牛坤鵬，夏彬蕓，呂大娟，水 彪，廖招龍，項(xiàng) 勇，王 寧

(1.長(zhǎng)飛光纖光纜股份有限公司 光纖光纜制備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430073;2.武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)國(guó)家工程研究中心，湖北 武漢 430070)

長(zhǎng)距離輸水管道在農(nóng)田灌溉、城市供水、污水排放、給排水工程等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，因違規(guī)施工、自然災(zāi)害、腐蝕及人為因素等導(dǎo)致的大量泄漏安全事故，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，亟需研發(fā)長(zhǎng)距離管道泄漏安全的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)及預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)其運(yùn)行安全性和可靠性實(shí)現(xiàn)有效評(píng)估和監(jiān)管[1]。當(dāng)前，管道泄漏檢測(cè)方法大致分為基于軟件和硬件系統(tǒng)兩類(lèi)[2]。基于軟件的系統(tǒng)包括負(fù)壓波(NPW)[3]、支持向量機(jī)(SVM)[4]、基于瞬態(tài)測(cè)試的技術(shù)(TTBTS)[5]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)[6]等，主要依據(jù)管道內(nèi)部參數(shù)變化(如流量、壓力、溫度等)，利用已建立的模型來(lái)判斷泄漏狀況，其成本低、實(shí)施方便，但通常在低流量、微振動(dòng)、小泄漏尺寸條件下受到限制，數(shù)據(jù)源的準(zhǔn)確性和精確性難以保證?；谟布谋O(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括聲發(fā)射(AE)傳感器[7]、相關(guān)檢漏儀[8]和探地雷達(dá)(GPR)[9]等，主要依賴在管道沿線安裝光、電、聲、磁等傳感器，通過(guò)獲取溫度、應(yīng)力、振動(dòng)等相關(guān)信息判斷泄漏狀況，雖能準(zhǔn)確定位但無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定量分析。且相比前者，后者在實(shí)際工程應(yīng)用中仍更具發(fā)展?jié)摿?。近年?lái)，高精度點(diǎn)式傳感器被大量應(yīng)用于測(cè)量或監(jiān)控管道關(guān)鍵點(diǎn)的泄漏，但均是針對(duì)特殊應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行定制和驗(yàn)證，導(dǎo)致添加或更換硬件過(guò)程復(fù)雜、成本昂貴[10]，因此需開(kāi)發(fā)長(zhǎng)距離、高密度、大容量、易組網(wǎng)且可靠的非侵入式傳感器件及在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。

與傳統(tǒng)的光、電、聲、磁等傳感器相比，分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)因其靈敏度高、抗電磁干擾、能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、測(cè)量距離遠(yuǎn)、安全可靠等優(yōu)勢(shì)[11]，在管道泄漏監(jiān)測(cè)應(yīng)用中具有巨大潛力，引起了管道行業(yè)的廣泛關(guān)注。例如，基于相位敏感光時(shí)域反射(Φ-OTDR)的分布式振動(dòng)傳感器[12]和基于光纖布拉格光柵(FBG)傳感器[13]已被應(yīng)用于管道泄漏的監(jiān)測(cè)，但存在系統(tǒng)信噪比較低、光路復(fù)雜等缺陷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離管道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

為解決上述問(wèn)題，采用超弱光柵陣列(UWFBG)的干涉型振動(dòng)傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸水管道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用管道泄漏引起振動(dòng)信號(hào)的相位變化來(lái)判斷管道泄漏情況。通過(guò)搭建輸水管道實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究管內(nèi)壓力、流量等因素對(duì)監(jiān)測(cè)管道泄漏信號(hào)的影響，驗(yàn)證該分布式光纖傳感系統(tǒng)對(duì)管道泄漏準(zhǔn)確定位和泄漏狀態(tài)量化分析的可行性。

1 管道泄漏監(jiān)測(cè)原理與系統(tǒng)

1.1 管道泄漏監(jiān)測(cè)原理

傳感陣列由低反射率約為-50dB的UWFBG組成，可降低反射損耗，大大提高復(fù)用能力[14]。干涉型光纖傳感器是基于相位調(diào)制原理工作的，即當(dāng)相鄰兩個(gè)UWFBG之間的光纖受到外界環(huán)境變化的干擾時(shí)，光纖的直徑、長(zhǎng)度、折射率會(huì)在應(yīng)變、泊松、光彈3種效應(yīng)的作用下發(fā)生改變，并進(jìn)一步引起光纖中探測(cè)光相位發(fā)生相應(yīng)改變[15]。探測(cè)光在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖中傳輸時(shí)，相位φ與長(zhǎng)度關(guān)系如式(1)所示。

φ=βL

(1)

式中：β為光纖的傳播常數(shù)。

當(dāng)環(huán)境變化引起探測(cè)光的相位改變時(shí)，相位變化量如式(2)所示。

(2)

式中：n為纖芯折射率；α為纖芯半徑。

由此可知，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，在泄漏點(diǎn)處形成壓力差，引起泄漏處管道的劇烈振動(dòng)，進(jìn)而引起應(yīng)力變化，探測(cè)光的相位變化量與應(yīng)力變化量成正比，所以可通過(guò)監(jiān)測(cè)光信號(hào)的相位變化來(lái)判斷管道是否泄漏。

EVANS等[16]證明了管道振動(dòng)時(shí)相位幅度標(biāo)準(zhǔn)差與管道內(nèi)流體平均流量具有一定關(guān)系，如式(3)所示。

(3)

綜合式(1)～式(3)可知，發(fā)生泄漏時(shí)管道振動(dòng)引起探測(cè)光信號(hào)的相位變化量與管道內(nèi)流量的變化量成正比，且為二次函數(shù)關(guān)系。

1.2 管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于UWFBG陣列的分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。激光源為窄線寬激光器，中心波長(zhǎng)為1 550.12nm，線寬為3 kHz，光源輸出的連續(xù)波光經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體放大器調(diào)制，得到重復(fù)頻率為10 kHz、脈沖寬度為20 ns的光脈沖序列。然后，脈沖光經(jīng)摻鉺光纖放大器放大，通過(guò)環(huán)形器1引導(dǎo)至UWFBG陣列。UWFBG陣列反射回的脈沖光通過(guò)環(huán)形器1和環(huán)形器2至3×3耦合器相位解調(diào)單元，通過(guò)設(shè)置保證兩路延時(shí)光纖的光程差與相鄰UWFBG的間距相同，來(lái)彌補(bǔ)相鄰UWFBG之間的光程差；采用45°旋轉(zhuǎn)角度的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，來(lái)消除干涉儀中的偏振效應(yīng)[17]。最后，經(jīng)3×3耦合器輸出的3路信號(hào)被導(dǎo)向3個(gè)光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，進(jìn)而通過(guò)解調(diào)出光的相位變化來(lái)還原出振動(dòng)信號(hào)。同時(shí)，基于光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)可定位泄漏事件發(fā)生的位置[18]。經(jīng)過(guò)3個(gè)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)由數(shù)據(jù)采集器收集，最后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理終端進(jìn)行處理和分析。

圖1 基于UWFBG陣列的分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)驗(yàn)方法

為驗(yàn)證上述管道泄漏安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建實(shí)驗(yàn)裝置，采集管道泄漏引起的振動(dòng)信號(hào)，測(cè)試傳感系統(tǒng)在管道泄漏信號(hào)安全監(jiān)測(cè)的可行性和準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建和光纖在管道上的鋪設(shè)方式如圖2所示。選取清水潛水泵(1.8 kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)，2 900 r/min時(shí)標(biāo)稱流量3 m3/h)用于保持整個(gè)管道充滿水并調(diào)節(jié)流量，旨在模擬長(zhǎng)距離輸水管道。渦輪流量計(jì)用于測(cè)量水流量，壓力表用于測(cè)量管內(nèi)水流壓力。流動(dòng)試驗(yàn)段為全長(zhǎng)37 m、公稱直徑30 mm、管壁厚度2.8 mm的圓形截面PP-R管。光纖光柵等間隔螺旋纏繞并緊緊貼附在管道外壁上，保持整段的光纖處于緊繃狀態(tài)且受力均勻，使其對(duì)管道泄漏產(chǎn)生的振動(dòng)更加敏感。UWFBG陣列傳感區(qū)域全長(zhǎng)35 m，光柵間距5 m，共8個(gè)光柵、7個(gè)測(cè)區(qū)，泄漏點(diǎn)位于UWFBG#4和UWFBG#5組成的第四測(cè)區(qū)，即15～20 m管段處，空間分辨率為5 m，反射率約為-50 dB。泄漏點(diǎn)設(shè)置為一個(gè)公稱通徑為5 mm的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，通過(guò)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)閥來(lái)模擬管道泄漏。整個(gè)管道和水泵都安裝在固定支架上，旨在減弱、減少管道的振動(dòng)和減小管道自重對(duì)其應(yīng)變的影響。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備布設(shè)圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)節(jié)閥門(mén)以改變流量、壓強(qiáng)的大小，傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊以10 kHz采集頻率采集20 s內(nèi)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，其中泄漏時(shí)間控制在7～13 s時(shí)間段，管道泄漏引起的振動(dòng)信號(hào)傳至泄漏點(diǎn)周?chē)墓饫|，將傳感器接收到的實(shí)時(shí)振動(dòng)響應(yīng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器中，通過(guò)使用解調(diào)軟件在計(jì)算機(jī)中獲取并在Matlab平臺(tái)進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)所設(shè)置的7個(gè)壓強(qiáng)下對(duì)應(yīng)的流量測(cè)得值如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)記錄表

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 管道泄漏特征信號(hào)的識(shí)別與分析

選取0.2 MPa水流壓強(qiáng)下采集到的泄漏信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到信號(hào)解調(diào)結(jié)果，如圖3所示。泄漏點(diǎn)的實(shí)際距離為18 m處，持續(xù)監(jiān)測(cè)的泄漏時(shí)間約為6 s，從弱光柵入射端測(cè)量，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3(a)所示。從圖3(a)可看出，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，第4測(cè)區(qū)內(nèi)有明顯的相位強(qiáng)度變化，這與實(shí)際模擬泄漏的位置相吻合。因此，當(dāng)泄漏信號(hào)發(fā)生時(shí)，該傳感系統(tǒng)能及時(shí)顯示泄漏信號(hào)并給出具體的位置信息。圖3(b)是將振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行低頻濾波處理后得到的時(shí)域圖，可以看出0～6 s和14～20 s兩個(gè)非泄漏時(shí)間段振動(dòng)信號(hào)的相位處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，在第7 s發(fā)生泄漏的瞬間，振動(dòng)信號(hào)的相位有了明顯的變化，并一直持續(xù)到泄漏事件結(jié)束，表明該傳感系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到泄漏事件的發(fā)生。圖3(c)中管道泄漏時(shí)的諧振頻率是通過(guò)快速傅里葉變換(FFT)頻譜分析計(jì)算得到的，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)?測(cè)區(qū)發(fā)生管道泄漏信號(hào)時(shí)，采集的振動(dòng)信號(hào)在頻域上的能量會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，且主要集中在482 Hz以內(nèi)。由此可知，傳感系統(tǒng)在0～482 Hz擁有很好的頻率響應(yīng)特性，因此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)長(zhǎng)距離管道泄漏信號(hào)的安全監(jiān)測(cè)。圖3(d)是解調(diào)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道泄漏狀態(tài)、定位泄漏點(diǎn)的系統(tǒng)界面，可以看出整個(gè)傳感陣列被分為7個(gè)區(qū)域，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，第4個(gè)區(qū)域出現(xiàn)能量變化和波動(dòng)，與其他6個(gè)區(qū)域有明顯的差別，因此該傳感系統(tǒng)可以直觀地監(jiān)測(cè)整段傳感區(qū)域范圍內(nèi)的管道運(yùn)行狀態(tài)，并能及時(shí)定位發(fā)生異常情況的區(qū)域。綜合上述分析可知，此傳感系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)管道的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)生泄漏等異常情況時(shí)反應(yīng)迅速，能及時(shí)將信號(hào)變化反映在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面，并對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的異常情況進(jìn)行定位，便于監(jiān)管人員迅速到達(dá)異常點(diǎn)進(jìn)行核實(shí)檢查，初步證實(shí)了其應(yīng)用于管道泄漏安全監(jiān)測(cè)方面中的可行性。

圖3 0.2 MPa壓強(qiáng)下泄漏信號(hào)解調(diào)圖

3.2 管道泄漏狀態(tài)的量化分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，需對(duì)泄漏狀態(tài)下的流量、相位、頻率之間的關(guān)系進(jìn)行研究，其分析處理結(jié)果如圖4所示。圖4中，三角形數(shù)據(jù)點(diǎn)表示不同流量下的相位幅值，實(shí)線表示擬合數(shù)據(jù)得到的二階多項(xiàng)式曲線，擬合公式如式(4)所示。

圖4 流量與泄漏信號(hào)的相位、頻率關(guān)系圖

y=-4.496 7x2+36.825 2x-16.451 6

(4)

由式(4)可知，該函數(shù)證實(shí)了管道泄漏發(fā)生時(shí)，管道流量變化值與振動(dòng)信號(hào)的相位變化值滿足二次關(guān)系，其擬合的R2值為0.993 7，與上述分析式(1)～式(3)得出的結(jié)論一致，也進(jìn)一步說(shuō)明該傳感系統(tǒng)可高精度監(jiān)測(cè)管道泄漏或是非泄漏狀態(tài)。

圖4中圓形數(shù)據(jù)點(diǎn)代表不同流量下的管道諧振頻率。在0.011 9 m3/h的流量下，諧振頻率峰值出現(xiàn)在99.98 Hz，而在0.026 5 m3/h的流量下，峰值出現(xiàn)在482.00 Hz，且隨著管道中的流量增加，管道的諧振頻率升高，這與管道諧振頻率會(huì)隨著流動(dòng)流體流量的增加而上升的規(guī)律相符。同時(shí)也說(shuō)明該傳感系統(tǒng)對(duì)管道泄漏信號(hào)監(jiān)測(cè)有良好的響應(yīng)特性，能夠準(zhǔn)確識(shí)別管道泄漏情況。

綜上可知，管道泄漏狀態(tài)下流量與振動(dòng)信號(hào)的相位呈二次關(guān)系，當(dāng)輸水管道發(fā)生泄漏時(shí)，該傳感系統(tǒng)可有效感知泄漏引起的振動(dòng)信號(hào)，能實(shí)時(shí)反映其泄漏流量，其準(zhǔn)確率高達(dá)99.366%。

4 結(jié)論

采用UWFBG陣列的干涉型振動(dòng)傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種長(zhǎng)距離、大容量、方便可靠的非侵入式管道泄漏安全在線監(jiān)測(cè)方法。利用探測(cè)光的相位變化作為判斷管道是否泄漏的依據(jù)，測(cè)量不同壓強(qiáng)下管道泄漏時(shí)的流量、相位、頻率這三個(gè)特征參數(shù)，并討論它們與管道泄漏監(jiān)測(cè)之間的關(guān)系以獲取更準(zhǔn)確、可靠的結(jié)果。通過(guò)對(duì)管道泄漏特征的定性與定量分析，得到如下結(jié)果與結(jié)論：①該傳感系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)輸水管道的運(yùn)行狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)管道泄漏安全監(jiān)測(cè)。②該系統(tǒng)可對(duì)輸水管道進(jìn)行直觀的監(jiān)控和泄漏點(diǎn)的定位，能夠及時(shí)預(yù)警和迅速找到泄漏處。③該系統(tǒng)對(duì)管道泄漏事件的識(shí)別精度高達(dá)99.366%，對(duì)管道狀態(tài)做出精確判斷，在長(zhǎng)距離管道泄漏安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用中具有很大潛力。