.88 GHz。傳感光纖在25 km處的脈沖為光纖末端的反射受到布里淵作用而被放大的結果，散射光的強度沿光纖長度衰減，25 km后的信號為系統(tǒng)噪聲。在傳感光纖的每一處位置的不同頻率點，掃描點曲線呈洛倫茲曲線分布。通過對同一位置的不同頻率點進行擬合，可以得到洛倫茲曲線的峰值，峰值對應的頻率點為布里淵頻移的大小，再通過布里淵頻移與溫度之間的關系求得沿油氣管道分布的溫度信息。

圖4 單端布里淵光時域分析儀掃描信號圖

Fig.4 The scanning signal of single-ended BOTDA

圖5中所示為25 km左右傳感光纖的溫度分布曲線。由圖4中的掃描信號經過數(shù)據(jù)擬合處理后可以得到傳感光纖各點的布里淵頻移，再根據(jù)上述布里淵頻移與溫度之間的函數(shù)關系獲得溫度分布曲線。在進行溫度實驗時，將傳感光纖的尾端一段澆灌65 ℃左右的熱水，而大部分光纖處于24 ℃左右的室溫中。在計算溫度時，采用溫度傳感器DS18B20測得的24 ℃的室溫作為傳感光纖的布里淵頻移基準，圖中整條曲線的波動不超過3 ℃，放大細節(jié)圖是光纖尾端的傳感光纖的測試溫度，大約在60 ℃。

圖5 單端布里淵光時域分析溫度分布

Fig.5 The temperature experiment result of single-ended BOTDA

從圖5可以看出，單端布里淵光時域分析儀能夠較好的應用于溫度的分布式測量，但溫度測量精度在一些需要高分辨率的場合有待進一步提高。實驗中可以通過增加數(shù)字累加平均的次數(shù)提高測量信噪比，減小溫度曲線的波動，但測量時間相對要延長。

為了測試系統(tǒng)溫度測量的準確程度，對測試光纖進行溫度對照實驗。由于在光纖的尾端泵浦光的功率減小，測量信號的信噪比也相應降低，因此在光纖的尾端測得溫度的精度決定了系統(tǒng)溫度測量的最低精度。利用單端布里淵光時域分析儀測量溫度的同時用溫度計記錄測試溫度變化。溫度測試變化范圍從30 ℃到70 ℃，將兩種方法測量的結果進行對比。實驗結果如圖6所示，橫軸為溫度計測量的溫度，縱軸為單端布里淵光時域分析儀測量的溫度。從圖6中可以看出，單端布里淵光時域分析的溫度基本上呈線性關系變化，與溫度計測得的溫度差在3 ℃以內。

圖6 單端布里淵光時域分析儀與溫度計對照實驗

Fig.6 The temperature contrast between thermoter and single-ended BOTDA

3 結論

分布式光纖傳感技術具有穩(wěn)定性好、抗電磁干擾能力強，容易實現(xiàn)大范圍的測量等優(yōu)點，因此擁有很好的發(fā)展應用前景。本文提出了基于單端布里淵光時域分析的油氣管道在線監(jiān)測系統(tǒng)，并將其應用在油氣管道的實時在線監(jiān)測，在25 km的傳感光纖尾端進行了油氣管道溫度實驗，在1 m的空間分辨率下取得了3 ℃的溫度測量分辨率。

[1] 趙偉.地質雷達技術用于油田管道回填檢測[J].油氣田地面工程，2013，32(8):115.

Zhao Wei. The oil field pipeline backfill detection based on geological radar technology [J]. Oil-Gasfield Surface Engineering, 2013,32(8):115.

[2] 劉欣，劉紅偉.長輸管道檢測技術發(fā)展現(xiàn)狀[J].石油工程建設，2013，39(3):4-6.

Liu Xin, Liu Hongwei. Current development status of long-distance pipeline inspection technology[J]. Petroleum Engineering Construction, 2013,39(3):4-6.

[3] 周靈玲，李昕，周晶，等. 海底管道健康監(jiān)測和安全評價系統(tǒng)軟件開發(fā)[J].石油工程建設，2013，35(6):8-11.

Zhou Lingxin, LI Xin, Zhou Jing, et al. Study on health monitoring and safety assessment system of submarine pipeline[J]. Petroleum Engineering Construction, 2013,35(6):8-11.

[4] 朱建新，王歷軍，張金權，等. 光纖管道安全預警系統(tǒng)在油氣管道安全防范中的應用[J].石油工程建設，2009，35(5):61-63.

Zhu Jianxin, Wang Lijun, Zhang Jinquan, et al. Application of pipeline optical fiber early-warning system in safety protection of oil and gas pipelins[J]. Petroleum Engineering Construction, 2009,35(5):61-63.

[5] 賈振安，王虎，喬學光，等. 基于分布式光纖布里淵散射的油氣管道應力監(jiān)測研究[J].光電子·激光，2012，23(3):534-537.

Jia Zhen’an, Wang Hu, Qiao Xueguang, et al. A study for monitoring strain of oil and gas pipeline based on distributed optical fiber Brillouin scattering[J].Journal of Optoelectronics Laser, 2012, 23(3):534-537.

[6] Bao Xiaoyi, Chen Liang. Recent progress in optical fiber sensors based on brillouin scattering at university of Ottawa[J]. Photonic Sensors, 2011,1(2):102-117.

[7] DeMerchant M, Brown A, Bao Xiaoyi. et al. Structural monitoring by use of a brillouin distributed sensor[J]. Applied Optics, 1999,38(13) :2755-2759.

[8] Minardo A, Bernini R, Zeni L. Brillouin optical frequency-domain single-ended distributed fiber sensor[J]. IEEE Sensors Journal, 2009,9(3):221-222.

[9] Hu Jiacheng, Chen Bai, Li Guoyang, et al. Methods for signal-to-noise ratio improvement on the measurement of temperature using BOTDR sensor[J]. Advanced Sensor Systems and Applications IV, 2010,7853(9):7853091-7853096.

(編輯 王亞新)

The Oil and Gas Pipeline online Monitoring System Based on Single-Ended BOTDA

Dai Hongtao1, Dai Hongbo2, Li Jianye1

(1.Shelfoil Petroleum Equipment & Services Co.,Ltd., Dezhou Shandong 253005,China;2.POWERCHINAKunmingEngineeringCorporation,KunmingYunnan650051,China)

In order to improve the monitoring efficiency and reliability of oil and gas pipeline, the monitoring method of petroleum pipeline temperature based on single-ended Brillouin optical time domain analysis has been proposed. The temperature experiment at oil and gas pipelines leakage location has been taken. The experiment results show that distributed optical fiber sensing technology based on Brillouin scattering can accurately monitor and identify the pipeline temperature change. The temperature measurement resolution can reach 3 ℃ and spatial resolution of 1 meter in 25 km sensing fiber.

Oil and gas pipeline; Online monitoring; Fiber sensing; Brillouin scattering

1006-396X(2015)02-0083-04

2014-08-31

2014-11-03

代紅濤(1983-)，男，工程師，從事石油固完井工具及工藝研究；E-mail：hongtao-456@163.com。

TE88

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.02.017