成果推介丨基于分布式光纖傳感技術(shù)的管道完整性監(jiān)測系統(tǒng)
發(fā)布日期：2023-01-29 瀏覽量：5850
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【成果介紹】管道運輸由于內(nèi)部腐蝕、外部環(huán)境、管材和施工等原因，易發(fā)生管道失效甚至引發(fā)爆炸事故，嚴重威脅國家經(jīng)濟和人民財產(chǎn)安全。現(xiàn)有管道安全檢測技術(shù)主要是針對已鋪設管道加裝傳感器定期巡檢排查，無法做到管道在線自檢且實施成本極高。因此，亟需構(gòu)建一套管道安全完整性監(jiān)測終端系統(tǒng)，實時在線監(jiān)測管道運營狀態(tài)，實現(xiàn)全天候、分布式、高靈敏度、長距離的油氣管道健康監(jiān)測。
本技術(shù)研發(fā)的光纖分布式聲波傳感系統(tǒng)（DAS）可以連續(xù)記錄長距離光纖沿線的聲波信號，是一款世界領(lǐng)先的分布式聲波傳感系統(tǒng)。由于瑞利散射效應，入射進傳感光纖中的部分背向散射光會沿原傳播路徑返回，當光纖沿線周圍環(huán)境發(fā)生微小變化時，散射光的特征也會受到調(diào)制。通過記錄時間域散射光信號的變化，可實現(xiàn)對光纖沿線聲波信號的測量。本系統(tǒng)基于高精度相干解調(diào)算法，將分布式聲波傳感系統(tǒng)的探測能力優(yōu)化至皮應變級，響應帶寬涵蓋次聲到超聲，可應用管道安全和周界安防等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)管道監(jiān)測技術(shù)相比，具有全天候、低成本、多參量、高響應、長距離在線管道監(jiān)測等突出先進性。
圖：光纖分布式聲波傳感系統(tǒng)
【應用解析】
1、管道腐蝕監(jiān)測
目前常用的管道腐蝕檢測技術(shù)主要包括漏磁法，超聲波法，聲發(fā)射法和熱像顯示法等，這類檢測方法往往需要開挖管道，且檢測周期較長，影響管道的正常運營。基于光纖感知的管道損傷監(jiān)測技術(shù)，當管道出現(xiàn)損傷時，作用于管道的傳輸聲波其特征將發(fā)生變化，因此通過聽聲的方式可獲得管道損傷的指紋信息。
圖1光纖分布式聲波傳感的管道腐蝕損傷在線監(jiān)測示意圖
目前單臺監(jiān)測主機能夠支持50 km的傳感光纖（對應管道長度與光纖布設方式有關(guān)），管道腐蝕損傷總體識別準確率為96.92 %，可實現(xiàn)對管道最小損傷等級（0.48 %）的精準識別。
2、管道泄漏監(jiān)測
由于管道的老化腐蝕，地質(zhì)災害、管壓波動及第三方破壞等影響，使得管道泄漏時有發(fā)生。當泄露事件發(fā)生時，管內(nèi)外壓差通過泄露口釋放，向外輻射能量進而產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。聲發(fā)射形成的振動波將會沿著管壁向兩側(cè)傳播，通過捕捉并分析泄露引起的聲發(fā)射信號特征可獲得泄露事件的具體信息及實現(xiàn)泄漏點定位。將DAS系統(tǒng)應用在管道泄漏事件的監(jiān)測中，則可以實現(xiàn)分布式、全天候的管道泄漏事件監(jiān)測預警，降低管道泄漏事故帶來的損失。此外，本系統(tǒng)結(jié)合泄漏信號能量特征及數(shù)據(jù)處理算法，可實現(xiàn)泄漏口徑的精準預測。
圖2光纖分布式聲波傳感的管道泄漏監(jiān)測示意圖
3、管道流量監(jiān)測
流量是反映管道狀況的一個重要指標，它是控制、分配和調(diào)度的眼睛，亦是安全監(jiān)測和經(jīng)濟核算的必備工具。非侵入式、無創(chuàng)傷管道流速監(jiān)測是實現(xiàn)輸油管線可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。本系統(tǒng)通過監(jiān)測流體經(jīng)過管道時引起的管道振動，可實現(xiàn)對管道內(nèi)流量信息的精確感知。與商用加速器測量結(jié)果相比，本系統(tǒng)具有更好、更穩(wěn)定的流量測量結(jié)果。此外，將所提出的非侵入式、無創(chuàng)傷管道流速監(jiān)測技術(shù)已成功應用于現(xiàn)場測試，顯示出巨大的工程應用潛力，特別是在長距離管網(wǎng)中。
圖3 管道流速監(jiān)測系統(tǒng)及現(xiàn)場實驗圖
4、管道外破事件監(jiān)測
此外，隨著城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)建設進入大發(fā)展時期，縱橫交錯的燃氣管道運行正承受著越來越多第三方施工所帶來的風險。第三方施工破壞燃氣管道事件時有發(fā)生，輕則影響管道正常供氣，重則危害人民群眾的生命財產(chǎn)安全?；贒AS的管道外破預警系統(tǒng)，只需利用與管線同溝敷設通信光纜的其中一根纖芯作為傳感器，通過監(jiān)測傳輸信號變化即可監(jiān)測光纖沿途的振動信號，由此可實現(xiàn)管道沿線破壞行為的7*24小時不間斷實時監(jiān)控。此外，在實現(xiàn)物理參量監(jiān)測的同時不影響通訊信號傳輸。
圖4 管道外破監(jiān)測系統(tǒng)及事件識別結(jié)果
【技術(shù)指標】
（1）測量過程不需要清空管道，光纖系統(tǒng)可長期可靠工作，降低管道巡檢成本50%以上；
（2）可實現(xiàn)管道運輸過程中的全天候在線監(jiān)測，避免定期巡檢方式中在空間和時間上的盲區(qū)；
（3）連續(xù)監(jiān)測距離可達 50 km以上，比超聲監(jiān)測等方法（最長300 m）的探測效率提升近百倍；
（4）可在不影響管道運營情況下，實現(xiàn)管道腐蝕、泄漏、流速、第三方破壞的實時在線監(jiān)測，并對管道潛在危險進行追蹤和事故預警。
光纖分布式聲波傳感系統(tǒng)性能指標
【市場前景】
2025年我國油氣長輸管道里程數(shù)將達到24萬公里，保障油氣管道安全運營對國民經(jīng)濟發(fā)展起著重要作用。目前，油氣管道在運營期間面臨各種威脅事件，而目前的監(jiān)測手段往往低效且影響油氣輸送，且維護成本高。本系統(tǒng)所提出的基于分布式光纖傳感的管道完整性監(jiān)測系統(tǒng)，有望在未來大幅提升能源利用率。
【知識產(chǎn)權(quán)】
該技術(shù)已申請多項中國發(fā)明專利，下表是部分展示：
