冷建成，周國強，吳澤民，石 永

（東北石油大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318）

管道運輸具有運量大、連續(xù)、迅速、經(jīng)濟、安全、可靠、平穩(wěn)以及投資少、占地少、費用低等優(yōu)點而成為石油和天然氣最主要的長距離輸送方式，在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中起著十分重要的作用。油氣管道輸送的基本要求是安全、高效。隨著管道工業(yè)的不斷發(fā)展和其重要性的突出，全社會對管道安全監(jiān)測技術(shù)的要求也不斷地提高。2000年4月，國家經(jīng)貿(mào)委頒發(fā)了［2000］17號令《石油天然氣管道安全監(jiān)督與管理暫行規(guī)定》，將石油管道的定期檢測分為在線檢測和全面檢測兩種，并對兩種檢測周期作了規(guī)定。2009年2月，中國石油管道公司完成了《管道完整性管理規(guī)范》，強調(diào)“主動維護，事前預(yù)控”，要求“對可能使管道失效的主要威脅因素進行檢測、檢驗，據(jù)此對管道的適應(yīng)性進行評估”。

檢測管道結(jié)構(gòu)損傷通常采用無損檢測（NDT）技術(shù)，如漏磁檢測、磁記憶檢測、超聲波檢測、渦流檢測、射線檢測、應(yīng)力波檢測、彈性波檢測和聲發(fā)射檢測等，這些方法對檢測管道的結(jié)構(gòu)缺陷或損傷有很好的效果，為保證其質(zhì)量和安全運行起到極其重要的作用。但這些技術(shù)手段大多為離線檢測，不能及時有效發(fā)現(xiàn)突發(fā)性故障；另外，管道缺陷檢測固然重要，但事先預(yù)警更為重要，即在侵害發(fā)生前或發(fā)生中就進行報警來防止管道損害的發(fā)生，從而真正確保管道的安全持久正常運行。于是，管道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與損傷診斷技術(shù)應(yīng)運而生。

光纖傳感技術(shù)是近年來發(fā)展起來的尖端監(jiān)測技術(shù)，具有（準）分布式、長距離、實時性、耐腐蝕、抗電磁、輕便靈巧等優(yōu)點，因而已引起管道結(jié)構(gòu)監(jiān)測界的廣泛重視，成為管道監(jiān)測領(lǐng)域中的研究熱點。

1 光纖傳感技術(shù)

光纖是利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達成的一種傳輸介質(zhì)。光纖傳感技術(shù)是20世紀70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測信號的新型傳感技術(shù)，其基本原理為：將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)，如強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化，再經(jīng)過光纖送入探測器，經(jīng)解調(diào)后獲得被測參數(shù)。

光纖傳感器根據(jù)測量方式劃分，可概括為點式、準分布式和分布式傳感器三種類型。

1.1 點式光纖傳感器

顧名思義，點式光纖傳感器就是對固定一點進行監(jiān)控。SOFO（源于法語Surveillance d'Ouvrages par Fibres Optiques的首字母，意為光纖結(jié)構(gòu)監(jiān)測）是由瑞士聯(lián)邦工業(yè)學(xué)院土木工程系IMAC應(yīng)力分析實驗室開發(fā)的一種點式光纖傳感器。完整的SOFO監(jiān)測系統(tǒng)包括光纖傳感器、讀數(shù)裝置、數(shù)據(jù)分析軟件以及附屬設(shè)備（轉(zhuǎn)換箱、連接盒、光纜和連接器等），如圖1所示；其傳感器為長標距（Long－gauge）光纖變形傳感器，典型傳感器長度范圍為250mm～10m。

圖1 SOFO光纖監(jiān)測系統(tǒng)［1］

SOFO測量系統(tǒng)基于低相干干涉原理［2－3］：傳感器實際上是一個由測量光纖和參考光纖組成的全光纖邁爾遜干涉儀。激光光束被耦合器分為兩束強度相同的光，分別進入測量光纖和參考光纖。測量光纖可以隨結(jié)構(gòu)變形而改變光程的長度；參考光纖用于補償由溫度變化而引起的光纖折射率的變化。讀數(shù)儀內(nèi)置由固定臂和掃描臂組成的參考干涉儀，重新耦合后的光束進入?yún)⒖几缮鎯x，當參考干涉儀兩臂之間的光程差與測量干涉儀產(chǎn)生的光程差相當，即可得到測量光纖的變形量。

1.2 準分布式光纖傳感器

準分布式光纖傳感器是由多個布置在空間預(yù)知位置上的分立的光纖傳感器采用串聯(lián)或其它網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式連接起來，利用時分復(fù)用、頻分復(fù)用、波分復(fù)用等技術(shù)共用一個或多個信息傳輸通道所構(gòu)成的分布式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵制成的。光纖布喇格光柵（Fiber Bragg Grating，簡稱FBG）傳感器是利用光敏光纖在紫外光照射下產(chǎn)生的光致折射率變化效應(yīng)，使纖芯的折射率沿軸向呈現(xiàn)出周期性分布而得到的一種波長調(diào)制型光纖傳感器。

光纖光柵傳感系統(tǒng)主要由寬帶光源、光纖光柵傳感器、信號解調(diào)等組成，F(xiàn)BG監(jiān)測系統(tǒng)見圖2。

圖2 FBG傳感系統(tǒng)組成

FBG類似于波長選擇反射器，滿足布喇格衍射條件的入射光（波長為λB）在FBG處被反射，其它波長的光會全部穿過而不受影響，反射光譜在FBG中心波長λB處出現(xiàn)峰值，根據(jù)模耦合理論［4］得：

式中λB為布喇格波長；neff為光纖傳播模式的有效折射率；Λ為光柵周期。

當光柵區(qū)域的應(yīng)變發(fā)生變化時，反射波長λB將發(fā)生漂移，在光纖的彈性范圍內(nèi)，中心波長漂移量ΔλB與應(yīng)變變化呈線性相關(guān)，同時溫度的變化對其也有一定影響，二者共同引起的ΔλB［5］為：

式中P11，P12為單模光纖的彈光系數(shù)；v為光纖材料的泊松比；Δε為光纖軸向應(yīng)變；α，ξ分別為FBG的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)；ΔT為溫度變化量。

可見，當光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變或其它物理量發(fā)生變化時，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使反射光的波長發(fā)生變化，通過測量物理量變化前后反射光波長的變化，就可以獲得待測物理量的變化。FBG傳感器走向工程實用化的關(guān)鍵問題有兩個：一是光纖光柵傳感器的增敏與封裝，二是波長編碼的解調(diào)技術(shù)。

1.3 分布式光纖傳感器

相對點式光纖傳感器，分布式光纖傳感器能對較長工作距離的目標參量變化進行實時監(jiān)測。分布式光纖傳感系統(tǒng)原理是同時利用光纖作為傳感敏感元件和傳輸信號介質(zhì)，采用先進的光時域反射（Optical Time Domain Reflectormeter，簡稱OTDR）技術(shù)，探測出沿著光纖不同位置的應(yīng)變和溫度的變化，實現(xiàn)真正分布式的測量。就傳感技術(shù)來看，主要有三種實現(xiàn)方式：基于瑞利（Rayleigh）散射、基于拉曼（Raman）散射和基于布里淵（Brillouin）散射。其中基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)在溫度、應(yīng)變上所達到的測量精度、測量范圍以及空間分辨率等均高于其它傳感技術(shù)，得到廣泛的關(guān)注與研究。

布里淵散射是光波與聲波在光纖中傳播時產(chǎn)生非彈性碰撞而出現(xiàn)的光散射過程。在不同條件下，布里淵散射又分為自發(fā)散射和受激散射兩種，所以基于布里淵散射的分布式光纖傳感器也分為基于自發(fā)布里淵散射的布里淵光時域反射計（Brillouin Optical Time－Domain Reflectometer，簡 稱 BOTDR）和基于受激布里淵散射的布里淵光時域分析（Brillouin Optical Time－Domain Analysis，簡 稱BOTDA）兩種。

1.3.1 BOTDR分布式光纖傳感器

布里淵散射的強度極其微弱，相對于瑞利散射來說要低大約兩三個數(shù)量級，而且相對于散射光來說布里淵頻移很小，檢測起來較為困難，通常采用的檢測方法有直接檢測和相干檢測兩種。基于BOTDR的分布式光纖傳感器典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于BOTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)組成

基于BOTDR的分布式光纖傳感技術(shù)與在光纖測量中廣泛應(yīng)用的OTDR技術(shù)相似。光脈沖注入光纖系統(tǒng)的一端，光纖中的散射光作為時間的函數(shù)，同時帶有光纖沿線溫度、應(yīng)變分布的信息，測量布里淵散射頻移量即可得到光纖中的溫度、軸向應(yīng)變分布。光纖的軸向應(yīng)變、溫度與布里淵散射光頻移的關(guān)系可分別表示為［6］：

式中ε為光纖的應(yīng)變；T為溫度；Cε為布里淵頻移－應(yīng)變系數(shù)；CT為布里淵頻移－溫度系數(shù)；vB為光纖的布里淵頻移；vB0，ε0，T0分別為光纖初始狀態(tài)的布里淵頻移量、應(yīng)變和溫度。

1.3.2 BOTDA分布式光纖傳感器

基于BOTDA的分布式光纖傳感器利用直流探測光和脈沖泵浦光之間的受激布里淵散射，通過受激布里淵效應(yīng)對探測光的放大［7］，實現(xiàn)接收信號強度大、測量精度高和動態(tài)范圍寬等特性，典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于BOTDA的分布式光纖傳感系統(tǒng)組成

當光纖某個區(qū)段的溫度或應(yīng)變發(fā)生變化時，該部位的布里淵頻移便隨之發(fā)生變化，從而引起該區(qū)段的BOTAD信號變化。通過調(diào)諧使入射泵浦光和探測光之間的頻差等于新的布里淵頻移，便能接收到該點的布里淵散射信號。由于布里淵頻移與溫度、應(yīng)變存在線性關(guān)系，因此，對兩激光器的頻率進行連續(xù)調(diào)節(jié)的同時，通過檢測從光纖一段耦合出來的探測光的功率，就可以確定光纖各小段區(qū)域上能量轉(zhuǎn)移達到最大時所對應(yīng)的頻率差，從而得到光纖沿任一點的溫度、應(yīng)變分布。

同BOTDR技術(shù)相比，基于受激布里淵散射的BOTDA傳感系統(tǒng)可以獲得相對較強的散射信號，空間分辨率也從1m提高到了10cm，從而使應(yīng)變、溫度等信息的空間定位更加準確。但BOTDA技術(shù)采用雙端檢測，需要從光纖兩端分別注入泵浦光和探測光，傳感光纖必須構(gòu)成測量回路，給工程實際應(yīng)用帶來一定的困難。

2 性能與特點比較

光纖傳感技術(shù)涵蓋點式、準分布式、分布式三類拓撲結(jié)構(gòu)，每種傳感器都具有各自不同的特性和適用范圍，參見表1所示，因而在構(gòu)建管道在線監(jiān)測系統(tǒng)時可以相互配合、各取所長。

表1 光纖傳感器性能指標

可見，SOFO分辨率高，但受信號傳輸和解調(diào)技術(shù)的限制，布點數(shù)量有限，比較適用于結(jié)構(gòu)重點部位的監(jiān)測。分布式的BOTDR和BOTDA可對結(jié)構(gòu)進行大范圍監(jiān)測，但分辨率低，測得的應(yīng)變是傳感段所經(jīng)過區(qū)域應(yīng)變量或溫度的平均值。而FBG不僅分辨率高，所測的應(yīng)變位置明確易定，且能使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串接多個傳感器，實現(xiàn)真正意義上的多點線式分布測量。因此，F(xiàn)BG在很大程度上彌補了以上幾種傳感器的不足，更適合于大型結(jié)構(gòu)的多點監(jiān)測。

3 光纖傳感技術(shù)在管道監(jiān)測中的應(yīng)用

管道光纖健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下三部分構(gòu)成：光纖傳感器系統(tǒng)、信號傳輸與采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測系統(tǒng)［8］，如圖5所示。其中光纖傳感器系統(tǒng)包括光纖傳感器的選型、拓撲類型、安裝方式等；信號傳輸與采集系統(tǒng)包括光纖傳感器的校正、采樣及實時數(shù)據(jù)的存儲等；數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測系統(tǒng)包括采集數(shù)據(jù)的有效性分析、結(jié)構(gòu)健康性能指標的參數(shù)選擇、結(jié)構(gòu)運行狀態(tài)的可視化系統(tǒng)及相應(yīng)的災(zāi)害提前預(yù)警功能等。

圖5 管道光纖實時監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 管道應(yīng)變／變形監(jiān)測

油氣管道傳輸距離長，冷熱變形量大，在長期服役過程中容易受到地質(zhì)災(zāi)害，如地基沉降［9］、沿線滑坡［10］、凍脹融沉［11］等不利因素而引起變形，因此需要對管道進行實時變形監(jiān)測。

利用FBG準分布式光纖傳感技術(shù)可以用同一根光纖復(fù)用多個FBG傳感器，從而實現(xiàn)對待測管道關(guān)鍵部位，如焊接點、拐彎閥門等定點應(yīng)力的精確測量。美國Micron Optics公司生產(chǎn)的sm125靜態(tài)光纖光柵解調(diào)儀可允許在一根光纖上同時連接大于40個FBG傳感器，同時也可隨時擴展到16個光學(xué)通道，掃描頻率為1Hz，其應(yīng)變和溫度分辨率可分別達到1με和0.1℃，非常適合管道局部關(guān)鍵區(qū)域的長期監(jiān)測使用。英國Smart Fibres公司的W4－5型光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀具有4通道，每通道傳感器最大數(shù)為40個，專為監(jiān)測變化很慢的應(yīng)力、溫度和壓力而設(shè)計。

如果僅需了解管道結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力變化趨勢或?qū)ΡO(jiān)測精度要求不是很高時，也可采用布里淵散射分布式光纖傳感技術(shù)。日本ANDO公司研制開發(fā)的光纖應(yīng)變／損耗分析儀AQ8603應(yīng)用BOTDR技術(shù)可以檢測最長80km光纖沿線的應(yīng)變，空間分辨率為1m，應(yīng)變測量精度可達到±0.003%，基本上能夠滿足管道工程變形監(jiān)測的要求。日本Neubrex公司在BOTDA技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)了新一代應(yīng)變測量技術(shù)——脈沖預(yù)泵浦BOTDA，簡稱PPP－BOTDA，實現(xiàn)了10cm的空間分辨率和±7.5με的應(yīng)變測量精度；瑞士Omnisens公司的DiTeSt分布式光纖溫度應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)在10km測量范圍內(nèi)空間分辨率為1m、應(yīng)變測量精度為±30με；加拿大OZ公司最新的ForesightTM系列傳感器系統(tǒng)采用專利光纜設(shè)計，在50km測量范圍內(nèi)空間分辨率為10cm、應(yīng)變和溫度測量精度分別達到±2με和±0.1℃。這些系統(tǒng)均可實現(xiàn)應(yīng)變和溫度的同時測量，從而對管道的變形狀況進行實時連續(xù)監(jiān)測。

3.2 管道泄露監(jiān)測

管道由于人為穿孔或破壞引起的泄漏，不僅造成自然資源的浪費、環(huán)境污染，而且容易發(fā)生火災(zāi)、爆炸等災(zāi)難性事故，危害工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活。因此，及時、準確地發(fā)現(xiàn)泄漏及其位置具有重大意義。

溫度、壓力和流量是對流體管道進行漏泄檢測、泄漏定位和生產(chǎn)控制所需要的基本數(shù)據(jù)。對于輸油／氣管道或熱力管道，當高溫、高壓的液體泄漏時會導(dǎo)致周圍的溫度升高，而氣體泄漏時周圍溫度將降低，根據(jù)這一性質(zhì)可將光纖光柵準分布式傳感系統(tǒng)和分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)應(yīng)用到管道泄漏檢測中。結(jié)合熱力管道泄漏處的溫度場變化規(guī)律，利用FBG溫度傳感器的溫度特性可以對熱力管道關(guān)鍵點溫度進行連續(xù)監(jiān)測，從而及時發(fā)現(xiàn)泄漏［12］。相對于數(shù)百、上千公里的輸油／氣管道或熱力管道，如果安裝成千上萬個FBG傳感器經(jīng)濟上會極其昂貴，所以工程上多采用分布式光纖傳感技術(shù)。英國Sensornet公司生產(chǎn)的Sentinel DTS分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)同時利用光纖感測信號和傳輸信號，采用先進的OTDR技術(shù)和拉曼散射光對溫度敏感的特性，在30km監(jiān)測范圍內(nèi)空間分辨率最小0.1m，其溫度分辨率可以達到0.01℃。

分布式光纖傳感器的主要技術(shù)方法除了上述的OTDR法，還有干涉法。干涉式光纖傳感技術(shù)利用光纖受到所監(jiān)測物理場感應(yīng)（如溫度、壓力或振動等），使導(dǎo)光相位產(chǎn)生延遲，經(jīng)由相位的改變造成輸出光的強度改變，進而得知待測物理場的變化。相對于OTDR技術(shù)，它的動態(tài)范圍大、靈敏度高，可實現(xiàn)管道小泄漏檢測。澳大利亞FFT公司基于模態(tài)分布調(diào)制干涉技術(shù)研制了一種對壓力／聲波／振動敏感的分布式光纖管道安全防御系統(tǒng)，可以檢測管道泄漏、挖掘、機械施工等事件，在60km管段內(nèi)進行泄漏檢測的定位精度為±50m。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于美國New Yoke Gas Group和印度尼西亞Gulf Resources Ltd的長輸管道上，適合油氣管道泄漏檢測和定位的要求。

4 結(jié)論

光纖傳感技術(shù)利用光纖進行信號傳輸，具有傳輸損耗小、穩(wěn)定性高、頻帶寬和可集成性好的特點，可實現(xiàn)遠距離傳輸和自動監(jiān)測。FBG傳感器由于具有體積小、質(zhì)量輕、壽命長、可實現(xiàn)絕對測量、對電磁干擾不敏感及可構(gòu)成準分布式傳感網(wǎng)絡(luò)而受到廣泛重視。與FBG傳感技術(shù)相比，布里淵分布式光纖傳感技術(shù)突出的優(yōu)點在于不需要對光纖進行加工，傳輸與傳感為一體，測試費用低，并可進行長距離分布式測量。在分布式光纖傳感技術(shù)中，拉曼分布式溫度傳感技術(shù)和BOTDA光纖傳感技術(shù)是最具前途、目前應(yīng)用最為廣泛的實用系統(tǒng)。

目前，光纖傳感技術(shù)在橋梁、大壩、高層建筑等土木工程以及隧道、地鐵、邊坡等巖土工程都有廣泛應(yīng)用；而在管道方面，雖然應(yīng)用較少，但也取得了一定的進展。在對測點要求精度較高時，宜選用FBG傳感技術(shù)，其適合局部、高靈敏度監(jiān)測；當僅需了解管道結(jié)構(gòu)性能的整體變化趨勢時，宜選用BOTDA傳感技術(shù)，其適合長距離、低靈敏度靜態(tài)監(jiān)測。

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