油气长输管道安全预警系统的开发与应用.pdf

科 技管理 油气长输管道安全预警系统的开发与应用 l _]中国石油 天然气管道通信电力工程总公司 张金权王维肖连陈军欧毅 摘要本文介绍了中国石 油天然气管道 通信电力工程总公司研制 的 一 种基 于 激 光干涉技术 的 管道安全 预警系统 ，该系统是利用与 管道同沟敷设的通信光缆作为 分布式传感器，对管道沿线 的土壤振动情况进 行 长距 离实时无缝监测，通过精确的振 动信号 分析，判断威胁管道安全的破坏事件，从而做 出准确的目标 定位，实现 对管道安全的预警。 关键词 油气管道安全预警光 纤 传感器 长输管道作为石油天然气最理想、最经济的运输方 式，已经得到 了广泛的应用。长输油气管道不可避免地 要穿越山川、河流、村庄等复杂地区，埋地管道不仅承 受着上方的工厂、工地的重压，而且要经受地震、泥石 流、山体滑坡、水流冲刷等地 质灾害的威胁和影响，有 时还会受到机械施工、打孔盗油盗 气等人为因素的破坏。 这些情况 不仅威胁管道的安全运行 ，还 可能因管道破坏 而造成严重的环境污染。 为此，管道安全监测技术也在迅速发展，常见的监测 技术 一 般是针对泄漏监测。如负压波法、质量平衡法、实 时模型法、统计决策法、压力梯度法、应力波法、声波法 等【 1 “1 。以上监测方法受工作原理 及流体特性 、输送工艺 等的限制，很难同时满足检测泄漏 灵敏度、定位准确度、 误报率等要求，而且这些方法都是事后报警。 分布式光纤传感器具有测量准确度高、不受 电磁干 扰、可实现长距离分布式传感的优点，而且由于目前国 58 石油科技论坛 2008年第4期 内建设的管道 一 般都有同沟敷设的光缆，使用光缆作为 传感器，具有可实施性强、安装简便的特点。 本文介绍了由中国石油天然 气管道通信电力工程总 公司研制的 一 种基于激光干涉技术的管道安全预警系统， 利用与管道 同沟敷设的通信光缆作为分布式传感器，对 管道沿线的土壤振动情况进行长距离实时无缝监测，通 过精确的振动信号分析，判断威胁管道安全的破坏事件， 从而做出准确的目标定位，实现对管道安全的预警，将 管道被破坏的可能性降到最低。 一 、 工 作原理 在光纤传感系统中，当传感光纤受到外界振动的影 响时，干涉仪中传输的激光的相位会受到调制，从而表 现在干涉仪的输出信号上，对干涉信号进行光 电转换、放 大以及A D采样和分析处理 ，可得到作用在光纤上的振动 信号，实现对振动的传感。 维普资讯 张金权 等油气长输管道安全预警系统的开发与应用 用于管道安全预警传感系统的结构和工作原理如下． 在与油气管道同沟敷设的光缆中选取3 根普通单模光纤， 其中两根作为Ma c h - Z e h n d e r 干涉仪的参考臂和传 感臂 ， 用于拾取振动信号 ，第三根作为传输光纤用于传输干涉 信号和激光 图 1 。 囱回 { 藤 L 垦 图 1光纤传感系统结构和原理 光源 L D发 出的激光通过一个耦 合器分成两束光 ， 其 中一束光从干涉仪左端入射 ，在干涉仪右端会合并通过 传输光纤传 回形成一路干涉 信号 ；另一束光通过 传输 光 纤从干涉仪右端输入 ，在干涉仪左端会合并形成第二路 干涉信号 ，从而组成一个双 向传输 结构的干涉仪 。两 路 干涉信号通过光 电检测 电路转换成 电信号 ， 再通过AD 转 换为数字信号 ， 使用大型计算机或高速DS P对信号进行 处理 ，并计算两路信号的时延差 ，从而可获得振动信号 及其振 动事件 发生 的准确位置 。 当土壤的振动作用在干涉仪上时 ，由于干涉仪中两 根光纤受振动影响产生的应力和应变不同，从而两路干 涉光的光程差将随振动变化，由此在干涉信号中参与干 涉的两路光中引入的相位差为△ 。因此， 干涉信号可 表示为 ， I ． c o s [ A △ ] 使用光 电探测器检测干涉信号 的光强变化 ，即可获 得光缆 管道附近土壤振动情况，分析这些振动信号 的特征，使用模式识别等方法从中提取出对管道有威胁 的信号 ，从而实现管道的安全预警。 两路 干涉信号经过光 电转换 、 放大 、 滤波后 ， 通过AD 转换进入计算机系统，在计算机 中使用互相关法对两路 信号的时延差进行计算。设干涉仪长为 L n ，两路信号的 时延差为 ，光纤中的光速 v c ／ n ，其中，c 为真空中的 光速 ， n 为光纤纤芯折射 率 ， 则振 动事件 位置到干涉仪右 端 的距离 L为 1 L--v t 2 2 n 因此，得到双向传输干涉仪的两路干涉信号的时延 差 ，从而实现对振动信号的精确定位。 二 、试验 与结论 2 0 0 6 年管道安全预警系统在西气东输管道苏一浙一 沪东桥分输站至 1 3 6 阀室之间进行了应用， 被监测的管 道长度为 3 3 ． 6 k in， 管径 1 0 1 6 mm， 沿线地处江南水网， 土质为黑色软淤泥，光缆是同沟敷设硅管光缆，埋设在 管道气流方向右上方， 硅管埋深在 1 ． 5 m左右。 该测试段 沿途经过苏州 工业 园区 ， 沿线有 多处在建厂房 、 桥梁 、 公 路和楼群等施工工地，管道多次穿越公路和河流，应用 现场环境复杂。 通过应用测试 ，对常见的破坏管道的模拟事件进行 了检测 ， 包括人为镐刨 、电钻 、 打夯等 ， 经实际测量 ， 定 位精 度为 1 3 1 ． 2 5 m， 最大横 向检 测范围 4 m。在应用期间 准确地预警了5 次破坏事件， 避免了破坏的发生 ， 保证了 管道的安全生产。 参考文献 [ 1 ]陈华波， 涂亚庆 ． 输油管道泄漏检测方法综述[ J ] ． 管道 技术与设备， 2 o o o 1 3 8 ～4 1 [ 2 ]张布悦， 王桂增， 刘吉东， 等． 输油管线泄漏检测和定位 技术综述[ J ] 、 上海海运学院学报， 2 0 0 1 ， 2 2 3 1 3 ～1 7 [ 3 ]王海生， 张布悦 ， 王桂增， 等． 输油管道实时泄漏监测系 统的设计与应用[ J ] 、 油气储运 ， 2 0 0 1 ， 2 o 1 2 1 7 ～2 2 [ 4 ]蒋仕章， 蒲家宁 ． 用动态质量平衡原理进行管道检漏的 精度分析[ J ] ． 油气储运， 2 0 0 0 ， 1 9 2 1 2 ～1 3 [ 5 ]D r Z h a n g X、S t a t i s t i c a l l e a k d e t e c t i o n i n g a s an d l i q u i d pi p el i n e s．Pi p es ＆ Pi p el i n e s、l n t e r n a t i 0 n a 1 ． 1 9 9 3 ， 3 8 4 2 6 2 9 [ 6 ]邱东强，涂亚庆、管道统计检漏法的现状及问题探讨 [ J ] ． 管道技术与设备 ， 2 0 0 2 3 1 ～2 [ 7 ]谢敬辉． 物理光学教程[ M] ． 北京 北京理工大学出版社， 2 OO5 2 0 0 8 年 第 4期 石油科技论坛 5 9 维普资讯