油气管道光纤监控技术发展现状

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油气管道光纤监控技术发展现状

亚天光电——油气管道状态监测是其安全运行的重要保障，目前国际上发展了包括非光纤型和基于光纤的多种监测技术，分为视频监控、基于电的声学传感、水听器技术、浮球、光纤传感等类型。其中光纤传感方法以其隐蔽性、经济性和安全性而具有独特的优势，具有较好的推广应用前景。

石油和天然气输运与国民经济和人民生活息息相关，管道输送相比道路运输具有安全、便捷、经济的特点，但管道可能由于外部扰动、腐蚀、管材和施工质量等原因发生失效事故，威胁国家经济和人民生命财产安全。尽管在设计和施工方面，当前我国与国际水平基本相当，在管理方面，我国也开展的大量工作，但与发达国家相比，油气管道的安全性仍有一定差距。有数据显示，我国油气管道事故率平均为 3 次/（1 000 km·年），远高于美国的 0.5 次/（1 000 km·年）和欧洲的 0.26 次/（1 000 km·年）。据统计，我国油气管道事故，多为人为因素所致，近些年来，第三方破坏对我国油气管道事故的"贡献率"高达 40%，随后依次是腐蚀、管材质量、施工质量和突发性自然灾害。为保障油气管道输运安全，需要对管道实施监控，当管道发生泄漏和有外力实施破坏行为时能够及时告警和预警。以下对当前较新或有代表性的管道监测技术进行评述。

1 光纤监控方法

1.1 secure pipe 产品性能及应用案例

澳大利亚 fft（future fiber technology）公司的管道入侵探测产品 secure pipe 是基于 mz 干涉仪技术，利用敷设在管道上方的光缆作为传感器，探测和定位入侵，最大传感距离 40 km。系统需要利用光缆中的三根光纤，其中两根为传感光纤，一根为引导光纤；也可利用现有光缆中的空闲光纤。fft 的 cams（中央告警监控系统）所管理的探测系统数量不限，使用图形界面、电子邮件或短消息提供告警。cams的 gui（图形用户界面）屏幕可以基于卫星照片、地图或 cad 图像。

2003 年，nysearch（美国天然气研发与演示组织）在新泽西沿一段 40 km 高压天然气管道布设了fft secure pipe 监测系统，当不被许可的车辆或活动离管道太近时，其为运营者提供足够的预警。要求系统在管道附近的道路交叉、铁路线、居民区和商业区不发生误报警。在布设后的两年多时间里，管道沿线经历了多种类型挖掘设备的多次作业，系统没有因这些挖掘设备作业而产生误报警。但是，系统的敏感度较高，以至于许多报警源自管道巡视和其他驶过光缆的车辆。根据 nysearch 的技术总结报告（表 1），secure pipe 的定位精度优于产品说明，在小于 10 m 范围内，产品探测有效性与土壤类型相关，在软质土壤中探测有效率只有 30%～60%。

表 1 secure pipe 对管道沿线不同类型挖掘设备作业的监测结果

1.2 optasense 产品性能及应用案例

英国 qinetiq 公司的安全监控产品 optasense 可以在 50 km 距离内，利用现存埋设于管道附近的通信或 scada 标准光缆中的一根空闲光纤作为声学传感元件，探测到光缆附近 5 m内的人员，10 m内的车辆和 20 m内的机器，传感原理基于分布式声学传感[8]。通过改变脉冲的宽度，沿光纤的空间分辨率在 5～15m 之间可变。各种土壤类型和埋设状态（如光缆在保护套管内）均可接受，不要求特别的土地状态或回填物质。

直观的图形用户界面在 3 个窗口中提供的信息（图1）包括：第一个窗口显示航拍照片并精确显示光纤的路径，当事件被触发时，optasense 可以告知用户干扰的精确 gps 坐标；第二个窗口给出告警历史，显示曾探测到什么时间、什么地点的什么事件；第三个窗口为两个柱状图，一个显示沿光纤整个长度的行为，一个显示可选区域的放大图；每个柱状图显示在每个 10 m 长度光纤探测到的信号幅度。除自动告警外，系统操作员也可以通过耳机收听沿光纤任何位置探测到的声音，例如人走动或风钻的特征声音。

图1 optasense 的用户界面（包括图像和声音）

由于管道泄漏时会产生声学振动，因此，optasense 也可以探测泄漏。同时，optasense 还可以检测温度，因而对泄漏检测多了一重保障。2017 年 11 月，东欧为了保护 100 km 石油管道不受第三方干扰尤其是打孔盗油的危害，两套 optasense系统投入使用（在相反方向各监控 50 km）。几周后的一个深夜，系统在一个道路与管道交叉处发出有挖掘的告警。警-察到达现场前嫌疑犯逃了，到达后发现盗油设备和挖掘的现场，管道没有受损（图 2）。

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（a）盗油现场及位置图像

（b）盗油的处理过程及结果

图2 optasense 现场应用情况

2017 年，optasense 在厄瓜多尔发现了一起在管道周围 20 m 内施工的事件，避免了发生事故。2017年初，哈萨克斯坦的系统集成商 avencom 报道，哈萨克斯坦 kastransoil 公司通过大量系统测试，决定以 optasense 替换 fft 的 secure pipe，后者不能保护 aktubinsk 区域的 kenkiyak╠zhanazhol 管道，这段管道因在该国范围内盗油贼最多而闻名。

1.3 helios 分布式声学传感系统

英国 fotech solutions 的 helios 分布式声学传感系统是基于光纤内脉冲反射光的干涉原理，探测沿光纤的挖掘、钻孔、破坏、滑坡等事件。其最大传感距离为 50 km，在 15 km 处的最高空间分辨率为 1 m，在 50 km 处的最高空间分辨率为±5 m。2017 年曾有报道称，在美国和墨西哥边境上试用 helios 系统监测越境，结论显示：通过足够的训练，观察者足可以区分由一群人、牛、马、挖掘隧道、汽车或偷偷摸摸的越境者触发的事件。

1.4 omnisens 与 smartec sa 的产品性能及应用案例

瑞士 omnisens 公司基于 botda 技术的 ditest 测试仪最大传感距离为 50 km。温度和应变分辨率与测试距离和测试时间的关系：测试距离越长，测试分辨率越低；测试时间越长，测试分辨率越高。测试距离为 50 km、测试时间为 1 min 时，温度分辨率为 3.2 ℃，应变分辨率为 65 με；测试距离为 50 km、测试时间为 10 min 时，温度分辨率为 1.1 ℃，应变分辨率为 22 με，测试距离为 10 km、测试时间为 1 min 时，温度分辨率为 1 ℃，应变分辨率为 20 με，测试距离为 10 km、测试时间为 10 min 时，温度分辨率为 0.4 ℃，应变分辨率为 8 με。

omnisens 公司的合作公司瑞士 smartec sa 开发的专用于应变传感的 smartape 光缆呈扁平型（图3a），可以粘贴在被测件表面。smartec sa 公司用于应变和温度同时传感的 smartprofile 光缆（图 3b，其中红色管内为温度传感光纤），因红色套管隔离了应变，故使其中的光纤不受应变影响而只感应温度。

omnisens 公司采用可直接埋地的应变测量光缆（图 3c），能够承受一定的冲击和挤压。此外，标准通信铠装光缆也可用于温度传感（图 3d），其中部分光纤用于温度传感，同时其他光纤用于数据通信及 ditest测试单元和控制室之间的通信。

（a）smartape 应变传感光缆

（b）smartprofile 应变和温度同时传感光缆

（c）埋地应变测量光缆（smc）

（d）标准通信光缆

图3 传感光缆示意图

smartape 传感光缆被用于意大利 rimini 地区埋地天然气管道，该管道已服役 35 年，长 500 m，smartape 应变传感光缆敷设在管道的 0°、120°、-120°方位。另有一根温度传感光缆敷设在管道顶部的 0°位置，用以补偿应变监测值。传感线路分为 5 段，长度从 71 m至 132 m 不等，所有传感光缆通过延长光缆和接头盒连接至中央监测点，并利用一个 ditest 设备解调。由于塌方过程缓慢，每个月进行一次人工测试。经过两年测试，得到了管道形变和塌方进程的信息，并利用温度传感光缆成功进行了一次气体泄漏模拟试验。

秘鲁某液化天然气公司拟修建一条 408 km 高压输气管道系统，输气管道路径在有陡坡、高峰和低谷的地质不稳定的地区从东至西经过秘鲁的安第斯山，海拔 4 000～6 000 m。输气管道气候范围包括温暖、潮湿、寒冷和强季节性降水。在安第斯山脉，超过 50%的管道故障由地质灾害引起，因此实时监测对于维护管道的完整性至关重要。在拉美，曾有地表被大雨冲走导致管道暴露没有支撑并引起重复性管道故障。过去采用的视觉监测难以应用于遥远的山区，传统的倾斜仪和测斜仪只能提供传感器所在局部信息，不适于长距离监测。因此，需要一个管道完整性监测系统，可以探测泄漏和地表移动，防止大的故障和事故发生并在崎岖地形中保持自然环境。omnisens 为其设计的监测系统包括两根布设在管道上方沟中的光缆。起始 60 km 装备有 ditest-aim 专用光纤监测系统，能够探测和定位地表移动和泄漏。完整的监测系统包括一个应变和温度解调仪，一个光开关，一根用于地质探测的应变测量光缆（图 3c），一根用于泄漏探测的温度测量光缆（图3d），其中温度监测光缆是通信光缆的一部分，通信光缆贯穿整个管道长度，而应变监测光缆只限于暴露的山区。

1.5亚天光电atfvs分布式光纤振动监测系统

atfvs结合了光纤干涉原理和分布式传感理论，通过布设于设防区域的光纤（缆）中的光对触及或通过承载物（如墙壁、覆土、围栏等）的环境应力感应、分析，将扰动信号传递至系统主机，经信号提取、波形分析及智能化的行为判别，判断出不同的干扰类型，如禁行区域的闯入、攀爬围墙、挖掘、钻探等，实现系统预警和告警，并可以联动视频、声光等设备，真正实现全方位、全时段的入侵监控。

fvs（distributed optical fiber vibration monitoring system）光纤振动监控系统利用光的干涉现象。当某处光纤受到外界扰动时，光干涉现象中的参量将发生变化，通过高速信号采集与数据处理技术，准确的定位发生扰动的位置并给出实时的报警信息。以普通通讯光缆本身作为传感设备，可以检测一根长达几千米到几十千米的光纤的振动情况和应变，空间采样间隔仅1m，检测周期可达秒级。

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