基于光纤传感油气管道安全监测评价系统研究

陈雅楠　曹宏远等

摘 要：管道腐蚀缺陷一直是困扰着安全生产重要隐患，因此有必要对管线进行安全监测。该研究以实现智能化评估管线安全状态为目的，利用分布式光纤光栅，对由于管道内部腐蚀缺陷引起的表面应变进行了监测。并结合管壁应力场分布特性，建立起了一套实时在线的含缺陷管道光纤光栅监测评估系统，结合开发监测系统软件可有效地评价含缺陷管道的实时的受力状态和安全运行状况。

关键词：管道缺陷 光纤光栅 实时在线监测系统 安全评估 监测软件

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（a）-00-02

传统的监测技术在实际应用中常常要对管线进行全线普查并综合运用多种技术手段进行完整性评估，需要耗费大量的人力、物力及时间成本。限于技术原因及腐蚀、环境因素，管线失效导致的安全责任事故往往由于不能实时检测或监测引发的。而目前的沿线日常巡检方式过于粗犷，无法对问题管段的情况精确监测，也不可能以人力长期实时监测。

针对传统方法中的缺点，本研究建立一种保障油气运输管道安全，且符合实际生产需要的新型监测技术体系，通过对管道表面微应变的实时监测、数据管理和安全评估，及时对管道的使用情况进行评价，进而降低管道事故发生率，便于有计划的对管道進行维修和更换管理，使其成为油气管道安全运行的重要保障。

此方法具有对目的管道实时在线监测，软件界面操作简单，除定期维护外无需人工作业，软件对监测结果直接进行评价，将监测与评价有效的结合在一起。尤其在一些易产生问题又不方便经常进行人工检测的管线重点部位，有着显著的优越性，弥补了传统方法的不足，从而能够节省大量人力、物力和时间，取得更高经济效益。

1 光纤光栅监测适用性研究

本研究中采用光纤光栅作为本安型传感器。光纤光栅传感器（Fiber Bragg Grating Sensor）属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。它可以直接贴装在被监测管线的表面，长时间持续不断对管线表面应变进行准确测量。监测得到的结果可直接评价，得到管道的当前受力状况和剩余强度。

1.1 传感器的布设研究

根据缺陷部位管壁受影响的应力场范围，可以确定内部缺陷对管壁应力应变影响范围，约是管道壁厚的6倍；应变极值位置出现在缺陷中心附近；应变以周向应变为主。[1-2]

1.2 传感器的温度补偿

2 管道安全监测系统研制

管道安全监测系统是针对管道腐蚀失效的影响，一套适用于油气管道的新型实时在线监测技术。具有独立、自动化的特点。

2.1 监测系统框架

2.2 系统硬件设计与实现

光纤光栅管道安全监测系统硬件是采用了分布式光纤光栅传感技术研制而成的传感网络系统，由于其与光纤光栅阵列与波分、空分和时分复用技术紧密结合，使得该类系统测量的传感点数大大增加，它是一种光纤光栅传感复用解调装置，适用于由多只光纤布拉格光栅组成的传感阵列的复用信号解调系统，具有较高的调谐精度和测量精度。工作系统如图5所示。

硬件除去作为感知元件的光纤光栅传感器，全部设计集成在工控机当中，工控机如图6所示。该部分根据石油及天然气管线运行所需遵守的行业规范进行设计，主要由宽带光源、光纤光栅调谐装置、光电转换、控制电路、等几部分组成。其作用是给传感器提供光源，传感器感知管道应变影响将光波衍射为不同波长，经过内部的解调仪等装置，将光信号转换为电信号。

本传感系统的光纤光栅可以分为8路。每一路可串接的光纤光栅个数由系统扫描波长范围和每一个光纤光栅的工作范围决定。当取每一个光纤光栅的工作波长范围为2 nm时，系统最大可测量的点数为：16 nm/2 nm×8路=64个（最大可测点数可根据实际需要增加分路）。工控机除了提供光源，控制采集扫描频率及信号解调转换，还兼有计算机主机功能，可以及时对采集到的数据进行存储、分析或导出。

3 监测软件设计与实现

3.1 通讯模块

通讯模块主要功能是完成计算机与微处理器之间的通讯功能。在本系统中，计算机与微处理器之间是通过串行接口进行通讯的。系统软件可以控制步进电机的动作，包括前进、后退、归零等。还可以控制光开关，切换不同的通道。同时，计算机还通过串行口接收来自微处理器的光电转换

数据。

3.2 数据分析模块

该模块对于由微处理器传送过来的不同波长处的光功率信号（电压）进行分析，得出对应传感光栅的中心波长，计算其波长漂移，进而得出对应温度或应变的漂移。其中，最关键的是中心波长的获取。

3.3 软件功能模块

此模块提供用户可视化软件界面，它通过数据分析模块可以获得核心数据信息，即传感器测量的应变值，用户通过界面可以得到所有在监测点的数据和监测系统状态，为是观测人员直观的监测管线状态，系统开发设计了多种数据监测控件，控件的运用使软件不仅仅能显示监测数据，还能反应管线应力的变化趋势，满足用户的最终需求。图7为监测软件的部分界面。

4 结语

该文介绍了一种智能实时在线管道安全监测技术。提出了适用于管道体积型缺陷光纤光栅监测方案。本课题创新点如下。

（1）研究了光纤光栅适用于含体积型缺陷管道安全监测的方案，排除环境温度的干扰因素是监测结果更加准确。

（2）集成光源、光开关、解调设备等硬件于一体，连同主机合成一台工控机，方便移动存放。

（3）开发了监测系统软件，方便进行人机交互，可以通过不同功能界面实现监测者需求，并且系统软件可以直接作出管道安全性评估，弥补了传统评价过程复杂、耗费过多的缺点，节省大量人力物力。

参考文献

[1] 江宏，崔何亮.分布式光纤传感技术在管线检测中应用[Z].欧美大地仪器设备中国有限公司.

[2] 王禹钦，王维斌，冯庆善.腐蚀管道的剩余强度评价[J].腐蚀与防护，2008，29（1）：28-31.

[3] 黄波，周荫清，谭立英，等.温度及应力变化对光纤光栅布喇格波长的影响[J].光纤与电缆及其应用技术，2001，3（3）：23-24.

[4] ASME B31G-2009 Manual for Determining theRemainingStrength of Corroded Pipelines[S].The American Society Of Mechanical Engineers，2009.

[5] 赵新伟，罗金恒，路民旭，等.SY-T 6477-2000，含缺陷油气输送管道剩余强度评价方法第1部分：体积型缺陷[S].国家石油和化学工业局，2000.