光纤传感及其在管道监测中应用的研究进展

（中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺 113001）

光纤传感及其在管道监测中应用的研究进展

李 明，王晓霖，吕高峰，齐先志

（中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺 113001）

管道安全关系到人类生命和财产安全，及时掌握管道结构健康状态是确保管道安全运行的重要前提。光纤传感技术的不断发展，使其在各个领域得到广泛研究与应用，特别是为管道结构的安全监测提供了技术保障。介绍了分布式光纤传感、光纤光栅传感、阵列复用传感、以及光纤智能传感的基本原理及关键技术，对其性能和特点进行了对比分析。在此基础上，阐述了各种光纤传感技术在管道监测中的具体应用，包括管道结构监测、管道泄漏监测以及管道腐蚀监测。通过对传感技术的不同应用进行比较分析，总结了各传感技术应用的特点和进一步研究发展的方向，指出光纤传感技术在管道监测方面具有的巨大优势和广泛的应用前景。

光纤传感技术；光纤传感应用；管道结构监测；管道功能监测

管道输运是现代工业和国民经济的命脉，具有运量大、连续、经济、平稳、占地少、费用低等诸多优点，被誉为五大运输方式之一。油气管道主要用于输送天然气、原油、成品油等危险介质，对国民经济和社会发展有着举足轻重的作用。由于油气管道输送介质易燃、易爆的特性且往往经过人口分布密集区，因此一旦发生事故，则会造成巨大的人员、经济损失以及环境污染。同时，随着我国能源需求的不断增加和能源结构调整，对管道安全的要求也在不断提升。因此如何保证油气管道的安全成为管道企业首要关心的问题之一。

为确保管道安全运行，《石油天然气安全规程》（AQ 2012-2007）第7.6.2条规定，应按照国家有关规定对管道进行检测，并根据检测结果和管道运行安全状况，合理确定管道检测周期。管道通常采用无损检测技术进行检测，如管体腐蚀和焊接缺陷检测、油气管道内、外检测等。尽管无损检测技术对管道结构缺陷和损伤检测起到了极其重要的作用，但无损检测技术采用的是离线检测方式，因而具有一定的应用周期而无法及时有效识别和发现管道突发性故障，更无法对管道缺陷引发的侵害提前予以识别并进行报警来防止损害发生。因此，管道安全保护仍然面临巨大挑战，特别是需要能够及时发现问题并精确定位的实时监测技术[1]。

光纤传感是随着光导纤维和光纤通信技术的发展而逐步形成的一类崭新技术，是光电技术领域最活跃的分支之一[2]。光纤传感以光为载体，光纤为媒介而感知和传输外界信号，即利用全反射原理把

光源的光送入调制器，并与外界环境因素相互作用而引起光学性质，如强度、频率、相位、偏振态等的变化，通过探测器对改变后的光信号进行解调即可获得外界物理量参数。光纤传感具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、电绝缘性好、体积小、安全可靠等诸多优点。根据光纤在传感器中的作用可以将光纤传感器分为两大类：功能型传感器，利用光纤本身的特性或功能传感；传光型传感器，光纤仅起传光作用，必须加装其他敏感元件构成传感器。

1 光纤传感技术及其研究进展

1.1 散射型分布式光纤传感[3]

分布式光纤传感技术出现于上世纪70年代末，并随着光纤工程中应用十分广泛的光时域反射（OTDR）技术的发展而得以快速发展。分布式光纤传感技术一经出现，就得到了广泛的关注和深入的研究，并且在短短的十几年里得到了飞速的发展。分布式光纤传感利用光纤的一维几何特性，把信号传输与传感媒质合二为一，从而实现几十甚至上百公里的整个光纤长度上的沿光纤几何路径分布的外部参量的全分布式测量，并获取待测量的空间分布状态和变化信息。散射型分布式光纤传感技术根据光脉冲在光纤中传输时产生的不同散射光信号而进行监测的不同可分为利用后向瑞利散射的传感技术、利用拉曼效应的分布式光纤传感技术、利用布里渊效应的分布式光纤传感技术、利用前向传输模耦合的传感技术4类。分布式光纤传感的传感和传光为同一根光纤，通过空间上测量的连续性，实现了长距离、大范围的连续长期传感。传感部分结构简单，使用方便，相比于点式传感器避免了大量分离传感元件的使用，有效降低了监测系统成本，性价比高。

1.2 干涉型分布式光纤传感[4]

干涉型分布式光纤传感技术则是利用光纤受到监测物理场参量，如温度、压力或振动等的感应，使导光相位产生延迟而改变输出光强，进而利用光波的干涉实现相位解调来获得包含在光波相位中的参数与信息。用于光相位解调的干涉结构有多种，如双光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法及环形干涉法等。相位解调通常利用光纤本身的参数实现，影响光纤中光波相位的主要因素是温度和外界应力，所以干涉式光纤传感在温度测量、应力检测、泄漏监测等诸多方面得到了广泛关注。干涉型分布式光纤传感技术动态范围大、灵敏度高、结构简单、保密性强，但由于光纤是在单模光纤构成的干涉型光纤传感器中，故存在偏振衰落问题而使得干涉效率下降。分布式光纤传感技术是当今光纤传感技术发展的一个重要趋势。为了实现快速、稳定、可靠及高精度的测量，仍需进行多方面的研究，特别是基于不同机理的分布式光纤传感系统将是光纤传感领域的研究热点。

1.3 光纤光栅传感[5]

光纤光栅传感技术近些年在国内外传感领域都受到极大关注。光纤光栅是纤芯中具有折射率周期性变化结构的光纤，因而具备光波波长选择功能。基于光纤光栅传感开发的主要产品有光纤布拉格光栅（FBG）传感器，其折射率、调制深度和光栅周期都是常数，具有结构简单、非传导性、波长编码、高灵敏度、高分辨率等诸多优点。FBG传感器的中心波长与有效折射率的数学关系表达式为：

式中λB为布拉格波长，neff为光纤传播模式的有效折射率，Λ为光栅栅距。可以看出，反射光的中心波长为λB的光信号，跟光栅栅距Λ及纤芯有效折射率neff有关，所以当外界的待测量温度和应力引起光纤光栅的折射率等参量改变时，会导致反射中心波长发生变化，从而反映出外界待测量信息的变化。目前已有的基于FBG原理的各类传感器基本都是利用待测量直接或间接改变光栅中心波长，进而实现测试的目的。

1.4 阵列复用传感[6]

阵列式复用光纤传感亦称为准分布式传感，它是利用波分复用（WDM）、空分复用（SDM）、时分复用（TDM）技术将单点光纤传感器阵列化，从而实现空间多点同/分时传感。目前光纤光栅阵列传感和基于干涉结构的阵列光纤传感系统应用较为广泛。WDM，TDM和SDM技术作为阵列复用传感的经典形式，在近些年得到了广泛研究，但WDM技术的光源带宽和布拉格波长变化范围有限，而TDM技术受到光源功率、FBG反射功率和光纤光栅复用之间的串扰限制，SDM技术则受到光源带宽利用率和功率利用率低的限制，构成了经典阵列复用的技术瓶颈。为了突破固有技术限制，通常采用组合复用方式，如波分-空分复用，波分-波分复用，空分-时分复用和波分-时分-空分复用等。尽管组合复用由于复用结构和检测系统的差异而效果不尽相同，但在一定程度上克服了各种基本复用的缺陷，实现了长距离、大范围的多点传感，因此组合阵列复用传感是大规模光纤传感的一个重要发展方向。

1.5 光纤智能化传感[7]

随着新的传感技术不断出现，特别是光纤传感、通信及计算机技术的深入发展及融合交叉，极大促进了光纤传感及相关领域的智能化发展。如使用单片机、虚拟仪器及多层次计算等实现智能化数据、

控制处理，光纤传感网络促进智能材料和智能结构的发展，光子晶体光纤促进光子晶体的发展等。目前，光纤智能化传感系统已经在智能材料、智能检测等多个新兴领域受到广泛关注。

2 光纤传感技术在管道监测中应用的研究进展

油气管线作为油气集输的重要设备，其安全运营关乎国家能源安全，一旦发生事故，不仅会造成严重的经济损失和人身伤亡，而且会产生不良的社会影响。目前，物联网的大力发展对油气管道在线实时监测的需求也日益增长。油气管线对安全及抗电磁干扰具有较高要求，因此需要相应监测所用传感技术具有安全、高效、长期的性能特点。光纤传感技术的抗电磁干扰、防水、抗腐蚀和耐久性长等独特优点，非常适合管道在线实时监测要求，因此光纤传感技术在油气管道工程监测中有着很好的应用前景。管道光纤监测系统通常由光纤传感器系统、信号传输与采集系统、数据处理与监测系统三部分构成，监测内容分为管道应变和曲率等结构监测以及分布式温度、泄漏和管线损坏等功能监测[8]。

2.1 管道应变/变形监测

管道，特别是长输油气管道经常会通过地层条件复杂、地质灾害频发以及冻土等特殊地质区域。地质灾害和特殊的地质结构会导致地下管线发生故障、损坏、泄漏等各类安全事故。因此，有必要对管道进行结构监测来识别管线运营过程中的不稳定因素[9]。

2.1.1 分布式光纤管道监测

分布式光纤管道监测技术采用光缆作为传感和信号传输元件，当有外界因素对光缆和管道产生作用时，会引起光纤产生一定的应变，从而导致光缆长度和纤芯折射率发生变化。当光缆中有光通过时，则会使得光信号相位等参数发生变化；传感光缆把这种相位变化信息传输至信号处理中心并进行处理，得到传感光缆周围的外界作用变化和作用点，从而对外界作用事件进行监控。分布式光纤管道监测技术属于长距离、低灵敏度的静态监测，因此对了解管道结构性能的整体变化趋势较为适用。日本ANDO公司研制开发了基于BOTDR技术的光纤应变/损耗分析仪，该分析仪对光纤沿线应变信息可达到最长80 km的有效检测，测量精度和空间分辨率可达到±0.003%和1 m；加拿大OZ公司的Foresight TM传感器系统可在50 km测量范围内达到±2με和±0.1 ℃的应变和温度测量精度，同时空间分辨率可达到10 cm[10]。分布式光纤管道监测系统通常都可以对管道应变和温度同时进行测量，进而实现管道变形状况的实时连续监测。

2.1.2 准分布式光纤光栅管道监测

准分布式光纤光栅管道监测适用于对管道局部测点的高精度测量，它是利用FBG传感器并结合各类阵列复用技术，即在同一根光纤上复用多个FBG传感器，进而对监测管道的局部关键部位，如焊缝、弯头、阀门等的局部点应力实施精确测量。英国Smart Fibers公司开发了具有4通道且每通道最多可安装40个传感器的光纤光栅传感网络分析仪，可用于监测变化很慢的应力、温度和压力[10]。

2.2 管道泄漏监测

管道受到外界破坏或腐蚀穿孔引发泄漏时，不仅会浪费资源、污染环境，还易引起火灾、爆炸等次生灾害。因此，及时发现管道泄漏并对其准确定位对管道安全具有重大意义。

2.2.1 基于分布式光纤传感的管道泄漏传感

分布式光纤传感技术中的瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射均是基于后向散射原理。由于光纤中的吸收损耗，瑞利散射的回波是一个沿传输距离均匀衰减的曲线，也就是在光速不变的情况下传输距离与时间成正比，但其散射波长不会发生变化；而布里源散射和拉曼散射属于非弹性散射，其反射波长均会改变。布里渊散射的波长变化主要受到光纤外界温度场、应力场等影响，而拉曼散射的强度变化主要由光纤外界温度场决定。Daniele Inaudi等开发了基于布里渊散射和拉曼散射的分布式光纤管道泄漏监测系统，该系统可以监测30 km范围内流量10～1 000 L/h的泄漏，监测空间分辨率达到1 m[11]。

2.2.2 基于光纤光栅传感的管道泄漏传感

基于FBG的光纤泄漏监测技术一般采用阵列复用的准分布式传感器系统，同时在各光栅间的光纤上覆有对输送介质敏感的物质。当泄漏发生时，输送介质与外覆的物质发生作用而引起光纤输出光强的降低，带动光纤光栅在轴向方向产生应变，进而改变光纤光栅的反射波长，通过观察反射波长的漂移量来探知管道泄漏并确定泄露情况。由于FBG传感器自身波长调制特性，其抗干扰能力和信噪比优异，对管道泄漏的单点检测和多点检测方面均具有明显优势，因而多用于对管道局部敏感危险点的实时在线监控。程书春等基于FBG传感制作了漏油传感器，实验中传感器响应时间小于3 min，可以快速检测管道漏油情况[11]。

2.2.3 基于光纤干涉传感的管道泄漏监测

光纤干涉传感技术是基于光纤受到外界参量的作用而使导光相位发生延迟，进而导致输出光强变化来测知外界参量变化的原理。光纤干涉传感动态范围大、灵敏度高，可实现管道小泄漏监测。澳大

利亚FFT公司开发了基于模态分布调制干涉技术的分布式光纤管道安全防御系统，可用来检测管道泄漏、挖掘、机械施工等外界事件，泄漏监测可达到60 km管段±50 m的定位精度[11]。国内何存富等开发了可同时对多条管道实施检测的光纤泄漏监测传感器，系统对泄漏定位精度较高，定位误差小于0.54%[12]；靳世久等开发了基于Mach-Zehnder光纤干涉的分布式光纤管道泄漏监测系统，该系统采用5根光纤传感，可达到50 km范围内120 m的定位精度[13]。

2.2.4 基于光纤消逝场的管道泄漏监测

光在光纤中以全反射的形式传播时将大部分能量向前递送，但有一部份能量会渗透到低折射率的光纤外包层中，并随到光纤外包层和芯层界面距离增大而呈指数衰减，进而形成一能量场称为消逝场[14]。光纤外包层通常采用非吸收介质，因而不会引起光纤传输能量的变化。当采用吸收介质作为光纤外包层材料时，由于消逝场引起能量吸收而降低了输送能量，即光纤输出光强减少，因此，通过采集光纤输出光强的大小就可以反推被测物的具体测量信息。德国J. Buerck等开发了基于光纤消逝场的分布式光纤泄漏监测系统，该系统在1 km的传感长度内可达到1～5 m的空间分辨率[15]。基于光纤消逝场技术的光纤管道泄漏监测传感器属于强度调制型光纤传感器，对普通光纤进行外包层处理后即可应用于消逝场光纤传感，但成本相对较高。

2.3 腐蚀缺陷监测

腐蚀发生的比例占管道腐蚀泄漏事故的80%以上。限于技术及腐蚀、环境等因素，管线腐蚀失效导致安全事故往往是由于未能对腐蚀失效给予实时检测或监测。由于管线腐蚀具有隐蔽性和渐变型，使得管道失效具有突发性，通常管道内部腐蚀缺陷带来的失效是最难监测与控制的。从力学角度分析，管道内部腐蚀缺陷的产生、发展和失效会伴随着管线外壁表面微应变的变化。由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，而应变极值位置出现在缺陷中心附近，并且以周向应变为主。李娜等针对油气管线腐蚀的FBG应变监测进行了研究，通过对管道表面微应变的实时监测，来获取管道腐蚀的状况[16]。利用FBG对管道表面微应变进行实时监测、数据管理和安全评估，及时对评价管道的使用情况，进而有计划的对管道进行维修和更换管理，降低管道事故发生率，使其成为管道安全运行的重要保障。目前基于FBG的管道腐蚀缺陷监测还基本处于实验室阶段，尚有诸多技术困难需要解决，如传感器输出量与金属腐蚀程度之间的定量关系，不同类型腐蚀缺陷尺寸、外界环境（压力、温度）与管道微应变的函数关系确立，建立分析算法对FBG实时监测数据给予分析等。随着传感器技术的广泛需求和不断进步，光纤FBG传感器必将在管道腐蚀监测领域得到更大范围的发展与应用。

3 结束语

光纤传感技术利用光纤进行信号传输，具有传输损耗小、稳定性高、频带宽和可集成性好的特点，特别是其应用于管道监测可实现分布式的实时在线监控和远距离传输，并且测量精度高、信号衰减小、安全可靠。光纤传感技术由于其诸多优点，受到国内外的重点关注并被投入越来越多的研究。国内光纤传感技术由于起步较晚，相关研究多处于试验阶段。可以预见，随着研究的深入，光纤传感技术将会得到越来越广泛的应用，特别是会越来越多地应用到管道检测行业中，为管道运输的安全提供可靠的保障。

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Development and Application of Optical Fiber Sensing Technology in Pipeline Monitoring

LI Ming，WANG Xiao-lin，LV Gao-feng，QI Xian-zhi
（Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001，China）

Pipeline security is related to the human life and property, and monitoring the state of pipeline structural health in real time and on-line is the precondition to ensure pipeline security. Optical fiber sensing technology has been developed and applied in various fields, which provides excellent technical support for pipeline security monitoring. In this paper, the principle and key technology of the distributed fiber sensing system, fiber grating sensor, arrayed fiber sensing system, and fiber sensor with the intelligence structure were introduced, and their performances and features were further analyzed. Application of optical fiber sensing technologies in pipeline structure safety monitoring was presented and analyzed thoroughly, including pipeline structural monitoring, pipeline leakage detection, and pipeline internal corrosion monitoring. Research achievements of each technology were illustrated. Merits and defects of these technologies were described, and development trend of these technologies was proposed. It’s pointed out that using optical fiber sensing technologies to monitor pipeline security has bright prospect and many advantages.

Optical fiber sensing technology; Optical fiber sensing application; Pipeline structure monitoring; pipeline function monitoring

TE 88；TP 212

： A

： 1671-0460（2014）01-0054-04

2013-11-12

李明（1982-），男，新疆昌吉人，工程师，博士，2012年毕业于中国石油大学（华东）材料学专业，研究方向：金属腐蚀检测与防护。E-mail：upclmm@126.com，电话：024-56389865。