基于BOTDA的分布式输油管线监测技术研究

贾振安+张童+刘颖刚+尉婷+徐成

摘 要 为了进一步提高输油管线的监测技术，满足小规模、高精度的泄露监测要求，文章基于布里渊光时域分析（BOTDA）原理，构建了局部应变的模拟实验系统。利用以原油敏感材料为基底的应变传感光缆进行监测。实验结果表明：该系统能够快速准确的定位小规模漏油，其中一号传感光缆在9 min内准确定位，在1.70 km长的光纤上的空间分辨率为1 m、定位误差为0.1 m。

关键词 分布式；布里渊光时域分析；应变传感；输油管线

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0040-02

随着石油资源的不断开发，管道运输已逐渐成为较为主要的运输方式，用以运输原油、天然气和其他液气产品。但由于管道自身老化、酸碱土壤或液体的腐蚀、人为损坏等因素，管道泄漏难以避免。不仅威胁到人们的安全，造成巨大的经济损失，而且会污染人们的生存环境，带来不必要的资源浪费。因此，输油管线进行泄漏监测技术、漏点定位技术具有重要的研究价值。

目前，应用于输油管线泄漏监测的几种传统方法主要有：流量平衡法、压力差法、应力波法、管内探测器法、负压波法等。这些方法应用较成熟，但存在灵敏度低、成本高、定位精度低、无法定位小规模漏油等缺点。所以，研究能够克服以上缺点的管道监测技术非常必要。光纤传感器由于自身的诸多优点已逐渐被应用于管线健康检测。本文将BOTDA技术应用于输油管线监测，并设计了不同规格的应变传感光缆，进行了实验研究。实验结果表明该方法可快速、精确地检测并定位小规模漏油。

1 基本原理

1.1 BOTDA技术

将一束泵浦光和一束探测光分别从传感光纤的两端入射进光纤，当泵浦光与探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，在该区域内就会产生布里渊放大效应。因此，检测从光纤一端耦合出来的连续光功率就可以确定光纤各小区间上能量转移达到最大时所对应的频率差。

图1 BOTDA原理图

假设温度恒定不变时（即=20℃），布里渊频移随应变的变化关系为：

（1）

式中：为布里渊频移的应变系数，取0。

1.2 传感光缆的结构设计

图2为传感光缆的结构设计图，主要由敏感材料（遇原油膨胀）、0.9 mm的单模光纤、铜丝三部分构成。如图所示，将敏感材料做成矩形波齿形状，用铜丝以周期A与光纤固定，制成传感光缆。当制作好的传感光缆遇到油时，由于铜丝的固定作用（铜丝较稳定），当敏感材料发生膨胀时，会压迫光纤发生形变，从而引起光纤应变变化，布里渊频移即产生相应的变化，从而可以定位发生漏油的地点。

图2 传感光缆

矩形波型敏感材料的加工结构不是随意的，其几何结构对系统的响应时间有直接影响，想要获得较高的灵敏度，就必须计算出合适的矩形波波长。对于阶跃型光纤，微弯结构机械周期A有：

（2）

式中：是纤芯半径；

是纤芯的折射率；

是数值孔径。根据实验所用光纤参数计算得出：

A约为25 mm。

2 实验研究

2.1 实验平台

实验平台主要由DiTeSt STA-R系列BOTDA系统、0.9 mm的单模光纤、遇油膨胀的敏感材料组成。实验采用BOTDA系统在10 ns脉冲宽度下可实现1 m的空间分辨率。敏感材料是连接原油和光纤形变的重要媒介，直接影响系统的检测效果，故其必须有以下特征：

1）遇原油能在较短的时间内产生较大的形变。

2）成本低。

3）抗干扰性强，对外界因素不敏感，如：温度、水、酸碱液体等。

4）容易加工。

因此选取氢化丁腈橡胶（HNBR）作为制作光缆的敏感材料。

2.2 数据分析

将橡胶条制作成三组（六块）规格（长宽高）分别是：1200 mm-20 mm-10 mm、1200 mm-20 mm-20 mm、1200 mm-20 mm-40 mm。然后将三组橡胶条分别封装在光纤250.40 m到251.60 m、253.10 m到254.30 m、255.80 m到257.00 m处，并分别记作一号、二号、三号，制成传感光缆。分别在三组传感光缆的初始状态和油浸3 min、6 min、9 min、12 min时测其布里渊频移量的变化情况。

由图4可以看出，光缆在初始状态下的布里渊頻移曲线并非一条直线，最大频移差为0.01726 GHz，这是由于光纤内部应力、光缆制备等因素造成的。一号光缆在油浸3 min时布里渊频移量小于最大频移差，所以不能有效检测漏油。油浸6 min时，一号光缆的布里渊频移量已大于最大频移差，但是较为接近，容易造成误判。当油浸9 min时，布里渊频移量趋于最大值，远高于最大频移差。12 min时的布里渊频移量较9 min时基本无变化。二号光缆在油浸3 min时布里渊频移量变化很小，6 min时布里渊频移量仍小于最大频移差，9 min时频移迅速增大，12 min时达到最大值，且远远大于最大频移差。三号光缆油浸3 min后布里渊频移量基本无变化，6 min时布里渊频移量较明显，9 min时布里渊频移量变化较大，12 min时布里渊频移量已足以有效检测漏油。

三组传感光缆的布里渊频移量的最大差值分别为0.04489 GHz、0.05739 GHz、0.08665 GHz，远远高于未浸油时的最大频移差，故可以实现分布式的漏油检测。在此次实验条件下，BOTDA的定位误差为0.1 m，应用于实际检测中，由于长距离会使损耗加剧，但造成的误差不会影响定位。每一次漏油事件就需要更换敏感材料，所以制作光缆时不要做成和光纤长度一样，而是分成小段，这样在检测后方便更换，同时也比较节约。

3 结束语

本文研究了基于BOTDA的分布式输油管线监测技术，并利用传感光缆进行实验研究。主要可用于长距离输油管线的在线检漏，也可用于其他输油、储油等设备。结果表明：该技术能够快速、有效地在线监测并定位小规模漏油。分析实验数据可知，定位所需时间受敏感材料制作规格的影响。规格为1200 mm-20 mm-10 mm敏感材料封装制备而成的光缆能在9分钟内准确定位，而1200 mm-20 mm-20 mm、1200 mm-20 mm-40 mm两组虽然布里渊频移量较大，但其响应时间较长，在12 min内才能有效检测，实际使用中可根据使用环境和要求来制备较为合适的光缆。该技术能实现分布式高精度小规模的漏油检测，且便于维护，通过不断提升BOTDA的性能，提高敏感材料的灵敏度以及加工规格可进一步提高该传感器的测试性能。

参考文献

[1]周琰，靳世久，曾周末.分布式光纤管道安全检测定位技术研究[J].光电子激光，2008.

[2]聂俊，李端有，梁俊，等.基于BOTDA的温度和应变测试探讨[J].长江科学院院报，2011.

[3]庄须叶，王浚璞，邓勇刚.光纤传感技术在管道泄露检测中的应用与发展[J].光学技术，2011.

[4]黄军芬，黄民双，冯音琦，等.基于BOTDA技术的分布式光纤温度传感技术试验系统[J].仪表技术与传感器，2011.endprint

摘 要 为了进一步提高输油管线的监测技术，满足小规模、高精度的泄露监测要求，文章基于布里渊光时域分析（BOTDA）原理，构建了局部应变的模拟实验系统。利用以原油敏感材料为基底的应变传感光缆进行监测。实验结果表明：该系统能够快速准确的定位小规模漏油，其中一号传感光缆在9 min内准确定位，在1.70 km长的光纤上的空间分辨率为1 m、定位误差为0.1 m。

关键词 分布式；布里渊光时域分析；应变传感；输油管线

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0040-02

随着石油资源的不断开发，管道运输已逐渐成为较为主要的运输方式，用以运输原油、天然气和其他液气产品。但由于管道自身老化、酸碱土壤或液体的腐蚀、人为损坏等因素，管道泄漏难以避免。不仅威胁到人们的安全，造成巨大的经济损失，而且会污染人们的生存环境，带来不必要的资源浪费。因此，输油管线进行泄漏监测技术、漏点定位技术具有重要的研究价值。

目前，应用于输油管线泄漏监测的几种传统方法主要有：流量平衡法、压力差法、应力波法、管内探测器法、负压波法等。这些方法应用较成熟，但存在灵敏度低、成本高、定位精度低、无法定位小规模漏油等缺点。所以，研究能够克服以上缺点的管道监测技术非常必要。光纤传感器由于自身的诸多优点已逐渐被应用于管线健康检测。本文将BOTDA技术应用于输油管线监测，并设计了不同规格的应变传感光缆，进行了实验研究。实验结果表明该方法可快速、精确地检测并定位小规模漏油。

1 基本原理

1.1 BOTDA技术

将一束泵浦光和一束探测光分别从传感光纤的两端入射进光纤，当泵浦光与探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，在该区域内就会产生布里渊放大效应。因此，检测从光纤一端耦合出来的连续光功率就可以确定光纤各小区间上能量转移达到最大时所对应的频率差。

图1 BOTDA原理图

假设温度恒定不变时（即=20℃），布里渊频移随应变的变化关系为：

（1）

式中：为布里渊频移的应变系数，取0。

1.2 传感光缆的结构设计

图2为传感光缆的结构设计图，主要由敏感材料（遇原油膨胀）、0.9 mm的单模光纤、铜丝三部分构成。如图所示，将敏感材料做成矩形波齿形状，用铜丝以周期A与光纤固定，制成传感光缆。当制作好的传感光缆遇到油时，由于铜丝的固定作用（铜丝较稳定），当敏感材料发生膨胀时，会压迫光纤发生形变，从而引起光纤应变变化，布里渊频移即产生相应的变化，从而可以定位发生漏油的地点。

图2 传感光缆

矩形波型敏感材料的加工结构不是随意的，其几何结构对系统的响应时间有直接影响，想要获得较高的灵敏度，就必须计算出合适的矩形波波长。对于阶跃型光纤，微弯结构机械周期A有：

（2）

式中：是纤芯半径；

是纤芯的折射率；

是数值孔径。根据实验所用光纤参数计算得出：

A约为25 mm。

2 实验研究

2.1 实验平台

实验平台主要由DiTeSt STA-R系列BOTDA系统、0.9 mm的单模光纤、遇油膨胀的敏感材料组成。实验采用BOTDA系统在10 ns脉冲宽度下可实现1 m的空间分辨率。敏感材料是连接原油和光纤形变的重要媒介，直接影响系统的检测效果，故其必须有以下特征：

1）遇原油能在较短的时间内产生较大的形变。

2）成本低。

3）抗干扰性强，对外界因素不敏感，如：温度、水、酸碱液体等。

4）容易加工。

因此选取氢化丁腈橡胶（HNBR）作为制作光缆的敏感材料。

2.2 数据分析

将橡胶条制作成三组（六块）规格（长宽高）分别是：1200 mm-20 mm-10 mm、1200 mm-20 mm-20 mm、1200 mm-20 mm-40 mm。然后将三组橡胶条分别封装在光纤250.40 m到251.60 m、253.10 m到254.30 m、255.80 m到257.00 m处，并分别记作一号、二号、三号，制成传感光缆。分别在三组传感光缆的初始状态和油浸3 min、6 min、9 min、12 min时测其布里渊频移量的变化情况。

由图4可以看出，光缆在初始状态下的布里渊頻移曲线并非一条直线，最大频移差为0.01726 GHz，这是由于光纤内部应力、光缆制备等因素造成的。一号光缆在油浸3 min时布里渊频移量小于最大频移差，所以不能有效检测漏油。油浸6 min时，一号光缆的布里渊频移量已大于最大频移差，但是较为接近，容易造成误判。当油浸9 min时，布里渊频移量趋于最大值，远高于最大频移差。12 min时的布里渊频移量较9 min时基本无变化。二号光缆在油浸3 min时布里渊频移量变化很小，6 min时布里渊频移量仍小于最大频移差，9 min时频移迅速增大，12 min时达到最大值，且远远大于最大频移差。三号光缆油浸3 min后布里渊频移量基本无变化，6 min时布里渊频移量较明显，9 min时布里渊频移量变化较大，12 min时布里渊频移量已足以有效检测漏油。

三组传感光缆的布里渊频移量的最大差值分别为0.04489 GHz、0.05739 GHz、0.08665 GHz，远远高于未浸油时的最大频移差，故可以实现分布式的漏油检测。在此次实验条件下，BOTDA的定位误差为0.1 m，应用于实际检测中，由于长距离会使损耗加剧，但造成的误差不会影响定位。每一次漏油事件就需要更换敏感材料，所以制作光缆时不要做成和光纤长度一样，而是分成小段，这样在检测后方便更换，同时也比较节约。

3 结束语

本文研究了基于BOTDA的分布式输油管线监测技术，并利用传感光缆进行实验研究。主要可用于长距离输油管线的在线检漏，也可用于其他输油、储油等设备。结果表明：该技术能够快速、有效地在线监测并定位小规模漏油。分析实验数据可知，定位所需时间受敏感材料制作规格的影响。规格为1200 mm-20 mm-10 mm敏感材料封装制备而成的光缆能在9分钟内准确定位，而1200 mm-20 mm-20 mm、1200 mm-20 mm-40 mm两组虽然布里渊频移量较大，但其响应时间较长，在12 min内才能有效检测，实际使用中可根据使用环境和要求来制备较为合适的光缆。该技术能实现分布式高精度小规模的漏油检测，且便于维护，通过不断提升BOTDA的性能，提高敏感材料的灵敏度以及加工规格可进一步提高该传感器的测试性能。

参考文献

[1]周琰，靳世久，曾周末.分布式光纤管道安全检测定位技术研究[J].光电子激光，2008.

[2]聂俊，李端有，梁俊，等.基于BOTDA的温度和应变测试探讨[J].长江科学院院报，2011.

[3]庄须叶，王浚璞，邓勇刚.光纤传感技术在管道泄露检测中的应用与发展[J].光学技术，2011.

[4]黄军芬，黄民双，冯音琦，等.基于BOTDA技术的分布式光纤温度传感技术试验系统[J].仪表技术与传感器，2011.endprint

摘 要 为了进一步提高输油管线的监测技术，满足小规模、高精度的泄露监测要求，文章基于布里渊光时域分析（BOTDA）原理，构建了局部应变的模拟实验系统。利用以原油敏感材料为基底的应变传感光缆进行监测。实验结果表明：该系统能够快速准确的定位小规模漏油，其中一号传感光缆在9 min内准确定位，在1.70 km长的光纤上的空间分辨率为1 m、定位误差为0.1 m。

关键词 分布式；布里渊光时域分析；应变传感；输油管线

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0040-02

随着石油资源的不断开发，管道运输已逐渐成为较为主要的运输方式，用以运输原油、天然气和其他液气产品。但由于管道自身老化、酸碱土壤或液体的腐蚀、人为损坏等因素，管道泄漏难以避免。不仅威胁到人们的安全，造成巨大的经济损失，而且会污染人们的生存环境，带来不必要的资源浪费。因此，输油管线进行泄漏监测技术、漏点定位技术具有重要的研究价值。

目前，应用于输油管线泄漏监测的几种传统方法主要有：流量平衡法、压力差法、应力波法、管内探测器法、负压波法等。这些方法应用较成熟，但存在灵敏度低、成本高、定位精度低、无法定位小规模漏油等缺点。所以，研究能够克服以上缺点的管道监测技术非常必要。光纤传感器由于自身的诸多优点已逐渐被应用于管线健康检测。本文将BOTDA技术应用于输油管线监测，并设计了不同规格的应变传感光缆，进行了实验研究。实验结果表明该方法可快速、精确地检测并定位小规模漏油。

1 基本原理

1.1 BOTDA技术

将一束泵浦光和一束探测光分别从传感光纤的两端入射进光纤，当泵浦光与探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，在该区域内就会产生布里渊放大效应。因此，检测从光纤一端耦合出来的连续光功率就可以确定光纤各小区间上能量转移达到最大时所对应的频率差。

图1 BOTDA原理图

假设温度恒定不变时（即=20℃），布里渊频移随应变的变化关系为：

（1）

式中：为布里渊频移的应变系数，取0。

1.2 传感光缆的结构设计

图2为传感光缆的结构设计图，主要由敏感材料（遇原油膨胀）、0.9 mm的单模光纤、铜丝三部分构成。如图所示，将敏感材料做成矩形波齿形状，用铜丝以周期A与光纤固定，制成传感光缆。当制作好的传感光缆遇到油时，由于铜丝的固定作用（铜丝较稳定），当敏感材料发生膨胀时，会压迫光纤发生形变，从而引起光纤应变变化，布里渊频移即产生相应的变化，从而可以定位发生漏油的地点。

图2 传感光缆

矩形波型敏感材料的加工结构不是随意的，其几何结构对系统的响应时间有直接影响，想要获得较高的灵敏度，就必须计算出合适的矩形波波长。对于阶跃型光纤，微弯结构机械周期A有：

（2）

式中：是纤芯半径；

是纤芯的折射率；

是数值孔径。根据实验所用光纤参数计算得出：

A约为25 mm。

2 实验研究

2.1 实验平台

实验平台主要由DiTeSt STA-R系列BOTDA系统、0.9 mm的单模光纤、遇油膨胀的敏感材料组成。实验采用BOTDA系统在10 ns脉冲宽度下可实现1 m的空间分辨率。敏感材料是连接原油和光纤形变的重要媒介，直接影响系统的检测效果，故其必须有以下特征：

1）遇原油能在较短的时间内产生较大的形变。

2）成本低。

3）抗干扰性强，对外界因素不敏感，如：温度、水、酸碱液体等。

4）容易加工。

因此选取氢化丁腈橡胶（HNBR）作为制作光缆的敏感材料。

2.2 数据分析

将橡胶条制作成三组（六块）规格（长宽高）分别是：1200 mm-20 mm-10 mm、1200 mm-20 mm-20 mm、1200 mm-20 mm-40 mm。然后将三组橡胶条分别封装在光纤250.40 m到251.60 m、253.10 m到254.30 m、255.80 m到257.00 m处，并分别记作一号、二号、三号，制成传感光缆。分别在三组传感光缆的初始状态和油浸3 min、6 min、9 min、12 min时测其布里渊频移量的变化情况。

由图4可以看出，光缆在初始状态下的布里渊頻移曲线并非一条直线，最大频移差为0.01726 GHz，这是由于光纤内部应力、光缆制备等因素造成的。一号光缆在油浸3 min时布里渊频移量小于最大频移差，所以不能有效检测漏油。油浸6 min时，一号光缆的布里渊频移量已大于最大频移差，但是较为接近，容易造成误判。当油浸9 min时，布里渊频移量趋于最大值，远高于最大频移差。12 min时的布里渊频移量较9 min时基本无变化。二号光缆在油浸3 min时布里渊频移量变化很小，6 min时布里渊频移量仍小于最大频移差，9 min时频移迅速增大，12 min时达到最大值，且远远大于最大频移差。三号光缆油浸3 min后布里渊频移量基本无变化，6 min时布里渊频移量较明显，9 min时布里渊频移量变化较大，12 min时布里渊频移量已足以有效检测漏油。

三组传感光缆的布里渊频移量的最大差值分别为0.04489 GHz、0.05739 GHz、0.08665 GHz，远远高于未浸油时的最大频移差，故可以实现分布式的漏油检测。在此次实验条件下，BOTDA的定位误差为0.1 m，应用于实际检测中，由于长距离会使损耗加剧，但造成的误差不会影响定位。每一次漏油事件就需要更换敏感材料，所以制作光缆时不要做成和光纤长度一样，而是分成小段，这样在检测后方便更换，同时也比较节约。

3 结束语

本文研究了基于BOTDA的分布式输油管线监测技术，并利用传感光缆进行实验研究。主要可用于长距离输油管线的在线检漏，也可用于其他输油、储油等设备。结果表明：该技术能够快速、有效地在线监测并定位小规模漏油。分析实验数据可知，定位所需时间受敏感材料制作规格的影响。规格为1200 mm-20 mm-10 mm敏感材料封装制备而成的光缆能在9分钟内准确定位，而1200 mm-20 mm-20 mm、1200 mm-20 mm-40 mm两组虽然布里渊频移量较大，但其响应时间较长，在12 min内才能有效检测，实际使用中可根据使用环境和要求来制备较为合适的光缆。该技术能实现分布式高精度小规模的漏油检测，且便于维护，通过不断提升BOTDA的性能，提高敏感材料的灵敏度以及加工规格可进一步提高该传感器的测试性能。

参考文献

[1]周琰，靳世久，曾周末.分布式光纤管道安全检测定位技术研究[J].光电子激光，2008.

[2]聂俊，李端有，梁俊，等.基于BOTDA的温度和应变测试探讨[J].长江科学院院报，2011.

[3]庄须叶，王浚璞，邓勇刚.光纤传感技术在管道泄露检测中的应用与发展[J].光学技术，2011.

[4]黄军芬，黄民双，冯音琦，等.基于BOTDA技术的分布式光纤温度传感技术试验系统[J].仪表技术与传感器，2011.endprint