管道应力危害BOTDR分布式光纤检测系统

道应力危害BOTDR分布式光纤检测系统迟延光;白清;王宇;王东;张明江;王磊;靳宝全【摘 要】针对长距离地下油气管道因地质沉降导致管道应力破坏的问题,提出了基于布里渊光时域反射(BOTDR)原理的分布式光纤应变检测方法理论分析了油气管 道受地质沉降产生应力变化的检测原理,设计了 BOTDR分布式光纤应变检测系统. 通过累加平均进行信号降噪处理，同时融合列文伯格-马夸尔特(Levenberg- Marquardt)算法，改善系统测量精度系统性能进行测试，结果表明，系统检测距离可 达10 km,应变最大量程为8 500皿应变测量误差为46庆、重复性测量偏差为 36 ms,定位误差为+2 m,空间分辨率为1 m,满足对管道沿线受应力危害的预警需 求.【期刊名称】传感技术学报【年(卷),期】2018(031)011【总页数】6页(P1775-1780)【关键词】应变检测;管道安全；BOTDR;应力危害;分布式光纤传感;布里渊散射;光时域反射【作 者】 迟延光;白清;王宇;王东;张明江;王磊;靳宝全【作者单位】 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,太 原030024;太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,太原 030024;太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,太原 030024;太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,太原 030024;太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,太原030024;太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,太原030024;太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,太原 030024;煤与煤层气共采国家重点实验室,山西晋城 048012【正文语种】中文【中图分类】TE88.6;TP311.1深埋地下的油气管道规模庞大,会因地质沉降存在应力危害导致形变,进而出现管道 损坏泄露1。一旦出现问题,轻则对周围生态环境造成破坏,严重时会产成爆炸,威胁 人民生命财产安全2。因此,针对地下油气管道的安全预警检测极其重要。目前应用广泛的油气管道泄露检测技术主要有负压波法,声波法等3。负压波法具 有成本低、技术成熟的优势,但负压波法多用于短距离直线输油管道,应用范围窄,定 位精度低。声波法具有定位精度高的优点,但由于传感器是分立式安装,因此无法实 现分布式检测且后期维护成本昂贵4。此外还有检漏电缆法、放射性示踪法、热 红外成像法等。这些方法存在着定位准确度低、检测距离短、实时性差、成本高等 不同缺点,且都是管道被破坏后才能实现检测的方法,存在滞后性5。分布式光纤传感检测技术是一种利用传感光纤作为检测元件与信号传输媒介的新型 的传感技术6。相对于其他检测技术手段,分布式光纤传感技术是以光纤同时作为 传感元件和信号传输媒介 ,具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、 测量速度快、使用寿命长、成本低廉等优势 7,可适应长距离恶劣监测环境 8-11 特别在埋地长输燃气管道安全监控领域,该技术具有天然优势,可以通过光纤分布式 应变监测实现管道应力危害预警,使维护人员及时采取防范措施,防止事态恶化,避免 产生危险12-14。因地壳运动、违法开采、人类活动等因素导致的地质沉降,造成油气管道受应力产 生形变15。传感光纤会提前感受应力变化进而发生应变。因此本文提出一种基于 布里渊光时域反射原理的分布式光纤应变检测系统。通过检测传感光纤发生的应变 判断管道的状态。图1 B-OTDR分布式光纤应变系统技术原理图1 技术原理 当油气管道受应力产生形变时,传感光纤发生应变,光纤内部布里渊散射光产生频移 变化,被应变检测系统感知,经过处理得到应变发生区的位置以及相应的应变量。通 过传感光纤的应变程度来判断油气管道受到应力危害程度。光纤中材料分子由于布朗运动产生自发声波场光栅，其速度为Va。入射光的频率为 3p,入射光与其作用产生两种与入射光不同的散射光信号:频率较低的布里渊斯托克 斯光(频率为3s)和频率较高的布里渊反斯托克斯光(频率为was),二者相对于入射 光的频移相等16,即:(1)由式(1)得,布里渊散射的频移量vB与传感光纤折射率n以及光纤中的声波速度Va 成正比，与入射光的波长入p成反比。系统采用光源所产生的入射光波长固定为1 550.12 nm,同一光纤声波速度Va固定。当光纤有应变变化时，光纤中的折射率n, 杨氏模量E、密度p、泊松比k会随应变的改变而改变。可得式(2):(2)由式(2)可知，当光纤温度T 定时，布里渊散射的频移量vB仅与应变有关,进一步 可得,光纤应变改变量与光纤布里渊频移关系如式(3)所示17: vB(,T0)=vB(0,T0) + CA(3)由式可知,布里渊散射的频移量vB与应变改变量山呈线性关系,其中初始频移 vB(gTO)为10.7 GHz,为应变与频移的线性系数(可通过实验标定获取),vB(&TO) 等于初始频移与应变产生的频移山之和。因此，确定出光纤轴向沿线分布的vB 即可解调出应变量。本系统利用光时域反射原理实现定位,入射光在光纤中会产生后向散射光,记录入射 光发出的时间与接收到后向散射光的时差t,利用公式L=ct/2n,得到应变发生区位 置L,其中c为光速,n为传感光纤折射率。2 系统结构2.1 硬件系统 硬件系统主要包括光路部分和电路部分;光路部分:窄线宽激光器、脉冲光调制器、 脉冲光放大器、掺铒光纤放大器、扰偏器、环形器、耦合器、传感光纤;电路部分 包括:光电探测器、微波扫频模块、数据采集卡、上位机。窄线宽激光器发出的连续光,经过耦合器分为光功率不同的两路信号,其中10%一路 为参考光,并经由扰偏器不断改变其偏振态。90%一路为探测光,经过脉冲光调制器 调制,然后被脉冲光放大器放大并通过环形器注入传感光纤。传感光纤中的自发布 里渊散射光经过环形器返回,并由掺铒光纤放大器放大功率,之后与参考光进入 50:50的耦合器拍频，然后经光电探测器转化为电频信号。由微波扫频模块结合数 据采集卡扫频并采集包含布里渊频移信息的拍频信号,传送至上位机处理,得到传感 光纤应变发生区的位置以及相应的应变大小,进而得到管道的形变程度,判断其运行 状态。图2 BOTDR分布式光纤应变测量系统总体结构框图图3系统软件流程图2.2 软件系统软件系统主要由基于MFC的消息响应机制和多线程并发来实现;包括硬件监控模块、 信号采集与处理模块、数据存储及应变解调模块和显示模块四大部分。硬件监控部 分通过调用串口设置脉冲光调制器的重复频率、脉冲宽度,以及掺铒光纤放大器的 放大功率。然后检测其返回值以确定光学器件工作状态。信号采集与处理模块把采 集到包含布里渊频移信息的多频率点扫频信号,采用累加平均降噪与LM算法拟合 布里渊谱处理。数据存储及应变解调模块通过对处理过的原始数据与变化数据做差 得到应变数据。显示模块通过TeeChart控件把原始数据、处理后的频移数据、应 变数据显示至软件前面板。图4 拉伸应变测量结果3 系统性能实验3.1 应变系数标定实验将总长约为10.6 km的探测光纤置于25 C的实验环境中，一端连入本系统中。将 其中1 m长的光纤固定于可调拉力计上拉伸，并测量应变。图4为以500 ms为步 进，共计拉伸6 000 ms的测量结果与测量结果的线性拟合分析。由图4可知，测 得的频移变化区长度为1 m,即空间分辨率为1 m。由图4(b)可知R2为0.999 19, 频率改变量与应变改变量呈现良好的线性关系，线性系数Cs为5.177 7 MHz/100 ms。图5 不同距离测量结果3.2 不同距离应变检测实验及误差分析在被测光纤的3 146 m、4 929 m、7 812 m、10 335 m处依次针对1 m光纤做 拉伸实验，拉伸量为500 ms和1 000 ms,检测结果如图5所示。图5(a)为500 ms 下不同位置测得的应变峰,应变值依次为504.27 ms、493.24 ms、523.82 ms、 531.43 ms；图5(b)1 000 ms下不同位置测得的应变峰,应变值依次为996.97 ps、 989.09 ms、1 026.20 ps、971.89 ps。两组测量结果的误差分析如图6所示，两组 测量结果的应变峰值的最大误差在32 ms范围内，表明系统在10 km范围能够实 现不同距离的应变检测。图6 不同距离测量结果误差分析3.3 分布式应变检测重复性实验及偏差分析图7 重复性实验测量结果在探测光纤的两处不同位置同时拉伸1 m长的光纤,先拉伸500 pg做一组实验，再 拉至1 000 pg再做一组实验，每组应变检测十次。光纤应变检测结果如图7所示， 图7(a冲两个应变峰值位置分别为10 267 m处和10 322 m处，测得应变量均为 500 pg左右;图7(b)中同一位置测的应变量均为1 000 pg左右。两组测量结果的 偏差如图8所示,两组应变峰值的最大偏差在36 pg范围内，表明系统在10 km范 围能够实现分布式应变检测。图8重复性测量结果偏差分析3.4 应变测量量程实验及误差分析如图9是以500 pg为步进拉伸8 500 pg测量结果。图9 8 500pg的测量结果图10 8 500pg的测量结果误差分析在拉伸达到8 500 pg以上时，因为系统所使用的微波扫频模块的频率上限,达不到 布里渊散射频移后的频率,无法完成扫频,所以得到系统最大测量范围为8 500 pg。图10是对系统最大测量范围的误差分析;由图可知,系统测量最大误差在46 pg范 围内，表明系统在10 km范围能够实现分布式应变检测。3.5 定位精度误差分析 对该系统进行定位精度测试,测量8组不同长度的光纤(光纤长度已知),已知位置与 该系统测量结果如表1所示。将系统测量结果和已知位置相比较可以看出8组测 量结果中最大误差为2 m,因此可知该系统在10 km检测范围内定位误差为2 m。表1系统定位测量结果表组别已知位置/m系统测量结果/m误差/m11 2981298022 5082 508034 3504 349145 5675 567056 7856 786167 9977 995279 2119 2110810 62910 63014 结论 本文提出了面向地下油气管道应力危害预警的分布式光纤应变检测系统。通过对油 气管道沿线传感光纤的应变测量来检测管道的安全状态。通过实验论证了该系统可 实现10 km传感距离，可测最大应变为8 500皿应变测量误差为36皿定位误差为2 m,空间分辨率为1m。该系统的提出可以为长距离油气管道的分布式、实时 在线安全预警提供借鉴和参考方案,并在其他方面如海堤沉降、大型建筑物的混凝 土健康检测、高铁轨道安全检测方面将会有很好的应用前景。参考文献:【相关文献】1 佟敬阔，靳宝全，王东，等面向管道安全监测的R-OTDR分布式光纤测温系统J.传感技术学 报,2018,31(1):158-162.2 Yan S Z,Chyan L S. 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