基于单端BOTDA的油气管道在线监测系统

代红涛，代红波，李建业

(1．德州大陆架石油工程技术有限公司，山东德州 253005； 2．中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051)



基于单端BOTDA的油气管道在线监测系统

代红涛1，代红波2，李建业1

(1．德州大陆架石油工程技术有限公司，山东德州 253005； 2．中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051)

为了进一步提高油气管道监测效率与可靠性，提出了一种基于单端布里渊光时域分析的油气管道在线监测方法。对油气管道进行了泄漏点温度测量模拟实验研究。实验结果表明，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术能够准确监测并识别管道的温度变化，在25 km的传感光纤中，温度测量分辨率达3 ℃，空间定位分辨率达到1 m。

油气管道； 在线监测； 光纤传感； 布里渊散射

由于管道输送具有成本低廉、节省能源、安全性高、供给稳定、运量大等优点而成为天然气和石油的主要长距离输送方式。其对社会和国民经济发展起着重要作用，因此油气管道的安全性问题也显得越来越重要。目前，应用于油气管道安全监测的技术和方法主要是传统的电测式传感器，如流量平衡法、超声波法、负压波法、射线检测法、压力梯度法、密封加压法、涡流检测法和实时模拟法等[1-3]。上述管道监测方法的优点在于应用广泛、技术成熟，但也存在着监测距离短、实时性较差、精度低、定位误差大且大多为离线检测不能及时发现故障等缺点。分布式光纤传感器容易实现长距离大范围的在线测量，非常适合油气管道的在线监测应用[4-5]。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术主要分为布里渊光时域反射计(BOTDR)和布里渊光时域分析仪(BOTDA)。布里渊光时域反射计基于自发布里渊散射原理，只需要在传感光纤的一端注入光脉冲，但信号比较微弱，传感距离有限。布里渊光时域分析仪基于受激布里渊作用原理，其信号相对较强，具有较远的传感距离，但需要在传感光纤的两端注入脉冲光，且在断纤的情况下无法测量，限制了该技术在工程上的应用。在此基础上，提出了一种基于单端布里渊光时域分析的油气管道实时在线监测技术，通过布里渊频移与温度之间的函数关系，可求得沿管道的温度分布状况，从而实现对泄露点的监测。

1 基于布里渊散射系统传感机理

1.1 基本原理

光散射是光在介质传播过程中发生的普遍现象，是光与物质相互作用的一种表现形式。当光通过介质时，大部分光将透射过去，但有一部分光偏离原来的传播方向散射开来，这种现象称为光的散射，如瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射等[6]。其中瑞利散射是线性散射效应，拉曼散射与布里渊散射是非线性散射效应，布里渊散射的频移比拉曼散射小，但其强度要比拉曼散射强10 dB左右。在常温状态下光纤中的原子、分子或离子因自发热运动作连续弹性力学振动，形成了光纤中的自发声波场。沿光纤方向的声振动使得光纤的密度随时间和空间周期性变化，从而使得光纤上的折射率被周期调制。这种自发声波被看作是沿光纤运动着的光栅，此折射率光栅通过布拉格光栅衍射入射光。由于多普勒效应，散射光产生了频率下移νB，即产生了频率为νS=νP-νB的Stokes散射光，νP为泵浦光的频率，布里渊频移νB为[7-8]：

(1)

对于普通单模石英光纤，取声速νA=5.96 km/s，折射率n=1.45，波长λP=1 550 nm，则布里渊频移为νB≈11 GHz。当光纤受到温度变化时，光纤的折射率和声波速率发生变化，布里渊频移νB与温度T之间的关系如下[9]：

(2)

式中，Tr是参考温度，温度系数CT=1.1 MHz/℃，νB(Tr)为参考温度对应的布里渊频移。

1.2 单端BOTDA系统设计

图1(a)为传统布里渊光时域分析基本原理图，图1(b)为单端布里渊光时域分析基本原理图。在图1(a)中需要两个激光器，一个作为泵浦脉冲光源，另一个作为连续探测光源。两束光在单模光纤中相向传输，当连续探测光的频率落在泵浦脉冲光的布里渊增益谱内时，产生受激布里渊放大作用，连续探测光被放大后，经耦合器进入光电探测器进行光电检测，将转换后的电信号放大滤波处理后，再由计算机处理得到温度分布情况。在图1(b)中泵浦脉冲光与连续探测光连接在光耦合器的一端，通过耦合器进入同一根光纤，再经耦合器后注入单模传感光纤，在光纤的另一端连接光反射过滤装置，其作用是反射回连续探测光并且过滤掉泵浦脉冲光。反射回的连续探测光与相向传输的泵浦脉冲光相互作用，连续探测光被放大，最后由光电探测器PD进行信号的检测并进行计算机信号处理。单端布里渊光时域分析的基本思想是利用反射回来的连续探测光替代传统布里渊光时域分析中由激光器发射的连续探测光，从而实现单端测量的目的。

图1 传统布里渊光时域分析原理图与单端布里渊光时域分析原理图

Fig.1 The Schematic diagram of conventional BOTDA and single-ended BOTDA

单端布里渊光时域分析系统结构如图2所示。系统采用工作波长在1.55 μm的窄线宽(<1 MHz)激光器LD作为光源，经保偏耦合器C1分成50∶50的两路连续光。一路光作为脉冲光，光脉冲的宽度由调制脉冲的宽度决定，脉冲调制器由电光调制器和声光调制器(AOM)构成，声光调制器可以提高脉冲光的消光比，掺铒光纤放大器将泵浦脉冲光放大。由于EDFA会产生自发辐射噪声影响系统测量，光栅FBG2被用来滤除自发辐射光噪声。另一路光信号由电光调制器和微波驱动模块调制成为连续探测光，其与泵浦光的频率差约为11 GHz。FBG1用来滤除微波调制后产生的边带信号，经滤波后的连续探测光和泵浦脉冲光经耦合器C2后合成一束光后，经环形器注入传感光纤的一端，在传感光纤的另一端连接一个由FBG3和FBG4构成的窄带光栅滤波器，滤除泵浦脉冲光并反射回探测光。反射回的探测光和前向传输的泵浦光产生受激布里渊散射作用，探测光经环形器后被光电探测器接收，光电信号经放大滤波后，再经数字累加平均提高信噪比。最终将采集的数据传输到计算机，计算出布里渊频移的大小和沿光纤分布的温度信息。传感光纤尾端连接的是两个反射谱相同的光栅，利用两个光栅对泵浦脉冲光进行两次衰减。若每个光栅对泵浦光的衰减为PdB，则经过2个光栅后可以衰减2PdB，从而更好的滤除泵浦光，提高测量的精度。

图2 单端布里渊光时域分析系统结构框图

Fig.2 The structure of single-ended BOTDA

2 结果与分析

实验中，分布式布里渊光纤传感技术在油气管道监测技术上的应用首先要考虑的是如何将光纤与油气管道合为一体，只有选取合适的铺设方式才能提供有效的监测信息。实验用到的光纤为直径是0.9 mm的单模紧套光纤，因为紧套光纤具有抵抗应力大、不易断点等优点，有利于施工。再者油气管道常年埋于地下或是浸泡于海水中，紧套光纤的寿命也比较长，适合管道监测。当油气管道发生泄漏时，会导致泄漏点温度的升高，通过监测管道周围的温度场的变化就可以得知是否存在油气泄漏点。在实验中，光纤的布设采用环绕方式，进行温度模拟实验。将25 km传感光纤的尾端部分光纤按图3所示的方式环绕在油气管道上。在进行温度实验时，油气管道埋设在沙堆中，将热水浇灌在沙堆上，同时使用温度计测量温度作为对照。

图3 环绕式光纤布设方式

Fig.3 The optical fiber ring layout

图4为25 km传感光纤单端布里渊光时域分析的散射光信号扫描图。系统使用微波扫描方式来获取布里渊频移，微波的扫频范围为10.76～10.88 GHz。传感光纤在25 km处的脉冲为光纤末端的反射受到布里渊作用而被放大的结果，散射光的强度沿光纤长度衰减，25 km后的信号为系统噪声。在传感光纤的每一处位置的不同频率点，扫描点曲线呈洛伦兹曲线分布。通过对同一位置的不同频率点进行拟合，可以得到洛伦兹曲线的峰值，峰值对应的频率点为布里渊频移的大小，再通过布里渊频移与温度之间的关系求得沿油气管道分布的温度信息。

图4 单端布里渊光时域分析仪扫描信号图

Fig.4 The scanning signal of single-ended BOTDA

图5中所示为25 km左右传感光纤的温度分布曲线。由图4中的扫描信号经过数据拟合处理后可以得到传感光纤各点的布里渊频移，再根据上述布里渊频移与温度之间的函数关系获得温度分布曲线。在进行温度实验时，将传感光纤的尾端一段浇灌65 ℃左右的热水，而大部分光纤处于24 ℃左右的室温中。在计算温度时，采用温度传感器DS18B20测得的24 ℃的室温作为传感光纤的布里渊频移基准，图中整条曲线的波动不超过3 ℃，放大细节图是光纤尾端的传感光纤的测试温度，大约在60 ℃。

图5 单端布里渊光时域分析温度分布

Fig.5 The temperature experiment result of single-ended BOTDA

从图5可以看出，单端布里渊光时域分析仪能够较好的应用于温度的分布式测量，但温度测量精度在一些需要高分辨率的场合有待进一步提高。实验中可以通过增加数字累加平均的次数提高测量信噪比，减小温度曲线的波动，但测量时间相对要延长。

为了测试系统温度测量的准确程度，对测试光纤进行温度对照实验。由于在光纤的尾端泵浦光的功率减小，测量信号的信噪比也相应降低，因此在光纤的尾端测得温度的精度决定了系统温度测量的最低精度。利用单端布里渊光时域分析仪测量温度的同时用温度计记录测试温度变化。温度测试变化范围从30 ℃到70 ℃，将两种方法测量的结果进行对比。实验结果如图6所示，横轴为温度计测量的温度，纵轴为单端布里渊光时域分析仪测量的温度。从图6中可以看出，单端布里渊光时域分析的温度基本上呈线性关系变化，与温度计测得的温度差在3 ℃以内。

图6 单端布里渊光时域分析仪与温度计对照实验

Fig.6 The temperature contrast between thermoter and single-ended BOTDA

3 结论

分布式光纤传感技术具有稳定性好、抗电磁干扰能力强，容易实现大范围的测量等优点，因此拥有很好的发展应用前景。本文提出了基于单端布里渊光时域分析的油气管道在线监测系统，并将其应用在油气管道的实时在线监测，在25 km的传感光纤尾端进行了油气管道温度实验，在1 m的空间分辨率下取得了3 ℃的温度测量分辨率。

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(编辑 王亚新)

The Oil and Gas Pipeline online Monitoring System Based on Single-Ended BOTDA

Dai Hongtao1, Dai Hongbo2, Li Jianye1

(1.Shelfoil Petroleum Equipment & Services Co.,Ltd., Dezhou Shandong 253005,China;2.POWERCHINAKunmingEngineeringCorporation,KunmingYunnan650051,China)

In order to improve the monitoring efficiency and reliability of oil and gas pipeline, the monitoring method of petroleum pipeline temperature based on single-ended Brillouin optical time domain analysis has been proposed. The temperature experiment at oil and gas pipelines leakage location has been taken. The experiment results show that distributed optical fiber sensing technology based on Brillouin scattering can accurately monitor and identify the pipeline temperature change. The temperature measurement resolution can reach 3 ℃ and spatial resolution of 1 meter in 25 km sensing fiber.

Oil and gas pipeline; Online monitoring; Fiber sensing; Brillouin scattering

1006-396X(2015)02-0083-04

2014-08-31

2014-11-03

代红涛(1983-)，男，工程师，从事石油固完井工具及工艺研究；E-mail：hongtao-456@163.com。

TE88

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.02.017