何 欣

(中石油管道有限公司西氣東輸分公司南昌管理處，江西 南昌 330000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速穩(wěn)定增長(zhǎng)和“一帶一路”推動(dòng)下，我國(guó)的油氣管道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)里程取得了令世人矚目的成就。目前，我國(guó)油氣管道已經(jīng)突破13萬km，西氣東輸、北油南進(jìn)、西油東進(jìn)、海氣登陸的輸送格局已經(jīng)形成，尤其是2019年中俄東線天然氣管道的投產(chǎn)通氣，均成為推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能源動(dòng)脈。油氣管道運(yùn)營(yíng)里程長(zhǎng)，隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，沿公路的建筑物不斷增多，致使管線經(jīng)常遭受非法占?jí)浩茐?；此外不法分子非法開挖鉆孔盜油事故時(shí)常發(fā)生。譬如西氣東輸管道輸送的天然氣是易燃易爆物品，輸送壓力高(10 MPa)、輸送距離長(zhǎng)(4 000 km)，沿線存在的非法占?jí)骸㈤_挖盜油等事故可能會(huì)導(dǎo)致管線爆裂，造成天然氣泄漏乃至明火燃燒爆炸。因此，有必要采取有效的監(jiān)測(cè)手段對(duì)長(zhǎng)輸埋地管道的非法占?jí)?、開挖盜油等危害事件進(jìn)行快速監(jiān)測(cè)及定位，及時(shí)對(duì)管道安全進(jìn)行預(yù)警，確保管道服役期運(yùn)營(yíng)安全。

目前長(zhǎng)輸埋地管道監(jiān)測(cè)參量主要包括管道變形、管道腐蝕以及管道泄漏等?；谏鲜鰠⒘康墓艿腊踩O(jiān)測(cè)方法主要有人工巡檢、無人機(jī)遙測(cè)、負(fù)壓波技術(shù)、管道機(jī)器人以及光纖傳感技術(shù)。人工巡檢和無人機(jī)遙測(cè)技術(shù)存在效率低等問題且不能對(duì)埋地管道隱蔽段進(jìn)行很好的檢測(cè)[1]。負(fù)壓波方法主要用于管道泄漏監(jiān)測(cè)，通過安裝在管道兩端的動(dòng)態(tài)壓力傳感器監(jiān)測(cè)負(fù)壓波信號(hào)，基于負(fù)壓波波速和傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)的時(shí)間，可以對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行較高精度的定位[2]。管道機(jī)器人主要用于管道內(nèi)壁狀態(tài)檢測(cè)，存在檢測(cè)周期長(zhǎng)等問題[3]。光纖傳感技術(shù)具有抗電磁場(chǎng)干擾、信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)、無源傳感等優(yōu)點(diǎn)，目前有采用分布式光纖布里淵傳感技術(shù)和光纖光柵應(yīng)變傳感技術(shù)開展管道變形監(jiān)測(cè)，取得了一定的工程效果[4-6]。上述已有測(cè)試技術(shù)屬于“事后監(jiān)/檢測(cè)”技術(shù)，即管道已經(jīng)發(fā)生了損傷，不能對(duì)諸如非法占?jí)?，開挖盜油等危害管道安全的事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。

分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)十公里連續(xù)的振動(dòng)場(chǎng)的在線監(jiān)測(cè)，在管道上方占?jí)夯蚋浇_挖等工程會(huì)產(chǎn)生一定的特征信號(hào)。鑒于此，本文采用分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)，基于此特征振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)對(duì)管道占?jí)汉烷_挖事件進(jìn)行安全預(yù)警，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 長(zhǎng)輸埋地管道分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)

分布式光纖振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)利用光的干涉現(xiàn)象。當(dāng)由聲音或物體振動(dòng)產(chǎn)生的壓力施加于傳感光纜時(shí)，由于彈光效應(yīng)導(dǎo)致傳感光纜的長(zhǎng)度和折射率發(fā)生變化，從而引起傳感光纜中傳輸光的相位改變。通過光干涉儀，將光相位的改變轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)度的變化，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)。以普通通訊光纜本身作為傳感設(shè)備，可以檢測(cè)一根長(zhǎng)達(dá)幾千米到幾十千米的光纖的振動(dòng)情況和應(yīng)變，空間采樣間隔僅1 m，檢測(cè)周期可達(dá)秒級(jí)。基于相位敏感光時(shí)域反射(Φ-OTDR)的干涉機(jī)理，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由光調(diào)制解調(diào)儀、光探測(cè)模塊、信號(hào)采集器、協(xié)處理器、監(jiān)測(cè)分析報(bào)警系統(tǒng)和傳感光纜等組成。

圖2為基于分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)的管道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)的主要功能是采用同溝鋪設(shè)的光纖對(duì)長(zhǎng)輸埋地管道沿線的振源進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，通過大量樣本學(xué)習(xí)，識(shí)別對(duì)管道具有危害的振源，如非法盜油、重載汽車穿越、占?jí)旱?，以達(dá)到及時(shí)預(yù)警的目的。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析

圖3為某長(zhǎng)輸管道振動(dòng)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，壓路機(jī)在某油氣管道上方行駛對(duì)土體產(chǎn)生一定的振動(dòng)，傳感器為該油氣管道通訊光纜中的冗余光纖。圖4為壓路機(jī)和模擬鉆孔工況得到的光纖振動(dòng)信號(hào)。從圖4可以看到，鉆孔產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度(288)和影響區(qū)域(4 m)均小于壓路機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度(585)和影響區(qū)域(85 m)，與實(shí)際情況相符。

3 結(jié)語

基于分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)構(gòu)建了長(zhǎng)輸埋地管道非法占?jí)?、鉆孔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在某油氣管道中進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明該方法依據(jù)同溝鋪設(shè)的通訊光纜可以有效監(jiān)測(cè)管道上方及附近位置的振動(dòng)信息，并可實(shí)現(xiàn)較高精度的振源區(qū)域定位。