長慶油田分公司

摘 要：基于C-OTDR（Coherent optical time domain reflectometer）分布式光纖傳感理論，以輸油管道同溝敷設(shè)的通信光纜作為傳感單元，針對管道周邊施工挖掘及打孔盜油等可能危及管道安全的事件進行識別。測試結(jié)果顯示，模擬的激勵事件能夠準確觸發(fā)系統(tǒng)報警。實際運行中能夠監(jiān)測并識別出管道附近數(shù)十米范圍內(nèi)發(fā)生的異常事件，可實現(xiàn)對管道損壞事件的事前或事中預(yù)警。

輸油管道所處外部環(huán)境復(fù)雜，若發(fā)生損壞泄漏，會造成環(huán)境影響和安全風險[1]。因此，有必要對施工損壞及打孔盜油等其它有損管道安全運行的異常事件進行監(jiān)測和預(yù)警。目前常用的壓力梯度法、負壓力波法、流量平衡法、超聲波檢測法、光纖傳感等管道安全監(jiān)測方法[2-4]，均是在事件發(fā)生后才能識別并報警，且定位精準度都有一定局限。近年來，國內(nèi)外大量研究的基于光時域反射的分布式光纖傳感技術(shù)[1,2,5-6]，具有監(jiān)測距離長、定位精度高、靈敏度高、安裝施工方便等優(yōu)點，是未來油氣管道安全監(jiān)測技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。

采用分布式光纖傳感技術(shù)，搭建了基于相干光時域反射（Coherent optical time domain reflectometer，C-OTDR）原理的分布式光纖振動傳感（DistributedVibration Sensor, DVS）系統(tǒng)，以輸油管道同溝敷設(shè)的通信光纜作為傳感單元，建立了西北某輸油管道光纖振動監(jiān)測預(yù)警實驗平臺，并進行了輸油管道附近人工挖掘、機械挖掘等外部損壞模擬監(jiān)測及模式識別測試。

1 技術(shù)原理

1.1 光纖中的散射

激光入射到光纖中，會產(chǎn)生各種光散射，包括彈性散射和非彈性散射。光纖中的光散射主要包括瑞利散射(Rayleigh Scattering)，拉曼散射(RamanScattering)和布里淵散射(Brillouin Scattering)，圖1為背向散射光頻譜圖。其中瑞利散射光是入射光與物質(zhì)發(fā)生的彈性散射，散射光頻率不發(fā)生變化，拉曼散射光和布里淵散射光是入射光與物質(zhì)發(fā)生非彈性散射，散射光頻率發(fā)生變化。實驗采用C-OTDR技術(shù)探測光纖中的瑞利散射。

長距離分布式光纖C-OTDR系統(tǒng)原理如圖2所示，窄帶激光器發(fā)射連續(xù)激光，經(jīng)過3dB耦合器將連續(xù)光分成兩路，一路光作為本振參考光，另一路光經(jīng)過脈沖調(diào)制將連續(xù)激光調(diào)制為脈沖激光輸入到被測光纖中產(chǎn)生散射光信號，將散射光信號與參考光進行外差相干獲得被測光纖上各監(jiān)測點的擾動信號，從而實現(xiàn)被測光纜沿線的外界入侵監(jiān)測。圖2中坐標圖分別展示了振動源作用前、作用時及作用后的差分信號波形示意圖。振動信號作用時，作用點光纖前端及尾端的信號不受作用點信號串擾。

2 現(xiàn)場實驗

2.1 實驗?zāi)康?/span>

以實際輸油管道為現(xiàn)場環(huán)境搭建實驗平臺，驗證長距離分布式光纖振動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)DVS在輸油管道實施在線監(jiān)測的可行性。

2.2 實驗平臺的搭建

以西北某輸油管道作為測試現(xiàn)場，分別在其200余公里長的原油管道2#、 9#閥室安裝一臺單通道監(jiān)測主機，在6#閥室安裝一臺雙通道監(jiān)測主機，每個通道方向監(jiān)測25～30 km。監(jiān)測主機安裝于閥室儀表間機柜中，與交換機進行連接，并將數(shù)據(jù)上傳到同閥室的監(jiān)控電腦上進行數(shù)據(jù)處理，連接顯示器進行信號展示。系統(tǒng)設(shè)置了多個遠程監(jiān)測工作站，分別置于區(qū)域控制中心和調(diào)度控制中心。工作站可通過專用生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)測主機進行訪問與控制，并實時獲取各閥室的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以供客戶端軟件實施報警響應(yīng)。

系統(tǒng)軟件分為三層，第一層為儀表層，主要功能為采集信號的原始數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)處理；第二層為算法層，主要接收第一層軟件傳輸過來的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析處理，提取信號特征，對數(shù)據(jù)進行模式識別驗證，并將模式識別結(jié)果傳遞到第三層；第三層接收第二層軟件傳遞過來的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，結(jié)合地理信息將處理結(jié)果展示并進行報警提示（圖3）。

實驗用的傳感光纖為隨管道同溝敷設(shè)的通信光纜，為單模光纖G652。硬件系統(tǒng)搭建完畢后，需要進行軟件系統(tǒng)的搭建和配置，首先對輸油管道進行GPS定位，結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)展示平臺，在坐標定位處進行地面敲擊以實現(xiàn)光纖定位，以此確保管道位置與光纖位置的定位匹配。實驗采用的GPS定位儀擁有米級定位精度，預(yù)警系統(tǒng)的光纖定位精度為10 m，因此光纖與管道匹配精度達到米量級。

獲取被監(jiān)測管道的坐標位置及對應(yīng)光纖點位后，即可在軟件平臺電子地圖上進行展示。

2.3 實驗內(nèi)容

實驗包括在測試線路上選定測試點進行人工挖掘和機械挖掘操作，以模擬管道附近的人工挖掘和機械挖掘損壞行為。現(xiàn)場在3個監(jiān)測區(qū)段共選擇了7個測試點進行（表1），記錄原始數(shù)據(jù)和報警響應(yīng)數(shù)據(jù)，將報警響應(yīng)數(shù)據(jù)作為本次實驗的最終評價標準。為測試系統(tǒng)的精確性和靈敏度，在部分測試點進行了定位精度、響應(yīng)范圍、響應(yīng)時間及模式識別準確率測試。

3 實驗結(jié)果

為預(yù)警系統(tǒng)的報警展示界面，每一條報警信息均包含了報警位置坐標、報警模式、報警時間以及報警置信度。

圖4（a）為典型的人工挖掘時域監(jiān)測信號曲線，圖4（b）為典型的挖掘機在管道附近真實挖掘行為的時域監(jiān)測信號曲線。其中，人工挖掘位置相對于監(jiān)測主機近，機械挖掘相對于監(jiān)測主機遠，因此人 工挖掘的整體信號強度比機械挖掘強，且相對于機械挖掘信號更清晰，主要是機械挖掘受發(fā)動機震動的影響，導(dǎo)致信號整體能量較強，而人工挖掘信號局部較強。

表2為測試點的定位精度測試結(jié)果，實驗結(jié)果顯示在測試樁號處進行人工挖掘激勵和機械挖掘激勵下均能準確報警，報警樁號與測試樁號的距離偏差具有隨機性，但總體距離偏差不超過10 m，與本測試系統(tǒng)的定位精度（10 m）比較吻合。

表3為響應(yīng)范圍及響應(yīng)時間測試結(jié)果。在各監(jiān)測區(qū)段各選一個實驗點，分別選擇垂直于管道走向5、10、 15、 20 m 四個測試點，機械挖掘作為激勵源。結(jié)果顯示各個測試點均有報警輸出，所不同的是報警響應(yīng)時間與測試點的土壤硬度有關(guān)。分析表明本系統(tǒng)能響應(yīng)垂直于管道20 m范圍的挖掘行為，當管道周邊為干燥硬質(zhì)土壤時其總體響應(yīng)時間在30 s內(nèi)，若為松軟土壤，則其響應(yīng)時間會相應(yīng)延長。

4 結(jié)論

現(xiàn)場實驗結(jié)果表明，分布式光纖振動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)能有效的應(yīng)用于輸油管道的振動監(jiān)測預(yù)警，準確進行人工挖掘與機械挖掘等外破行為的模式識別，具有定位精度高、響應(yīng)時間快、動態(tài)監(jiān)測范圍大、敏感度高等優(yōu)點，為輸油管道實時監(jiān)測外部施工損壞及打孔盜油等異常事件、實現(xiàn)管道損壞事前預(yù)警預(yù)防提供了合理有效的監(jiān)測方法。

參考文獻：

【1】涂勤昌,韋波,張真毅,等. OTDR型分布式光纖傳感器在油氣管道監(jiān)測中的應(yīng)用[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2015(3):28-31..

【2】趙宏振,戴承奇,祖正寧,等.基于OTDR的油氣管道監(jiān)測及定位方案應(yīng)用[J].光通信技術(shù),2015, 39(5).

【3】何弼.分布式光纖傳感技術(shù)在管道監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2017(1):9-12.

【4】周德新,樊智勇.管道泄漏監(jiān)測與控制技術(shù)的研究[J].計算機測量與控制,2005,13(3),237-238+264.

【5】Lu Y,Zhu T,Chen L,et al .Distributed Vibration SensorBased on Coherent Detection of Phase-OTDR[J]. Journalof Lightwave

Technology, 2010, 28(22):3243-3249.

【6】Fei Peng,Han Wu,et al . Ultra-Long high-sensitivityФ-OTDR for high spatial resolution intrusiondetection of pipelines[J].

OPTICS EXPRESS,2014,11(22):13804-13810.

作者：張玉龍， 1985年生，工程碩士，長慶油田分公司第二輸油處數(shù)字化與科技信息中心副主任，工程師，從事輸油管道泄漏防控、能耗優(yōu)化、管道信息化管理與智能化研究等工作。