基于分布式光纤振动传感的长输埋地管道安全监测技术

何 欣

(中石油管道有限公司西气东输分公司南昌管理处，江西 南昌 330000)

0 引言

随着我国经济的快速稳定增长和“一带一路”推动下，我国的油气管道建设及运营里程取得了令世人瞩目的成就。目前，我国油气管道已经突破13万km，西气东输、北油南进、西油东进、海气登陆的输送格局已经形成，尤其是2019年中俄东线天然气管道的投产通气，均成为推动我国经济发展的能源动脉。油气管道运营里程长，随着城市建设的不断发展，沿公路的建筑物不断增多，致使管线经常遭受非法占压破坏；此外不法分子非法开挖钻孔盗油事故时常发生。譬如西气东输管道输送的天然气是易燃易爆物品，输送压力高(10 MPa)、输送距离长(4 000 km)，沿线存在的非法占压、开挖盗油等事故可能会导致管线爆裂，造成天然气泄漏乃至明火燃烧爆炸。因此，有必要采取有效的监测手段对长输埋地管道的非法占压、开挖盗油等危害事件进行快速监测及定位，及时对管道安全进行预警，确保管道服役期运营安全。

目前长输埋地管道监测参量主要包括管道变形、管道腐蚀以及管道泄漏等。基于上述参量的管道安全监测方法主要有人工巡检、无人机遥测、负压波技术、管道机器人以及光纤传感技术。人工巡检和无人机遥测技术存在效率低等问题且不能对埋地管道隐蔽段进行很好的检测[1]。负压波方法主要用于管道泄漏监测，通过安装在管道两端的动态压力传感器监测负压波信号，基于负压波波速和传感器监测信号的时间，可以对泄漏点进行较高精度的定位[2]。管道机器人主要用于管道内壁状态检测，存在检测周期长等问题[3]。光纤传感技术具有抗电磁场干扰、信号传输距离长、无源传感等优点，目前有采用分布式光纤布里渊传感技术和光纤光栅应变传感技术开展管道变形监测，取得了一定的工程效果[4-6]。上述已有测试技术属于“事后监/检测”技术，即管道已经发生了损伤，不能对诸如非法占压，开挖盗油等危害管道安全的事件进行监测预警。

分布式光纤振动传感技术可以实现数十公里连续的振动场的在线监测，在管道上方占压或附近开挖等工程会产生一定的特征信号。鉴于此，本文采用分布式光纤振动传感技术，基于此特征振动信号的监测对管道占压和开挖事件进行安全预警，并通过试验验证了该方法的可行性。

1 长输埋地管道分布式光纤振动传感技术

分布式光纤振动监控系统利用光的干涉现象。当由声音或物体振动产生的压力施加于传感光缆时，由于弹光效应导致传感光缆的长度和折射率发生变化，从而引起传感光缆中传输光的相位改变。通过光干涉仪，将光相位的改变转换为光强度的变化，从而实现信号的解调。以普通通讯光缆本身作为传感设备，可以检测一根长达几千米到几十千米的光纤的振动情况和应变，空间采样间隔仅1 m，检测周期可达秒级。基于相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)的干涉机理，系统的总体结构示意图如图1所示，主要由光调制解调仪、光探测模块、信号采集器、协处理器、监测分析报警系统和传感光缆等组成。

图2为基于分布式光纤振动传感技术的管道安全监测系统示意图。系统的主要功能是采用同沟铺设的光纤对长输埋地管道沿线的振源进行在线监测，通过大量样本学习，识别对管道具有危害的振源，如非法盗油、重载汽车穿越、占压等，以达到及时预警的目的。

2 试验验证及数据分析

图3为某长输管道振动监测现场，压路机在某油气管道上方行驶对土体产生一定的振动，传感器为该油气管道通讯光缆中的冗余光纤。图4为压路机和模拟钻孔工况得到的光纤振动信号。从图4可以看到，钻孔产生的振动信号强度(288)和影响区域(4 m)均小于压路机产生的振动信号强度(585)和影响区域(85 m)，与实际情况相符。

3 结语

基于分布式光纤振动传感技术构建了长输埋地管道非法占压、钻孔监测系统，并在某油气管道中进行了振动测试试验。试验结果表明该方法依据同沟铺设的通讯光缆可以有效监测管道上方及附近位置的振动信息，并可实现较高精度的振源区域定位。