分布式光纤管道泄漏检测和定位技术

1、第27卷第2期2006年3月石油学报AC TA PETROL EI SIN ICAVol.27No.2Mar.2006基金项目:国家自然科学基金项目“流体管网泄漏检测的新方法与关键技术研究”(No.60534050资助。作者简介:周琰,男,1968年4月生,2002年毕业于天津大学获硕士学位,2002年于天津大学精密仪器与光电子工程学院攻读博士学位,主要从事光纤传感技术、数字信号处理、管道安全检测技术以及精密测试技术及仪器研究工作。E 2mail :puti 68文章编号:02532697(200602012104分布式光纤管道泄漏检测和定位技术周琰靳世久张昀超孙立瑛(天津大学精密测试技术与仪

2、器国家重点实验室天津300072摘要:提出了一种基于Mach 2Zehnder 光纤干涉仪原理的新型分布式光纤管道泄漏测试技术。该检测技术利用在管道沿线附近敷设的一条光缆中的3条单膜光纤构成分布式微振动测试传感器,通过检测管道沿途所发生的泄漏噪声,可以实时地监测管道沿线所发生的泄漏情况。利用广义相关时延估计算法,通过确定2个测试信号的时延可以获得泄漏点的位置。阐述了该检测技术的测试原理和泄漏点定位方法,并对现场试验数据进行了分析。理论分析和试验结果表明,该测试技术可以有效地提高管道泄漏测试的灵敏度和定位精度。关键词:管道;泄漏检测技术;光纤干涉仪;传感器;定位技术;时延估计算法中图分类号:TN

3、 247文献标识码:ADistributed optical f iber sensing technology forpipeline leakage detection and locationZhou Yan Jin Shijiu Zhang Yunchao Sun Liying(S tate Key L aboratory of Precision Measuring Technology and I nst ruments ,Tianj in Universit y ,Tianj in 300072,China Abstract :A new distributed optical

4、fiber pipeline leakage detection technology based on the principle of Mach 2Zehnder optical fiber interferometer is proposed.An optical cable should be laid along the pipeline when applying this technology to pipeline leakage detec 2tion.The distributed micro 2vibrant measuring sensor is composed of

5、 three single mode optical fibers in the optical cable.The oil leakage can be detected by the sensor in real 2time by measuring leaked noise along pipeline.The position of leaking point can be ob 2tained by defining the value of time delay of the two measuring signals with the generalized correlatio

6、n time delay estimation algo 2rithm.This technology is applicable for various oil and gas pipeline leakage detection.The measuring principle and the leaking point location method for this technology are described.The experiment result showed that this technology can greatly improve the meas 2uring s

7、ensitivity and detecting precision of leakage location on pipeline.K ey w ords :pipeline ;leakage detection technology ;optical fiber interferometer ;sensor ;location technique ;time delay estimation al 2gorithm管道泄漏的及时发现和定位具有重要的现实意义。目前国内外油气管道泄漏检测技术中的质量平衡法、负压波法、压力梯度法和实时模型等管道泄漏检测方法主要是通过检测管道输送压力、流量以及温度

8、等参数的变化来判断是否发生管道泄漏,由于该类测试方法受到流体特性、输送工艺以及测试仪器的灵敏度和测试精度等因素的限制,对于管道微小泄漏检测灵敏度较低;应力波管道泄漏检测法是利用管道泄漏所产生的沿管壁传播的应力波来判断泄漏和定位,但由于其埋地管道应力波衰减较快、测试距离较近,限制了该方法的应用;采用超声波、漏磁技术的管内探测器法可以采集管壁信息,对管壁情况进行分析和判断,但该方法不能对管道进行实时监测123。笔者提出了一种基于Mach 2Zehnder 光纤干涉仪原理的分布式光纤管道泄漏检测技术,利用光纤作为传感器提取管道沿途的泄漏振动信号,通过对检测信号的处理和分析,可以有效地检测出管道发生泄

9、漏的情况。1测试原理在管道附近沿管道并排铺设一条光缆,也可以利用与管道同沟敷设的通讯光缆。基于Mach 2Zehnder 光纤干涉仪原理,利用光缆中的3条单膜光纤构成分布式微振动测试传感器测试管道沿途的泄漏噪声;利用光缆中的2条光纤构成传感器的2个测试光臂,而122石油学报2006年第27卷第3条光纤用于信号传输。半导体激光器(LD 发出的连续光波在分布式光纤传感器的一端分为光强度为11的两束光,分别进入2条光纤,使用同一光源发出的连续光波在2条测试光纤中同时传播。光波沿光纤传播到光纤的另一端,在光纤传感器另一端汇合而形成干涉信号。再由第3条光纤将干涉信号传输到光电检测器(PD ,并将光信号转

10、换成电信号,通过放大和滤波电路对信号进行处理,再经过A/D 转换并传输到计算机中进行进一步信号处理和分析。其测试原理如图1所示。 图1测试系统原理Fig.1Diagram of measuring system当测试光缆受到泄漏噪声的作用时,光缆中的2条测试光纤都会产生应力应变,因此2条传感光纤中传播的2束相干光波会分别产生相位变化4。其表达式为<=l +l (1式中<为光波的相位变化;为光波在光纤中的传播常数;l 为受到管道泄漏噪声作用的光纤长度;为光波的传播常数在受到管道泄漏噪声作用的光纤中产生的变化量。沿2条测试光纤传播的2束相干光波,其光场为简谐振动,可分别表示为 1=A

11、1co s t +s 1(t +1(22=A 2co s t +s 2(t +2(3式中1和2分别为2束相干光波的场强;A 1和A 2分别为光场振幅;为光波角频率;1和2分别为2束光波的初始相位;s 1(t 和s 2(t 分别为2束光波的光相位调制量。设2束相干光波的强度分别为I 1和I 2,且s (t =s 1(t -s 2(t =1-22束相干光波干涉后的光强为I =I 1+I 2+2I 1I 2co s s (t +(4设I 0为输入到2条测试光纤中的总光强度;为2束相干光波的混合效率。则有5I (t =I 01+cos s (t +(5如果仅考虑交流光强度,式(5可简化为I (t =I

12、 0co s s (t +(6通过光电检测器将光强信号转化为电流信号,光电流的交流量为i (t =KI 0cos s (t +(7式中K 为光电转换系数。在式(7中通常为常数/2,因此测试信号是2束相干光波相位调制差s (t 的函数。由于2条测试光纤在光缆中排列位置不同,产生的应力应变也不相同,因而在2条传感光纤中传播的2束相干光波产生的相位变化也不完全相同。当测试光缆受到泄漏噪声作用时,s (t 是一个变量。因此,通过实时检测干涉光信号的变化,则可以检测出分布式光纤传感器沿途管道泄漏噪声产生的微振动信号,从而实现了管道泄漏的实时监测。2定位方法211定位公式管道泄漏定位技术是管道泄漏检测关键

13、技术之一,分布式光纤管道泄漏检测技术采用在传感光纤中同时传播方向相反的两组光波,因此在传感器的两端均可产生干涉信号。当管道发生泄漏时,引起管道泄漏点附近的测试光纤产生应力应变,从而造成该处光波相位调制。产生相位调制的光波沿光纤分别向传感器的两端传播。用两个光电检测器检测传感器两端干涉信号发生变化的时间差,即可精确地计算出泄漏发生的位置,其定位公式可表示为X =12L-v t 2-t 1-L v(8式中X 为泄漏点至首端的距离,m ;L 为检测的管道长度,m ;t 1为传感器首端的光电探测器检测到管道泄漏信号的时间,s ;t 2为传感器末端光电探测器检测到管道泄漏信号的时间,s ;v 为光波在光

14、纤中的传播速度(v =c/n ,m/s ,其中c 是光在真空中的传播速度(3×108m/s ,n 为光纤的折射率,无因次。212时间差的确定同一光源发出的两组光波通过同一应力应变的光纤所产生的相位调制信号也是相同的,因而在分布式光纤两端检测到的干涉信号具有很强的相关性,所以采用相关运算可以获得非常精确的2个测试信号的时间差。分布式光纤传感器两端的测试信号可分别表第2期周琰等:分布式光纤管道泄漏检测和定位技术123示为 x 1(t =S (t +n 1(t x 2(t =S (t -0+n 2(t(9式中x 1(t 和x 2(t 分别为2个探测器检测到的信号;S (t 为管道泄漏信号;

15、n 1(t 和n 2(t 为噪声;为比例系数;0为2个测试信号之间的时延。通常S (t 、n 1(t 和n 2(t 是互不相关的平稳随机过程,因此x 1(t 和x 2(t 的互相关函数为6R x 1x 2(=-x 1(t x 2(t +d t(10在式(10所示的互相关函数中,当=0时,有峰值,因此获得最大值所对应的值,即可确定2个测试信号之间的时间差。 在实际检测过程中,2个测试信号经A/D 转换后为离散信号,若选定采样周期为T s ,传感器两端的测试信号可分别表示为离散的x 1(n T s 和x 2(n T s ,其中n 为整数。取2个测试信号相同时段采样点为N 的有限数据段进行相关运算,

16、其互相关函数可表示为R x 1x 2(m T s =1NN -1n =0x1(nT s x 2(nT s +m T s (11式中m 是整数。计算出R 取得最大值的点m 0,即可得到2个测试信号的时间差m 0T s 。3现场试验311管道泄漏检测试验在实际现场条件下,利用一段长为100m 、管径为159mm 的管道进行气体管道的泄漏检测试验。使用空压机向管道注入压缩空气,使管道内的压力为011110M Pa ,分别进行了不同压力情况下不同泄漏孔径(15mm 的管道泄漏试验。在管道泄漏测试装置中,利用一条长202m 的4芯单模通讯光缆构成分布式光纤传感器,测试光缆与管道平行敷设,间距为500mm

17、 。采用美国N I 公司的数据采集卡和虚拟仪器软件LabV IEW 对检测信号进行采集和分析。图2所示为管内压力为016M Pa 、泄漏点孔径为3mm 所检测到的泄漏测试信号。试验结果表明,在管道压力比较低的情况下,该检测技术可以检测到孔径较小的管道泄漏点。在实际测试过程中,测试信号还包含有很强的背景噪声,因此进一步地进行信号处理可以有效地提高测试信号灵敏度。图2管道泄漏检测信号Fig.2Measuring signal of leakage detection312管道泄漏定位试验在管道泄漏定位试验中作为传感器的光缆长为4625m ,折射率为11468,光波在光纤中的传播速度为210436&

18、#215;108m/s 。测试系统的采样频率为8×107Hz 。将管道的一端作为管道泄漏点,该点对应的测试光缆首端的位置为100m 。对其测试信号进行互相关运算的结果如图3所示,相关峰值位置为3528,根据图3两端测试信号互相关曲线Fig.3Cross 2correlation curve of tw o measuring signals式(8可以获得泄漏点至首端的距离为119m ,绝对误差仅为19m ,相对误差为0141%。从试验结果可以看出,分布式光纤管道泄漏测试技术可以获得较高的泄漏定位精度。由于泄漏定位绝对误差与采样频率有关,因此泄漏定位的绝对误差不随检测距离的增加而增加。

19、4结论基于Mach 2Zehnder 光纤干涉仪原理的分布式光纤管道泄漏测试技术反应灵敏,反应速度快,具有较宽的响应带宽,可以检测出压力较低、泄漏孔径较小的管道泄漏点,而且定位精度较高。现场试验表明,对于输送压力小于016M Pa 的气体管道,用该测试技术可以检测到孔径为3mm 的管道泄漏点。通过进一步的信号处理,还可以检测出孔径小于3mm 的管道泄漏点。随着管道输送压力的增加,可以检测到孔径更小的泄漏点。因此,基于Mach 2Zehnder 光纤干涉仪原理的分布式光纤管道泄漏测试技术适用于管道微小泄漏点的检测。124石油学报2006年第27卷该技术不仅可以对气体、液体输送管道的泄漏进行实时监

20、测,而且还可以对管道周围的非法施工、人为破坏(如打孔盗油以及自然灾害(如地震、洪水、泥石流以及山体滑坡等等可能造成管道泄漏的事件进行预报警。另外,管道泄漏检测分布式光纤传感技术所采用的分布式光纤微振动传感器具有电绝缘性好、安全可靠以及耐腐蚀性强等特点,在石油、化工等强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀等环境中具有更广泛的应用前景。参考文献1杨杰,王桂增.输气管道泄漏诊断技术综述J.化工自动化及仪表,2004,31(3:15.2周诗岽,吴志敏,吴明.输油管道泄漏检测技术综述J.石油工程建设,2003,29(3:610.3靳世久,王立宁,李健,等.原油管道漏点定位技术J.石油学报,1998,19(3:9

21、397.4蔡德所.光纤传感技术在大坝工程中的应用M.北京:中国水利水电出版社,2002:4749.5王惠文.光纤传感技术与应用M.北京:国防工业出版社,2001:4953.6姜建国,曹建中,高玉明.信号与系统分析基础M.北京:清华大学出版社,1994:270273.(收稿日期20050601改回日期20050907编辑黄小娟(上接第120页4结论(1在泵站可选位置确定的情况下,把工艺方案优化问题转化为最短路径问题进行求解,既便于对问题的分析,也易于求得次优工艺方案。(2针对传统数值算法易陷于局部极小等缺点,引进了杂交差分进化算法求解数学模型,并对算法做了局部改进。实际算例表明,该方法可行且收敛

22、精度高。(3编制了相应的成品油管道工艺方案优化设计软件M PPOD,可以为成品油管道的工艺方案优化设计提供辅助的决策和参考。参考文献1文继军.热油管道工艺设计方案优化D.北京:石油大学,1998.2陈娟,李允,汪玉春,等.长输原油管道设计方案优化研究J.石油学报,2005,26(1:100104,108.3吴长春,严大凡.热油管道稳态运行的两级递阶模型J.石油学报,1989,10(3:109117.4吴长春,严大凡.长输管道站间最优压头分配动态规划模型J.石油学报,1992,13(增刊:108118.5吴长春,严大凡.长输管道站内泵组合问题的启发式搜索方法J.石油学报,1992,13(增刊:120129.6Janusz Stuchly,Chris Kedge.Computer model designs Africanmulti