商 峰，范 哲，朱新民

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038；2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

基于分布式光纖監(jiān)測的壓力鋼管模擬泄漏室內(nèi)試驗(yàn)

商 峰1，2，范 哲1，2，朱新民1，2

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038；2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

實(shí)際運(yùn)行的壓力鋼管可能存在腐蝕進(jìn)而破裂、泄漏的隱患，因此需要開展在役的壓力鋼管實(shí)時(shí)安全監(jiān)測方法研究，實(shí)現(xiàn)對泄漏的及時(shí)定位、報(bào)警。本文基于F-OTDR光纖干涉原理的振動(dòng)監(jiān)測方法，開展了模擬壓力鋼管泄漏的室內(nèi)試驗(yàn)，系統(tǒng)研究不同泄流條件下的分布式光纖的檢測結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著泄流孔孔徑的增加和泄流量的增加，泄漏引起的振動(dòng)信號強(qiáng)度增加，但是由于系統(tǒng)初始擾動(dòng)能量的存在，僅依據(jù)數(shù)據(jù)分析，難以判斷極小泄流量引起的振動(dòng)信號。本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)泄流量大于1.00L/s時(shí)，分布式光纖檢測效果較好。

壓力鋼管；分布式光纖；振動(dòng)監(jiān)測

1 研究背景

壓力鋼管廣泛應(yīng)用于水利水電、市政給排水、油氣輸運(yùn)等行業(yè)。壓力鋼管在運(yùn)行過程中一旦發(fā)生泄漏，不僅會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且可能危及公共安全。2013年11月22日，青島發(fā)生輸油管道泄漏爆炸重大事故，造成62人死亡、136人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失75 172萬元［1］。其直接原因是輸油管道與排水暗渠交匯處管道腐蝕減薄、破裂，原油泄漏后流入排水暗渠及反沖到路面。原油泄漏后，現(xiàn)場處置人員采用液壓破碎錘在暗渠蓋板上打孔破碎，產(chǎn)生撞擊火花，引發(fā)暗渠內(nèi)油氣爆炸。這一事故表明，實(shí)際運(yùn)行的壓力鋼管可能存在腐蝕進(jìn)而破裂、泄漏的隱患。因此，有必要開展在役壓力輸水（油氣）鋼管實(shí)時(shí)安全監(jiān)測方法研究，實(shí)現(xiàn)對泄漏進(jìn)行及時(shí)定位、報(bào)警，從而避免事故發(fā)生。

由于在役壓力輸水（油氣）鋼管分布距離較長，管內(nèi)流態(tài)比較復(fù)雜，運(yùn)用常規(guī)的流量、壓力監(jiān)測的方法僅能探測到較大的泄漏，且定位精度較差，誤報(bào)率也較高。與之相比，分布式光纖監(jiān)測方法可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)間上和空間上的連續(xù)測量，成為長輸管線實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)中最具有發(fā)展和應(yīng)用前景的一個(gè)方向。理論分析表明［2］，管道在發(fā)生破裂、泄漏時(shí)，在管內(nèi)壓力作用下，管內(nèi)流體向外射出會引起管壁振動(dòng)。因此，通過監(jiān)測管壁的異常振動(dòng)，有可能實(shí)現(xiàn)對泄漏的及時(shí)檢測和定位。研究人員先后發(fā)展出多種分布式光纖振動(dòng)監(jiān)測方法，如基于Mach-Zehnder光纖干涉儀原理的振動(dòng)監(jiān)測方法［3］、基于Sagnac光纖干涉原理的振動(dòng)監(jiān)測方法［4］、基于φ-OTDR光纖干涉原理的振動(dòng)監(jiān)測方法［5］等。與其它分布式光纖振動(dòng)監(jiān)測方法相比，基于φ-OTDR光纖干涉原理的振動(dòng)監(jiān)測方法具有傳感距離長、不需要額外的傳感設(shè)備、可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位等優(yōu)點(diǎn)，因而成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的新近研究熱點(diǎn)［6］。

然而，上述研究的主要目的都是光纖傳感和解調(diào)設(shè)備的開發(fā)，對于相關(guān)技術(shù)方法在實(shí)際工程中的可用性缺乏系統(tǒng)性研究。因此，本文嘗試采用基于φ-OTDR光纖干涉原理的振動(dòng)監(jiān)測方法，開展模擬壓力鋼管泄漏的室內(nèi)試驗(yàn)，系統(tǒng)研究不同泄流條件下的監(jiān)測結(jié)果，為今后開展實(shí)際工程應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

2 基于φ-OTDR光纖干涉原理的振動(dòng)監(jiān)測方法

OTDR技術(shù)是光時(shí)域反射（Optical Time Domain Reflectometer）技術(shù)的簡稱，其通過檢測光纖中產(chǎn)生的后向瑞利散射信號來判斷光纖的故障點(diǎn)，主要應(yīng)用于檢測光纜的故障、光纖的長度、光纖的損耗以及光纖接頭損耗等。在傳統(tǒng)OTDR技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究者開發(fā)出了基于φ-OTDR原理的振動(dòng)監(jiān)測方法，通過輸入超窄線寬的激光光源，增強(qiáng)光波的干涉效果，見圖1。

由圖1可以看出，實(shí)際測量時(shí)，利用激光器向光纖內(nèi)發(fā)射脈沖光，入射光在光纖介質(zhì)內(nèi)傳播過程中發(fā)生后向瑞利散射。接收器通過計(jì)算接收到散射光的傳播距離和光強(qiáng)可以了解光纖不同對應(yīng)位置處的物理變化，從而實(shí)現(xiàn)空間上的連續(xù)監(jiān)測。當(dāng)局部受到擾動(dòng)時(shí)，光纖對應(yīng)位置的折射率將發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致該處光相位發(fā)生變化；由于干涉作用，相位的變化將引起散射光光強(qiáng)發(fā)生變化。通過計(jì)算不同時(shí)刻瑞利散射光強(qiáng)空間分布曲線之間的差值即可檢測出外界的擾動(dòng)，差值空間分布曲線中尖峰所對應(yīng)的距離即為擾動(dòng)對應(yīng)的位置。

圖1 基于φ-OTDR光纖振動(dòng)監(jiān)測原理［7］

目前，φ-OTDR光纖振動(dòng)監(jiān)測技術(shù)主要應(yīng)用于周界安防領(lǐng)域。應(yīng)用于管道泄漏監(jiān)測時(shí)，需要將光纜粘結(jié)于管壁上；泄漏引發(fā)的管壁振動(dòng)傳導(dǎo)到光纖上，就可以被系統(tǒng)檢測到。

3 壓力鋼管模擬泄漏試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置與儀器布置室內(nèi)試驗(yàn)在五礦集團(tuán)甬泰（山東）鋼鐵有限公司3 000T內(nèi)水壓力測試平臺上進(jìn)行。為了便于在管道上開孔進(jìn)行模擬泄漏試驗(yàn)，以及控制試驗(yàn)過程的安全性，本研究采用螺旋焊制鋼管作為管道模型。試驗(yàn)鋼管長12m，直徑910mm。試驗(yàn)前首先對鋼管進(jìn)行打壓測試，保證鋼管在3.0MPa內(nèi)壓下不發(fā)生破壞。然后，在鋼管中段的底部開孔，焊接支管和安裝閥門，用于模擬泄漏試驗(yàn)。在鋼管上開有4個(gè)泄漏孔，直徑分別是2、4、8和14mm。焊接支管的直徑為40mm。

試驗(yàn)前，沿管道底部布設(shè)有一根分布式光纖，采用環(huán)氧樹脂粘接于管道內(nèi)壁。在管道兩端制作出線孔，供光纜穿出，用環(huán)氧樹脂封堵出線孔，待環(huán)氧樹脂完全固化后再進(jìn)行模擬泄漏試驗(yàn)。為增強(qiáng)分布式光纖的檢測效果，光纜從兩端出線孔穿出后，分別與管外壁沿管軸線粘接10m，此后再分別連接一段500m左右的光纜盤。光纖布設(shè)完畢之后，給管道兩端安裝密封橡膠墊。將管道小心吊裝至壓力測試平臺，以免折斷光纜。搭建數(shù)據(jù)采集平臺，做好試驗(yàn)準(zhǔn)備。

試驗(yàn)采用上海拜安傳感技術(shù)有限公司研發(fā)的DOVS分布式光纖振動(dòng)連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行管壁振動(dòng)的監(jiān)測。振動(dòng)傳感光纜采用定制鐵氟龍鎧裝光纜，其具有優(yōu)良的變形傳遞能力和較好的防水性能，內(nèi)含單模G.652光纖。試驗(yàn)中系統(tǒng)的空間分辨率為20m。

3.2 試驗(yàn)方法試驗(yàn)首先給管內(nèi)充水，并加壓至預(yù)定值。內(nèi)壓穩(wěn)定一段時(shí)間后，開閥泄流，記錄光纖監(jiān)測信號。試驗(yàn)中分別對0.8、0.6、0.4和0.2MPa4個(gè)不同內(nèi)壓工況下各泄漏孔分別進(jìn)行了開閥試驗(yàn)。一次試驗(yàn)只打開一個(gè)閥門，當(dāng)一次試驗(yàn)結(jié)束后，需要重復(fù)充水、加壓的過程。共計(jì)進(jìn)行了26組試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用體積法對2、4、8和14mm孔的泄流量進(jìn)行了監(jiān)測，即測定累積泄漏量達(dá)到一定體積所需要的時(shí)間。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果由于振動(dòng)信號具有瞬時(shí)特性，試驗(yàn)過程中DOVS系統(tǒng)顯示的實(shí)時(shí)差值曲線是跳躍的，給直觀判斷帶來了一定的困難。事實(shí)上，泄漏引發(fā)的振動(dòng)信號在時(shí)空域內(nèi)存在一定的分布特征。首先，信號在空間上集中分布于泄漏點(diǎn)附近的位置；其次，信號會在一定時(shí)間域內(nèi)持續(xù)分布。因此，本文提出如下處理方法：將一段時(shí)間內(nèi)各時(shí)刻測量得到的分布式光纖差值曲線都繪制在同一張坐標(biāo)圖上，這里稱之為差值分布累積曲線。此時(shí)，泄漏點(diǎn)附近引起的持續(xù)振動(dòng)信號將會疊加在一起，明顯地與其它位置所產(chǎn)生的孤立的、或者強(qiáng)度較小的噪音信號區(qū)別開來。

試驗(yàn)得到的典型差值分布累積曲線如圖2所示。對比不開閥靜置和開閥模擬泄漏兩種條件下的檢測結(jié)果可以看到，分布式光纖可以檢測出開閥模擬泄漏所產(chǎn)生的異常振動(dòng)信號。由于光纜在鋼管兩端出線孔出線后又沿著鋼管外壁各粘接10m，而DOVS系統(tǒng)的空間分辨率與鋼管長度處于同一個(gè)量級，因此，試驗(yàn)過程中在泄漏點(diǎn)附近位置檢測到3組異常振動(dòng)信號。

圖2 分布式光纖典型監(jiān)測結(jié)果

同時(shí)可以看到，試驗(yàn)環(huán)境中存在噪音信號；異常振動(dòng)信號的強(qiáng)度只有高于環(huán)境振動(dòng)信號，才能被系統(tǒng)檢測出來。因此，定義分布式光纖檢測到某位置x0處隨動(dòng)差值的歷時(shí)平均信號強(qiáng)度EAf按下式計(jì)算：式中：Af為Δt時(shí)段內(nèi)x0附近隨動(dòng)差值信號；ΔL為光纖分布長度，一般可以設(shè)為空間分辨率的整數(shù)倍，本文設(shè)ΔL=100m，以便統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)中鋼管周邊所有振動(dòng)信號；N為Δt時(shí)段和ΔL分布長度內(nèi)Af的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

統(tǒng)計(jì)各試驗(yàn)工況下EAf計(jì)算結(jié)果，并繪制出EAf與泄流量的關(guān)系如圖3所示。圖3同時(shí)繪出了環(huán)境振動(dòng)的EAf計(jì)算結(jié)果?？傮w上看，隨著泄流孔孔徑的增加和泄流量的增加，泄漏引起的振動(dòng)信號強(qiáng)度增加；泄漏引起的振動(dòng)信號強(qiáng)度大多高于環(huán)境振動(dòng)信號強(qiáng)度。當(dāng)泄流量大于1.00L/s時(shí)，即對應(yīng)8mm孔和14mm孔的情況，分布式光纖檢測出的信號強(qiáng)度EAf都在1.0以上，遠(yuǎn)高于環(huán)境振動(dòng)信號強(qiáng)度，檢測效果較好。對于2mm孔和4mm孔，泄流量較小，檢測出的信號強(qiáng)度EAf大多在0.5～1.0之間，與環(huán)境振動(dòng)信號接近，檢測效果難以保證。

圖3 EAf與泄流量之間的關(guān)系

由于分布式光纖與管壁粘接在一起，當(dāng)管壁應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)，光纖內(nèi)部折射率發(fā)生改變，從而可以檢測到異常信號。相同時(shí)間內(nèi)管壁應(yīng)力狀態(tài)的改變越大，分布式光纖檢測到的信號越強(qiáng)。開閥前，管內(nèi)水體仍存在某些系統(tǒng)性的擾動(dòng)，這與加載平臺有關(guān)。開閥動(dòng)作引起的局部水錘作用，會引起管壁應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生波動(dòng)。泄流量越大，局部水錘作用越強(qiáng)烈，因而分布式光纖檢測到的平均信號強(qiáng)度越大。由于系統(tǒng)初始擾動(dòng)能量的存在，實(shí)際長輸管道系統(tǒng)中，僅依據(jù)數(shù)據(jù)分析，難以區(qū)分極小泄流量引起的振動(dòng)信號。

4 結(jié)論

本文采用基于φ-OTDR光纖干涉原理的振動(dòng)監(jiān)測方法，開展了模擬壓力鋼管泄漏的室內(nèi)試驗(yàn)，系統(tǒng)研究不同泄流條件下的分布式光纖的檢測結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著泄流孔孔徑的增加和泄流量的增加，泄漏引起的振動(dòng)信號強(qiáng)度增加，但是由于系統(tǒng)初始擾動(dòng)能量的存在，僅依據(jù)數(shù)據(jù)分析，難以判斷極小泄流量引起的振動(dòng)信號。當(dāng)泄流量大于1.00 L/s時(shí)，分布式光纖檢測效果較好。本次試驗(yàn)中，壓力鋼管處于兩端簡支狀態(tài)，與實(shí)際工程地下埋管的邊界條件仍有一定區(qū)別，因此，有必要深入開展不同邊界條件下的泄漏檢測試驗(yàn)，為開展工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

［1］ 中華人民共和國中央人民政府網(wǎng).中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故調(diào)查報(bào)告［R/OL］.http：// www.gov.cn/gzdt/2014-01/11/content_2564671.htm.

［2］ 韓曉琳，汪風(fēng)泉.泄漏量的振動(dòng)估計(jì)［J］.振動(dòng)、測試與診斷，1991，11（1）：28-31，53.

［3］ 周琰，靳世久，張昀超，等.分布式光纖管道泄漏檢測和定位技術(shù)［J］.石油學(xué)報(bào)，2006，27（2）：121-124.

［4］ 杭利軍，何存富，吳斌，等.新型分布式光纖管道泄漏檢測技術(shù)及定位方法研究［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（1）：123-127.

［5］ 安陽，靳世久，馮欣，等.基于相干瑞利散射的管道安全光纖預(yù)警系統(tǒng)［J/OL］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2013.http：//www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20131104.1421.003.htm l.

［6］ 劉建霞.φ-OTDR分布式光纖傳感監(jiān)測技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2013，50（8）：193-198.

［7］ 上海拜安傳感技術(shù)有限公司.光纖傳感器及信號解調(diào)設(shè)備選型手冊［Z］.2014.

Distributed optical fiber monitoring in simulated leakagetest on pressure steelpipe

SHANG Feng1，2，F(xiàn)AN Zhe1，2，ZHU Xinmin1，2
（1.China InstituteofWaterResourcesand HydropowerResearch，Beijing 100038，China；2.State Key Laboratory ofSimulation and Regulation ofWaterCycle in RiverBasin，Beijing 100038，China）

The pressure steel pipe in service could be broken by corrosion and lead to dangerous leakage. Hence it is necessary to develop a real time monitoring method to locate the leaks in pipes and alarm in time.This study carried out a series of indoor experiments that simulated leakage in a pressure steel pipe，using the vibration monitoring method based on theφ-OTDR optical fiber interference principle and systematically studied its effectiveness under different leakage conditions.The experimental results imply that the detected vibration signal intensity become larger as the increase of the size of leak holes and discharge of flow.However，due to the initial vibration energy in system，the vibration signal by extreme small leakage can hardly be distinguished according to monitoring data.In this experiment，the distributed optical fiber can be effective when the leakage is larger than 1.00L/s.

pressure steel pipe；distributed optical fiber；vibration monitoring

TV698.1

A

10.13244/j.cnki.iwhr.2017.03.007

1672-3031（2017）03-0208-05

（責(zé)任編輯：王成麗）

2016-03-14

國家973計(jì)劃課題（2013CB036406）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51209121，51578544）；中國水利水電科學(xué)研究院調(diào)研專項(xiàng)（SS0145C1520150000）；中國水利水電科學(xué)研究院科研專項(xiàng)（1650）

商峰（1982-），男，安徽蕪湖人，高級工程師，博士，主要從事水工結(jié)構(gòu)研究。E-mail：shangfeng@iwhr.com

朱新民（1967-），男，江蘇靖江人，教授級高級工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)研究。E-mail：zhuxm8@iwhr.com