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        利用光纖技術(shù)實(shí)現(xiàn)油氣管道破損在線預(yù)警

        2019-03-29 10:15:48孫俊
        科學(xué)與技術(shù) 2019年9期
        關(guān)鍵詞:光纖油氣預(yù)警

        孫俊

        摘要:本文通過對(duì)現(xiàn)有的油氣管道預(yù)警檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析,對(duì)新型的光纖預(yù)警技術(shù)工作原理、應(yīng)用環(huán)境、系統(tǒng)組成、現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)等方面進(jìn)行闡述、分析。利用光纖技術(shù)實(shí)現(xiàn)管線破損預(yù)警定位,是基于光纖干涉技術(shù)發(fā)展而成,通過檢測(cè)光纖中產(chǎn)生的散射和反射信號(hào)來進(jìn)行判斷,經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理后,可以得到外界振動(dòng)信號(hào),從而判斷出報(bào)警類型與位置,保護(hù)油氣管道設(shè)施安全。

        關(guān)鍵詞:油氣;管道;光纖;預(yù)警;定位

        1概述

        油氣資源作為一次能源的三大支柱之一,是一種潔凈環(huán)保的優(yōu)質(zhì)能源,熱值高,安全性較高,燒穩(wěn)定,是保障國(guó)家安全的重要資源。我國(guó)的油氣管道具有點(diǎn)多、線長(zhǎng)、地域廣的特點(diǎn),為了有效防止油氣管道危害事件的發(fā)生,管道運(yùn)營(yíng)方面投入了大量的人力、物力,但是限于油氣管道距離長(zhǎng)、沿途路況復(fù)雜、突發(fā)事件多等因素影響,實(shí)際效果并不理想。

        2國(guó)內(nèi)外常見預(yù)警技術(shù)分析

        目前,在國(guó)內(nèi)外較為常用的油氣管道破壞預(yù)警技術(shù)有準(zhǔn)分布式光纖泄漏檢測(cè)、多光纖探頭遙測(cè)、光纖溫度傳感器檢漏等幾種,下面就這幾種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較。

        (1)準(zhǔn)分布式光纖泄漏檢測(cè)法

        NEC公司已研制出能在10Km油氣管道長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行漏油檢測(cè)的傳感器,它對(duì)水不敏感,可在易燃易爆和高壓環(huán)境中使用。傳感器的核心部件由棱鏡、光發(fā)與光收裝置構(gòu)成,當(dāng)棱鏡底面接觸不同種類的液體時(shí),光線在棱鏡中的傳輸損耗不同,根據(jù)光探測(cè)器接收的光強(qiáng)來確定油氣管道是否泄漏。這種傳感器的缺點(diǎn)是不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)破壞事件,且只能檢測(cè)液體,對(duì)天然氣不適用。

        (2)多光纖探頭遙測(cè)法

        美國(guó)拉斯維加斯市的FCI環(huán)保公司開發(fā)的PETROSENSE光纖傳感系統(tǒng),可對(duì)水中和蒸氣態(tài)的碳?xì)浠衔锟偭窟M(jìn)行連續(xù)檢測(cè)。在現(xiàn)場(chǎng)選擇配置1-16個(gè)探頭,探頭核心部分是一小段光纖化學(xué)傳感器,通過光纖包層選擇性地吸附碳?xì)浠衔铮蛊湔凵渎实玫礁淖?,從而使光纖中光的傳播特性發(fā)生變化,由此判斷泄漏位置。這項(xiàng)技術(shù)的缺點(diǎn)是在事件發(fā)生前無法預(yù)判,且施工復(fù)雜,后期維護(hù)費(fèi)用高。

        (3)塑料包覆石英光纖傳感器泄漏檢測(cè)法

        塑料包覆石英光纖傳感器泄漏檢測(cè)法,當(dāng)液體與光纖接觸滲透到包層,引起包層折射率變化,造成光纖傳輸損耗升高。當(dāng)探測(cè)器的接收光強(qiáng)低于設(shè)定水平時(shí),會(huì)觸發(fā)報(bào)警電路。這項(xiàng)技術(shù)需要特殊的光纖傳感器,設(shè)備造價(jià)昂貴,不適合長(zhǎng)輸油氣管道。

        (4)光纖溫度傳感器檢漏法

        該技術(shù)通過分布式光纖溫度傳感器可連續(xù)測(cè)量沿油氣管道的溫度分布情況,檢測(cè)判斷油氣管道沿途的泄漏發(fā)生情況。利用光纖反stkoesRamna背向散射的溫度效應(yīng),光纖所處空間各點(diǎn)溫度場(chǎng)調(diào)制了光纖中傳輸?shù)墓廨d波,經(jīng)解調(diào)將空間溫度場(chǎng)的信息實(shí)時(shí)顯示出來。但由于油氣管道周圍環(huán)境會(huì)形成一個(gè)溫度場(chǎng),泄漏產(chǎn)生的溫度變化不會(huì)很明顯,因此該技術(shù)不能檢出微小的泄漏,另外,該方法檢測(cè)距離較短,不適用于長(zhǎng)輸油氣管道的檢測(cè)。

        3光纖預(yù)警定位技術(shù)原理

        光纖預(yù)警定位技術(shù)屬于OTDR檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展延伸,當(dāng)外界有振動(dòng)作用于傳感光纜時(shí),引起光纜中纖芯發(fā)生形變,導(dǎo)致纖芯長(zhǎng)度和折射率發(fā)生變化,繼而導(dǎo)致光纜中光的相位發(fā)生變化,成為一種攜帶外界振動(dòng)信息的信號(hào)光,這種信號(hào)光反射回系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備后,進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)處理,經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理后可以得到外界振動(dòng)信號(hào),通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)的波形進(jìn)行分析判斷出報(bào)警類型與位置。

        3.1光纖預(yù)警工作原理

        當(dāng)有振動(dòng)信號(hào)作用于信號(hào)光纖時(shí),會(huì)產(chǎn)生明顯的干涉條紋,由干涉原理可知同頻率同振動(dòng)方向的兩束光在任意點(diǎn)發(fā)生干涉時(shí),該點(diǎn)的干涉光強(qiáng)為式3.1所示。

        (3.1)

        其中I1、I2分別為發(fā)生干涉的兩束光的光強(qiáng),△φ為兩束光之間的相位差。通過后期的數(shù)據(jù)處理,我們就可以很清楚地得到外界應(yīng)力的大小。通過對(duì)光纖輸出干涉光功率檢測(cè)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,就可以獲得沿光纖路徑上壓力變化和振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征,判定是否有油氣管道泄漏、機(jī)械施工或人為破壞等事件的發(fā)生,實(shí)現(xiàn)故障類型判定。

        3.2光纖定位工作原理

        由以上原理可知,當(dāng)有振動(dòng)作用于信號(hào)光纖時(shí),會(huì)產(chǎn)生明顯的干涉條紋,那么如何確定預(yù)警事件的位置呢?設(shè)定光纖總長(zhǎng)度為L(zhǎng),光線在光纖中的速度為C,在光纖中的折射率為n,光纖在最末端形成的干涉信號(hào)返回時(shí)間t,由此可以列出公式3.2。

        (3.2)

        由于處在同一條光纖內(nèi),因此C與n為固定值,因此可以判斷,受外力干擾的信號(hào)位置為L(zhǎng)1時(shí),時(shí)間為t1,綜合可得如下公式3.3

        (3.3)

        由于L與t均可在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)出,因此,只需要測(cè)量t1就可以確定預(yù)警事件發(fā)生的位置。

        4系統(tǒng)組成與運(yùn)行

        4.1光纖預(yù)警定位系統(tǒng)設(shè)備組成

        預(yù)警定位系統(tǒng)可以由傳感光纜、引導(dǎo)光纜、主控儀、操作臺(tái)這幾部分組成。其中,客戶端操作臺(tái)、主控儀位于站場(chǎng)機(jī)房?jī)?nèi),引導(dǎo)光纜、傳感光纜安裝于室外,通過系統(tǒng)主機(jī)即可進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

        4.2油氣管道環(huán)境信息采集

        采集油氣管道環(huán)境信息,屬于設(shè)備自檢期,設(shè)備運(yùn)行檢測(cè)油氣管道周邊環(huán)境信息值,由于背景噪聲不同,顯示出各種報(bào)警信息,此時(shí)的報(bào)警信息屬于適應(yīng)油氣管道周邊各穿越區(qū)域的背景噪聲期,不具備實(shí)際的報(bào)警價(jià)值。系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試期,進(jìn)行頻譜和報(bào)警值綜合分析,對(duì)試驗(yàn)油氣管道沿線特征、不同地理位置的報(bào)警閾值特征,自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警閾值相應(yīng)設(shè)定。系統(tǒng)正式運(yùn)行期,在此期間,系統(tǒng)報(bào)警數(shù)據(jù)逐步降低的趨勢(shì),系統(tǒng)運(yùn)行趨于穩(wěn)定,報(bào)警信息準(zhǔn)確。

        5 結(jié)論

        光纖預(yù)警定位技術(shù)利用油氣管道同溝鋪設(shè)光纖作為傳感器,拾取油氣管道沿途的振動(dòng)信號(hào),通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集、處理和分析,對(duì)油氣管道周圍發(fā)生破損實(shí)現(xiàn)了有效監(jiān)測(cè)。該技術(shù)利用現(xiàn)有的資源,效果好、智能化高、安裝與維護(hù)簡(jiǎn)單,能夠確保油氣管道在遭受破壞前預(yù)警與定位,可以及時(shí)制止油氣泄漏等危險(xiǎn)事件發(fā)生,最大限度降低人員傷亡、環(huán)境污染、國(guó)家或企業(yè)財(cái)產(chǎn)損失,保證油氣管道安全穩(wěn)定運(yùn)行。

        參考文獻(xiàn)

        [1]杭利軍,何存富,吳斌等,基于Sagnac光纖干涉儀的管道泄漏檢測(cè)和定位技術(shù).關(guān)學(xué)技術(shù),2007(9):651-653

        [2]郭兆坤,鄭曉亮,陸兆輝,等. 分布式光纖溫度傳感技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2008(5):543-546.

        [3] 周新. 天然氣管道在線預(yù)警與定位技術(shù)應(yīng)用研究. 價(jià)值工程. 2014(05):68-69

        (作者單位:中石油遼河油田錦州采油廠)

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