输油管道泄漏分布式光纤在线监测

1 概述

管道是油气输送的主要方式，具有运量大、不受气候和地面其他因素限制、可连续作业以及成本低等优点，油气管道也被称为“能源血脉”。随着我国能源工业的发展，尤其是石油、天然气消费速度的增长，管道工程建设迅猛发展，管道输送也成为第五大运输业。我国现有70%的石油和99%的天然气是通过管道运输的，长输干线管道已经达到8万公里，海上油气管道近5千公里。随着中亚诸国和俄罗斯、缅甸、卡塔尔、伊朗、澳大利亚等境外油气资源的落实，未来几年将集中建设一批跨国管道，到“十二五”规划期末全国长输油气管道总里程将超过10万公里。

油气管道距离长、且多埋藏于地下，地质环境复杂；并且在用油气管道中有相当部分服役时间超过20年，东部部分管网甚至超过30年，已步入事故高发期。油气管道长期服役后会因腐蚀、地形沉降、管材及施工质量、机械施工及人为破坏等原因发生失效事故，特别是近些年因恶意打孔盗油（气）和非法施工造成的管道安全事故常有发生；另外，如地质塌陷、滑坡、泥石流等地质灾害所造成的安全事故亦时有报道。

近年来，随着我国长输管道的迅猛发展，因打孔盗油、非法施工等第三方破坏事件，以及如地质塌陷、滑坡、泥石流等地质灾害所造成的安全事故时有发生，石油和天然气本身的性质决定了它们一旦被破坏，不仅会造成资源损失和环境污染，甚至会产生火灾、爆炸，产生巨大的经济损失，更会破坏周围环境和周边人身安全。为此急需采用高科技的手段，及时、准确地测出管道安全状态变化，实现对输油管道进行实时在线监测尤显重要。保护油气管道安全绝不仅仅是保护管道企业的利益，更重要的，它保障的是广大人民群众的正常生活和公共安全，保障的是国家的经济安全和社会稳定，维护管道安全任重道远。

2 目前现状

管道在国民经济中的地位越重要管道的安全运行越受重视。对管道泄漏检测方法的研究已有几十年的历史，但由于检测的复杂性如管道输送介质的多样性管道所处的环境（如地上、管沟、埋地、海底）的多样性，以及泄漏形式的多样性（渗漏、穿孔、断裂等），使得目前还没有一种通用的方法解决管道泄漏探测问题。在实际应用中，某一种泄漏检测方法或一个检漏装置不能同时满足所有要求，常常将几种方法综合实用。

管道泄漏监测主要是对管道从不漏到突然发生泄漏的过程的监测,一般是采用固定的装置对管道进行实时监测,一旦发生泄漏立即报警,使有关人员能够进行及时处理。人工例行巡检、负压波以及可燃气体监测是天然气输送管道监测的常用方法。目前，传统的监测方法如人工巡视、负压波等方法已经不能适应分布地域广、环境复杂程度和破坏前报警的要求，亟需一种工程造价低且能适应大范围监测要求的分布式传感监测系统。由于管道长度长达几百公里，传统的电测式传感器需要沿管线布设几千只传感器，从布点连线到数据采集不仅复杂且成本高，并且受到布点数量的限制，无法全面反映管道的结构和功能情况。现在国内外应用于管线工程监测的技术和方法正在从传统的点式仪器监测向分布式、自动化、高精度和远程监测的方向发展。

分布式光纤传感技术是一种新兴的传感技术，它直接以管道同沟敷设的通讯光缆作为传感器，其充分利用光纤空间连续分布的特点，“传”、“感”合一，可实现沿光纤分布任一点的物理参量信息，具有测量信息丰富、可精确定位等优点。而且，光纤传感技术是以光波为载体，光纤为媒质，与传统电学传感器相比，光纤传感器具有测量精度高、抗电磁干扰、本质安全、小巧轻柔、适合远程传输等优点，尤其适合在电力、石化、交通、桥梁、大坝等领域应用。以下是管道泄漏监测技术的对比情况。

将探测光缆沿管道同沟或者并行敷设，可实现管道沿线的温度、泄漏等异常状况实时监测，具有测量距离远、连续分布式测量、可精确定位、安装简单、安全可靠、扩展性强等优点，对管道不会产生任何破坏或影响其正常生产，对已经稳定的和新发生的泄漏都可以进行识别，尤其适合管道在线监测应用。

3 系统设计目标

基于业界最先进的分布式光纤传感技术，将感温光缆沿输气管道同沟或者并行敷设，实时监测管道周围的温度分布情况，当输气管道局部出现温度异常时分布式光纤传感监测系统能及时捕获这些异常，并在温度曲线显示出来，并定位出异常点的位置信息，便于管道维护人员及时检修与处理，避免重大事故发生。设计目标包括：

Ø 实时在线的温度分布式监测；

Ø 清楚指示温度异常点的位置信息；

Ø 提供管道泄漏的早期探测。

4 系统总体设计方案

4.1 设计规范

l 《火灾自动报警系统设计规范》 GB50116-98

l 《火灾自动报警系统施工及验收规范》GB50166-2007

l 《火灾自动报警控制器通用技术条件》（GBJ4717-93）

l 《石油化工企业生产装置电信设计规范》SHJ30-28（2007年版）

l 《线型光纤感温火灾探测器》GB/T21197-2007

l 《火灾报警探测器》GB4717-2005

l 《消防联动控制系统》GB16806-2006

l 《光缆线路自动监测系统工程设计规范》YD/T5066-2005

l 《长途通信光缆线路工程设计规范》YD5102-2005

l 《通信设备安装工程工艺施工监理规范》YD5125-2011

4.2 管道泄漏分布式光纤监测方案

4.2.1 管道泄漏监测原理

管道出现泄漏后，泄漏点附近的温度会出现变化，利用BOTDA的分布式温度测量功能可实现管道泄漏在线监测与定位。

对于埋地油气输送管道，管线正常运行时沿线的温度场分布均匀；当管壁因破损、接头断裂等原因发生泄漏时，泄漏处的温度将发生变化。对于原油管道，需加热输送，泄漏处的温度将升高；对于天然气管道，由于焦耳-汤姆逊效应，天然气经过泄漏孔节流膨胀，节流膨胀过程前后的焓不变，在泄漏孔出口出现温度下降，如下图所示。管道沿线敷设的测温光纤传感器能及时捕获这些温度异常，并在温度分布曲线上实时显示出来，通过智能化的报警算法以及图形化的专业分析软件，可以实时自动报警，并精确定位异常点的位置信息。

管道泄漏对周围温度影响示意图

4.2.2 输油管道泄漏监测方案

布里渊型分布式光纤测温系统BOTDA是一种超长距离监测设备。本项目设置1台4通道的BOTDA主机，主机放置于联合站内，通道1监测联合站至转油站1之间的输油管道（长度约63公里），通道2监测联合站至转油站2之间的输油管道（长度约18公里），另外两个通道备用。设备设置如下图所示：

输油管道泄漏分布式光纤在线监测系统示意图

4.2.3 感温光缆安装方式

  温度探测光缆沿管道方向平行敷设。温度探测光缆直接采用与管道同沟敷设的通信光缆（建议光缆位于管道上方0.1~0.2m处，以达到理想的监测效果）。

Ø 为获得较好的测温效果，管道上方回填沙层厚度建议大于0.1米，测温光缆沿管道方向平行敷设；

Ø 管道铺设时会出现分段铺设的情况，这就导致出现光缆需要熔接的情况，光缆熔接后采用光缆接续盒接续保护。

4.2.4 方案特点与技术优势

基于国际最先进的布里渊型分布式光纤测温技术BOTDA的长输管道泄漏在线监测，技术方案先进，在远端60公里处仍可实现±1.5℃的测温精度；感温光缆采用普通单模通信光纤，光缆内冗余的光纤可作为光纤通信路由用，利用设备自带的软件即可实现全程温度监测，无需额外的组网方案。

1）连续分布式测量

    分布式光纤传感器是真正的分布式测量，可以连续得到沿着测温光缆几十公里的测量信息，误报和漏报率大大降低。同时实现实时监测。

2) 本征安全，防雷

    光纤本身是由石英材料组成的，完全的电绝缘，传感器不产生静电，可以抵抗高电压和高电流的冲击。

3) 抗电磁干扰

    光纤传感器的信号是以光纤为媒介、光信号为载体，抗电磁干扰，本征安全，，在高电磁环境中可以正常的工作。

4) 测量可靠，安装简单

光纤本身即为传感器，传”、“感”合一，安装简单；由于无需安装额外的传感元件，传感光缆中间没有熔接点，可靠性高。

5 ) 测量距离远，适于远程监控

    光纤的两个突出优点就是传输数据量大和损耗小，在无需中继的情况下，可以实现几十公里的远程监测。

6) 寿命长，成本低，系统简单

    光纤的材料为石英玻璃，其具有不腐蚀、耐火、耐水及寿命长的特性，通常可以服役30年。综合考虑传感器的自身成本以及以后的维护费用，使用光纤传感器可以大大降低整个工程的最终经营成本。

5 产品介绍

5.1 布里渊型分布式光纤测温系统

布里渊型分布式光纤传感器可同时实现温度与应变测量，其采用普通单模通信光纤为传感器，且测量距离达数十公里，远高于其它类型的分布式光纤传感器，是目前最具应用前景的光纤传感器之一。

采用国际上最新一代的布里渊型分布式光纤传感技术，可实现长达60km的温度和应变连续分布式测量。该系统采用标准的通信单模光纤，信息感知与信号传输于一体，可实时监测沿光纤分布式的温度和应变细微变化，并且精确定位事件位置，在海底光电复合缆、电力架空线、长输油气管道、大坝、桥梁等领域具有重要应用。

该系统的测量原理为布里渊光时域分析BOTDA技术，综合利用了受激布里渊散射效应（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）、光时域反射技术原理。受激布里渊散射是光纤的固有物理特性，是是光波和声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射效应。BOTDA技术是从光纤的两端分别注入脉冲光信号（泵浦激光）和连续光信号（探测激光），当脉冲光与连续光的频率差与光纤中某个区间的布里渊频移相等时，该区域就会发生受激布里渊放大效应，两束光之间发生能量转移。根据光纤布里渊频移与光纤应变、温度之间的关系，对两激光的频率进行连续的调节，监测从光纤一端耦合出来的连续光功率可以确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，从而得到温度、应变信息，实现分布式测量。

系统技术原理

5.1.1 测量主机

测量主机是分布式光纤测温系统的核心。我司的BOTDA基于专利技术设计，集光电、硬件、计算机和信息处理等高新技术于一体，技术指标国际先进；同时由于采用光信号为载体，不受电磁干扰，本质安全，使用寿命长，适于恶劣环境下工作。

BOTDA测量主机

  我司的布里渊光时域分析仪BOTDA监测系统具有如下技术优势：

l 快速性

系统测温、定位速度非常高。为了提高测量时间，浙江中欣采用了高速微弱信号处理技术优势，单次测量时间最短为60s（70km测量距离），响应速度快。

l 测量距离长

布里渊分布式光纤监测系统最长测量距离可达70km，监测范围广，可实现监测范围内的全方位监测。

l 分布特性

分布式光纤监测系统可提供连续动态监测长达70公里范围内每隔0.5米各点的温度变化信号，可任意设置各级报警值。

l 先进性

该系统在世界上目前性能指标优异、功能性强、可靠性高、技术最先进的分布式光纤监测产品。关键器件优选国外进口高性能器件，核心算法经过严格测试。

l 灵活性

系统为实时在线监测方式，可以根据环境不同进行报警点温度参数设定；具有差定温多种报警方式，并且报警参数可按客户需求进行分区设置，报警方式灵活。

l 兼容性

系统主机为开放通信协议，提供与工作站联接的通信接口，在中央控制室防灾报警工作站以汉化的图文方式显示温度曲线、报警位置、报警温度等全部信息；系统可以通过RS232、RS485、内置继电器、RJ45或其它工业协议等输出形式与PC、报警系统等其它控制设备进行连动信号输出准确、完整。

l 安全性

探测光缆本征安全，采用光信号，不受电磁干扰。

如果光纤受损，BOTDA系统可以即时定位受损点，并通过光纤熔接机对其进行熔接，这对于有效的实施在线监测时非常重要的。

5.1.2 用户软件

浙江中欣提供界面友好、操作简单的分布式光纤温度、应变监测应用软件。该软件主要包括：温度监测、应变监测、事件报警、数据分析、可视化显示等功能模块。

l 温度曲线显示

系统可以显示实时整个光缆的温度、应变分布曲线，当某处温度或者应变异常的时候通过曲线可以显示该处实时信息。

分布式温度/应变显示曲线

l 历史温度统计

提供历史温度/应变数据统计分析功能，提供温度变化趋势，包括：（1）某时刻光缆不同位置的温度/应变分布曲线；（2）某时段光缆某点的温度/应变变化曲线。

单点历史数据变化曲线

l 事件报警

提供定值、变化速率、区域尖峰等多种灵活的报警方式，报警参数可以分级、分区域设置。当测量数值超过阈值时，系统会自动发出声音、LED指示灯、文字、图像等报警信号。如可设定多级报警阈值（如30℃初报警，40℃预报警，50℃采取措施等），并且可根据环境不同进行修正。

分区/分级事件报警设置

l 可视化界面

提供形象的可视化显示界面，通过图形组态模块将光纤位置映射到图像上，一旦光纤某点发生泄漏，报警信息直接显示在图像上，形象直观。

用户软件可视化界面

5.1.3 系统性能

5.2 感温光缆

光纤由石英玻璃拉制而成，通过各种封装形成各种特性的光缆。光缆既是信号传输介质，又是温度感测元件。考虑到现场的恶劣环境，感温探测光缆应具备良好的抗啮咬、抗震特性。所以感温探测光缆应具备坚固的护套，提供良好的防护特性，但同时感温探测光缆也应该提供良好的温度传导性能，以保证快速的火灾探测。

探测光缆结构示意图

探测光缆技术指标：

Ø 光纤规格：      普通单模通信光纤

Ø 光缆结构：       PBT管充油膏+钢带纵包+钢丝加强+护套

Ø 最小弯曲半径：  静态10D；动态20D

Ø 拉伸强度：   短期最大3000N；长期最大1000N

Ø 抗压强度：      短期最大3000N/100mm；长期最大1000N/100mm

Ø 工作温度范围：  -40℃到+70℃（短期120℃）

Ø 光缆工作寿命： 大于30年

Ø 防冲击、反复弯曲、扭转、曲绕、弯折、卷绕、渗水性能等均符合IEC794-1标准。

6 设备清单

注：供货周期为合同签订后2个月。