油氣管道光纖監(jiān)控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

亞天光電——油氣管道狀態(tài)監(jiān)測是其安全運行的重要保障，目前國際上發(fā)展了包括非光纖型和基于光纖的多種監(jiān)測技術(shù)，分為視頻監(jiān)控、基于電的聲學傳感、水聽器技術(shù)、浮球、光纖傳感等類型。其中光纖傳感方法以其隱蔽性、經(jīng)濟性和安全性而具有獨特的優(yōu)勢，具有較好的推廣應用前景。

石油和天然氣輸運與國民經(jīng)濟和人民生活息息相關，管道輸送相比道路運輸具有安全、便捷、經(jīng)濟的特點，但管道可能由于外部擾動、腐蝕、管材和施工質(zhì)量等原因發(fā)生失效事故，威脅國家經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)安全。盡管在設計和施工方面，當前我國與國際水平基本相當，在管理方面，我國也開展的大量工作，但與發(fā)達國家相比，油氣管道的安全性仍有一定差距。有數(shù)據(jù)顯示，我國油氣管道事故率平均為 3 次/（1 000 km·年），遠高于美國的 0.5 次/（1 000 km·年）和歐洲的 0.26 次/（1 000 km·年）。據(jù)統(tǒng)計，我國油氣管道事故，多為人為因素所致，近些年來，第三方破壞對我國油氣管道事故的"貢獻率"高達 40%，隨后依次是腐蝕、管材質(zhì)量、施工質(zhì)量和突發(fā)性自然災害。為保障油氣管道輸運安全，需要對管道實施監(jiān)控，當管道發(fā)生泄漏和有外力實施破壞行為時能夠及時告警和預警。以下對當前較新或有代表性的管道監(jiān)測技術(shù)進行評述。

1 光纖監(jiān)控方法

1.1 secure pipe 產(chǎn)品性能及應用案例

澳大利亞 fft（future fiber technology）公司的管道入侵探測產(chǎn)品 secure pipe 是基于 mz 干涉儀技術(shù)，利用敷設在管道上方的光纜作為傳感器，探測和定位入侵，最大傳感距離 40 km。系統(tǒng)需要利用光纜中的三根光纖，其中兩根為傳感光纖，一根為引導光纖；也可利用現(xiàn)有光纜中的空閑光纖。fft 的 cams（中央告警監(jiān)控系統(tǒng)）所管理的探測系統(tǒng)數(shù)量不限，使用圖形界面、電子郵件或短消息提供告警。cams的 gui（圖形用戶界面）屏幕可以基于衛(wèi)星照片、地圖或 cad 圖像。

2003 年，nysearch（美國天然氣研發(fā)與演示組織）在新澤西沿一段 40 km 高壓天然氣管道布設了fft secure pipe 監(jiān)測系統(tǒng)，當不被許可的車輛或活動離管道太近時，其為運營者提供足夠的預警。要求系統(tǒng)在管道附近的道路交叉、鐵路線、居民區(qū)和商業(yè)區(qū)不發(fā)生誤報警。在布設后的兩年多時間里，管道沿線經(jīng)歷了多種類型挖掘設備的多次作業(yè)，系統(tǒng)沒有因這些挖掘設備作業(yè)而產(chǎn)生誤報警。但是，系統(tǒng)的敏感度較高，以至于許多報警源自管道巡視和其他駛過光纜的車輛。根據(jù) nysearch 的技術(shù)總結(jié)報告（表 1），secure pipe 的定位精度優(yōu)于產(chǎn)品說明，在小于 10 m 范圍內(nèi)，產(chǎn)品探測有效性與土壤類型相關，在軟質(zhì)土壤中探測有效率只有 30%～60%。

表 1 secure pipe 對管道沿線不同類型挖掘設備作業(yè)的監(jiān)測結(jié)果

1.2 optasense 產(chǎn)品性能及應用案例

英國 qinetiq 公司的安全監(jiān)控產(chǎn)品 optasense 可以在 50 km 距離內(nèi)，利用現(xiàn)存埋設于管道附近的通信或 scada 標準光纜中的一根空閑光纖作為聲學傳感元件，探測到光纜附近 5 m內(nèi)的人員，10 m內(nèi)的車輛和 20 m內(nèi)的機器，傳感原理基于分布式聲學傳感[8]。通過改變脈沖的寬度，沿光纖的空間分辨率在 5～15m 之間可變。各種土壤類型和埋設狀態(tài)（如光纜在保護套管內(nèi)）均可接受，不要求特別的土地狀態(tài)或回填物質(zhì)。

直觀的圖形用戶界面在 3 個窗口中提供的信息（圖1）包括：第一個窗口顯示航拍照片并精確顯示光纖的路徑，當事件被觸發(fā)時，optasense 可以告知用戶干擾的精確 gps 坐標；第二個窗口給出告警歷史，顯示曾探測到什么時間、什么地點的什么事件；第三個窗口為兩個柱狀圖，一個顯示沿光纖整個長度的行為，一個顯示可選區(qū)域的放大圖；每個柱狀圖顯示在每個 10 m 長度光纖探測到的信號幅度。除自動告警外，系統(tǒng)操作員也可以通過耳機收聽沿光纖任何位置探測到的聲音，例如人走動或風鉆的特征聲音。

圖1 optasense 的用戶界面（包括圖像和聲音）

由于管道泄漏時會產(chǎn)生聲學振動，因此，optasense 也可以探測泄漏。同時，optasense 還可以檢測溫度，因而對泄漏檢測多了一重保障。2017 年 11 月，東歐為了保護 100 km 石油管道不受第三方干擾尤其是打孔盜油的危害，兩套 optasense系統(tǒng)投入使用（在相反方向各監(jiān)控 50 km）。幾周后的一個深夜，系統(tǒng)在一個道路與管道交叉處發(fā)出有挖掘的告警。警-察到達現(xiàn)場前嫌疑犯逃了，到達后發(fā)現(xiàn)盜油設備和挖掘的現(xiàn)場，管道沒有受損（圖 2）。

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（a）盜油現(xiàn)場及位置圖像

（b）盜油的處理過程及結(jié)果

圖2 optasense 現(xiàn)場應用情況

2017 年，optasense 在厄瓜多爾發(fā)現(xiàn)了一起在管道周圍 20 m 內(nèi)施工的事件，避免了發(fā)生事故。2017年初，哈薩克斯坦的系統(tǒng)集成商 avencom 報道，哈薩克斯坦 kastransoil 公司通過大量系統(tǒng)測試，決定以 optasense 替換 fft 的 secure pipe，后者不能保護 aktubinsk 區(qū)域的 kenkiyak╠zhanazhol 管道，這段管道因在該國范圍內(nèi)盜油賊最多而聞名。

1.3 helios 分布式聲學傳感系統(tǒng)

英國 fotech solutions 的 helios 分布式聲學傳感系統(tǒng)是基于光纖內(nèi)脈沖反射光的干涉原理，探測沿光纖的挖掘、鉆孔、破壞、滑坡等事件。其最大傳感距離為 50 km，在 15 km 處的最高空間分辨率為 1 m，在 50 km 處的最高空間分辨率為±5 m。2017 年曾有報道稱，在美國和墨西哥邊境上試用 helios 系統(tǒng)監(jiān)測越境，結(jié)論顯示：通過足夠的訓練，觀察者足可以區(qū)分由一群人、牛、馬、挖掘隧道、汽車或偷偷摸摸的越境者觸發(fā)的事件。

1.4 omnisens 與 smartec sa 的產(chǎn)品性能及應用案例

瑞士 omnisens 公司基于 botda 技術(shù)的 ditest 測試儀最大傳感距離為 50 km。溫度和應變分辨率與測試距離和測試時間的關系：測試距離越長，測試分辨率越低；測試時間越長，測試分辨率越高。測試距離為 50 km、測試時間為 1 min 時，溫度分辨率為 3.2 ℃，應變分辨率為 65 με；測試距離為 50 km、測試時間為 10 min 時，溫度分辨率為 1.1 ℃，應變分辨率為 22 με，測試距離為 10 km、測試時間為 1 min 時，溫度分辨率為 1 ℃，應變分辨率為 20 με，測試距離為 10 km、測試時間為 10 min 時，溫度分辨率為 0.4 ℃，應變分辨率為 8 με。

omnisens 公司的合作公司瑞士 smartec sa 開發(fā)的專用于應變傳感的 smartape 光纜呈扁平型（圖3a），可以粘貼在被測件表面。smartec sa 公司用于應變和溫度同時傳感的 smartprofile 光纜（圖 3b，其中紅色管內(nèi)為溫度傳感光纖），因紅色套管隔離了應變，故使其中的光纖不受應變影響而只感應溫度。

omnisens 公司采用可直接埋地的應變測量光纜（圖 3c），能夠承受一定的沖擊和擠壓。此外，標準通信鎧裝光纜也可用于溫度傳感（圖 3d），其中部分光纖用于溫度傳感，同時其他光纖用于數(shù)據(jù)通信及 ditest測試單元和控制室之間的通信。

（a）smartape 應變傳感光纜

（b）smartprofile 應變和溫度同時傳感光纜

（c）埋地應變測量光纜（smc）

（d）標準通信光纜

圖3 傳感光纜示意圖

smartape 傳感光纜被用于意大利 rimini 地區(qū)埋地天然氣管道，該管道已服役 35 年，長 500 m，smartape 應變傳感光纜敷設在管道的 0°、120°、-120°方位。另有一根溫度傳感光纜敷設在管道頂部的 0°位置，用以補償應變監(jiān)測值。傳感線路分為 5 段，長度從 71 m至 132 m 不等，所有傳感光纜通過延長光纜和接頭盒連接至中央監(jiān)測點，并利用一個 ditest 設備解調(diào)。由于塌方過程緩慢，每個月進行一次人工測試。經(jīng)過兩年測試，得到了管道形變和塌方進程的信息，并利用溫度傳感光纜成功進行了一次氣體泄漏模擬試驗。

秘魯某液化天然氣公司擬修建一條 408 km 高壓輸氣管道系統(tǒng)，輸氣管道路徑在有陡坡、高峰和低谷的地質(zhì)不穩(wěn)定的地區(qū)從東至西經(jīng)過秘魯?shù)陌驳谒股�，海�?4 000～6 000 m。輸氣管道氣候范圍包括溫暖、潮濕、寒冷和強季節(jié)性降水。在安第斯山脈，超過 50%的管道故障由地質(zhì)災害引起，因此實時監(jiān)測對于維護管道的完整性至關重要。在拉美，曾有地表被大雨沖走導致管道暴露沒有支撐并引起重復性管道故障。過去采用的視覺監(jiān)測難以應用于遙遠的山區(qū)，傳統(tǒng)的傾斜儀和測斜儀只能提供傳感器所在局部信息，不適于長距離監(jiān)測。因此，需要一個管道完整性監(jiān)測系統(tǒng)，可以探測泄漏和地表移動，防止大的故障和事故發(fā)生并在崎嶇地形中保持自然環(huán)境。omnisens 為其設計的監(jiān)測系統(tǒng)包括兩根布設在管道上方溝中的光纜。起始 60 km 裝備有 ditest-aim 專用光纖監(jiān)測系統(tǒng)，能夠探測和定位地表移動和泄漏。完整的監(jiān)測系統(tǒng)包括一個應變和溫度解調(diào)儀，一個光開關，一根用于地質(zhì)探測的應變測量光纜（圖 3c），一根用于泄漏探測的溫度測量光纜（圖3d），其中溫度監(jiān)測光纜是通信光纜的一部分，通信光纜貫穿整個管道長度，而應變監(jiān)測光纜只限于暴露的山區(qū)。

1.5亞天光電atfvs分布式光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)

atfvs結(jié)合了光纖干涉原理和分布式傳感理論，通過布設于設防區(qū)域的光纖（纜）中的光對觸及或通過承載物（如墻壁、覆土、圍欄等）的環(huán)境應力感應、分析，將擾動信號傳遞至系統(tǒng)主機，經(jīng)信號提取、波形分析及智能化的行為判別，判斷出不同的干擾類型，如禁行區(qū)域的闖入、攀爬圍墻、挖掘、鉆探等，實現(xiàn)系統(tǒng)預警和告警，并可以聯(lián)動視頻、聲光等設備，真正實現(xiàn)全方位、全時段的入侵監(jiān)控。

fvs（distributed optical fiber vibration monitoring system）光纖振動監(jiān)控系統(tǒng)利用光的干涉現(xiàn)象。當某處光纖受到外界擾動時，光干涉現(xiàn)象中的參量將發(fā)生變化，通過高速信號采集與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，準確的定位發(fā)生擾動的位置并給出實時的報警信息。以普通通訊光纜本身作為傳感設備，可以檢測一根長達幾千米到幾十千米的光纖的振動情況和應變，空間采樣間隔僅1m，檢測周期可達秒級。

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