基于超弱光栅阵列的管道泄漏监测研究

牛坤鹏，夏彬芸，吕大娟，水 彪，廖招龙，项 勇，王 宁

(1.长飞光纤光缆股份有限公司 光纤光缆制备技术国家重点实验室，湖北 武汉 430073;2.武汉理工大学 光纤传感技术与网络国家工程研究中心，湖北 武汉 430070)

长距离输水管道在农田灌溉、城市供水、污水排放、给排水工程等领域中广泛应用，因违规施工、自然灾害、腐蚀及人为因素等导致的大量泄漏安全事故，造成巨大经济损失。因此，亟需研发长距离管道泄漏安全的实时在线监测技术及预警系统，对其运行安全性和可靠性实现有效评估和监管[1]。当前，管道泄漏检测方法大致分为基于软件和硬件系统两类[2]。基于软件的系统包括负压波(NPW)[3]、支持向量机(SVM)[4]、基于瞬态测试的技术(TTBTS)[5]和人工神经网络(ANN)[6]等，主要依据管道内部参数变化(如流量、压力、温度等)，利用已建立的模型来判断泄漏状况，其成本低、实施方便，但通常在低流量、微振动、小泄漏尺寸条件下受到限制，数据源的准确性和精确性难以保证。基于硬件的监测系统包括声发射(AE)传感器[7]、相关检漏仪[8]和探地雷达(GPR)[9]等，主要依赖在管道沿线安装光、电、声、磁等传感器，通过获取温度、应力、振动等相关信息判断泄漏状况，虽能准确定位但无法实现精准定量分析。且相比前者，后者在实际工程应用中仍更具发展潜力。近年来，高精度点式传感器被大量应用于测量或监控管道关键点的泄漏，但均是针对特殊应用场景进行定制和验证，导致添加或更换硬件过程复杂、成本昂贵[10]，因此需开发长距离、高密度、大容量、易组网且可靠的非侵入式传感器件及在线监测技术。

与传统的光、电、声、磁等传感器相比，分布式光纤振动传感技术因其灵敏度高、抗电磁干扰、能实时监测、测量距离远、安全可靠等优势[11]，在管道泄漏监测应用中具有巨大潜力，引起了管道行业的广泛关注。例如，基于相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)的分布式振动传感器[12]和基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器[13]已被应用于管道泄漏的监测，但存在系统信噪比较低、光路复杂等缺陷，无法实现长距离管道的实时监测。

为解决上述问题，采用超弱光栅阵列(UWFBG)的干涉型振动传感系统实现输水管道的实时监测，利用管道泄漏引起振动信号的相位变化来判断管道泄漏情况。通过搭建输水管道实验平台，研究管内压力、流量等因素对监测管道泄漏信号的影响，验证该分布式光纤传感系统对管道泄漏准确定位和泄漏状态量化分析的可行性。

1 管道泄漏监测原理与系统

1.1 管道泄漏监测原理

传感阵列由低反射率约为-50dB的UWFBG组成，可降低反射损耗，大大提高复用能力[14]。干涉型光纤传感器是基于相位调制原理工作的，即当相邻两个UWFBG之间的光纤受到外界环境变化的干扰时，光纤的直径、长度、折射率会在应变、泊松、光弹3种效应的作用下发生改变，并进一步引起光纤中探测光相位发生相应改变[15]。探测光在长度为L的光纤中传输时，相位φ与长度关系如式(1)所示。

φ=βL

(1)

式中：β为光纤的传播常数。

当环境变化引起探测光的相位改变时，相位变化量如式(2)所示。

(2)

式中：n为纤芯折射率；α为纤芯半径。

由此可知，当管道发生泄漏时，在泄漏点处形成压力差，引起泄漏处管道的剧烈振动，进而引起应力变化，探测光的相位变化量与应力变化量成正比，所以可通过监测光信号的相位变化来判断管道是否泄漏。

EVANS等[16]证明了管道振动时相位幅度标准差与管道内流体平均流量具有一定关系，如式(3)所示。

(3)

综合式(1)～式(3)可知，发生泄漏时管道振动引起探测光信号的相位变化量与管道内流量的变化量成正比，且为二次函数关系。

1.2 管道泄漏监测系统

基于UWFBG阵列的分布式振动传感系统结构如图1所示。激光源为窄线宽激光器，中心波长为1 550.12nm，线宽为3 kHz，光源输出的连续波光经过半导体放大器调制，得到重复频率为10 kHz、脉冲宽度为20 ns的光脉冲序列。然后，脉冲光经掺铒光纤放大器放大，通过环形器1引导至UWFBG阵列。UWFBG阵列反射回的脉冲光通过环形器1和环形器2至3×3耦合器相位解调单元，通过设置保证两路延时光纤的光程差与相邻UWFBG的间距相同，来弥补相邻UWFBG之间的光程差；采用45°旋转角度的法拉第旋转镜，来消除干涉仪中的偏振效应[17]。最后，经3×3耦合器输出的3路信号被导向3个光电探测器进行光电转换，进而通过解调出光的相位变化来还原出振动信号。同时，基于光时域反射(OTDR)技术可定位泄漏事件发生的位置[18]。经过3个光电探测器转换后的信号由数据采集器收集，最后传输到数据处理终端进行处理和分析。

图1 基于UWFBG阵列的分布式振动传感系统结构图

2 实验方法

为验证上述管道泄漏安全监测系统，在实验室内搭建实验装置，采集管道泄漏引起的振动信号，测试传感系统在管道泄漏信号安全监测的可行性和准确性。实验平台的搭建和光纤在管道上的铺设方式如图2所示。选取清水潜水泵(1.8 kW电机驱动，2 900 r/min时标称流量3 m3/h)用于保持整个管道充满水并调节流量，旨在模拟长距离输水管道。涡轮流量计用于测量水流量，压力表用于测量管内水流压力。流动试验段为全长37 m、公称直径30 mm、管壁厚度2.8 mm的圆形截面PP-R管。光纤光栅等间隔螺旋缠绕并紧紧贴附在管道外壁上，保持整段的光纤处于紧绷状态且受力均匀，使其对管道泄漏产生的振动更加敏感。UWFBG阵列传感区域全长35 m，光栅间距5 m，共8个光栅、7个测区，泄漏点位于UWFBG#4和UWFBG#5组成的第四测区，即15～20 m管段处，空间分辨率为5 m，反射率约为-50 dB。泄漏点设置为一个公称通径为5 mm的电动调节阀，通过开关调节阀来模拟管道泄漏。整个管道和水泵都安装在固定支架上，旨在减弱、减少管道的振动和减小管道自重对其应变的影响。

图2 实验设备布设图

实验过程中，调节阀门以改变流量、压强的大小，传感系统的数据采集模块以10 kHz采集频率采集20 s内的时间序列数据，其中泄漏时间控制在7～13 s时间段，管道泄漏引起的振动信号传至泄漏点周围的光缆，将传感器接收到的实时振动响应传输到数据采集器中，通过使用解调软件在计算机中获取并在Matlab平台进行处理。实验所设置的7个压强下对应的流量测得值如表1所示。

表1 数据记录表

3 实验结果与分析

3.1 管道泄漏特征信号的识别与分析

选取0.2 MPa水流压强下采集到的泄漏信号，对数据进行处理得到信号解调结果，如图3所示。泄漏点的实际距离为18 m处，持续监测的泄漏时间约为6 s，从弱光栅入射端测量，监测结果如图3(a)所示。从图3(a)可看出，当管道发生泄漏时，第4测区内有明显的相位强度变化，这与实际模拟泄漏的位置相吻合。因此，当泄漏信号发生时，该传感系统能及时显示泄漏信号并给出具体的位置信息。图3(b)是将振动信号进行低频滤波处理后得到的时域图，可以看出0～6 s和14～20 s两个非泄漏时间段振动信号的相位处于稳定平衡状态，在第7 s发生泄漏的瞬间，振动信号的相位有了明显的变化，并一直持续到泄漏事件结束，表明该传感系统可以准确地监测到泄漏事件的发生。图3(c)中管道泄漏时的谐振频率是通过快速傅里叶变换(FFT)频谱分析计算得到的，可以发现当第4测区发生管道泄漏信号时，采集的振动信号在频域上的能量会出现明显的变化，且主要集中在482 Hz以内。由此可知，传感系统在0～482 Hz拥有很好的频率响应特性，因此系统能够实现对长距离管道泄漏信号的安全监测。图3(d)是解调软件实时监测管道泄漏状态、定位泄漏点的系统界面，可以看出整个传感阵列被分为7个区域，当管道发生泄漏时，第4个区域出现能量变化和波动，与其他6个区域有明显的差别，因此该传感系统可以直观地监测整段传感区域范围内的管道运行状态，并能及时定位发生异常情况的区域。综合上述分析可知，此传感系统能够实时监测管道的运行状态，发生泄漏等异常情况时反应迅速，能及时将信号变化反映在系统监测界面，并对监测区域的异常情况进行定位，便于监管人员迅速到达异常点进行核实检查，初步证实了其应用于管道泄漏安全监测方面中的可行性。

图3 0.2 MPa压强下泄漏信号解调图

3.2 管道泄漏状态的量化分析

为进一步验证该系统的可靠性和准确性，需对泄漏状态下的流量、相位、频率之间的关系进行研究，其分析处理结果如图4所示。图4中，三角形数据点表示不同流量下的相位幅值，实线表示拟合数据得到的二阶多项式曲线，拟合公式如式(4)所示。

图4 流量与泄漏信号的相位、频率关系图

y=-4.496 7x2+36.825 2x-16.451 6

(4)

由式(4)可知，该函数证实了管道泄漏发生时，管道流量变化值与振动信号的相位变化值满足二次关系，其拟合的R2值为0.993 7，与上述分析式(1)～式(3)得出的结论一致，也进一步说明该传感系统可高精度监测管道泄漏或是非泄漏状态。

图4中圆形数据点代表不同流量下的管道谐振频率。在0.011 9 m3/h的流量下，谐振频率峰值出现在99.98 Hz，而在0.026 5 m3/h的流量下，峰值出现在482.00 Hz，且随着管道中的流量增加，管道的谐振频率升高，这与管道谐振频率会随着流动流体流量的增加而上升的规律相符。同时也说明该传感系统对管道泄漏信号监测有良好的响应特性，能够准确识别管道泄漏情况。

综上可知，管道泄漏状态下流量与振动信号的相位呈二次关系，当输水管道发生泄漏时，该传感系统可有效感知泄漏引起的振动信号，能实时反映其泄漏流量，其准确率高达99.366%。

4 结论

采用UWFBG阵列的干涉型振动传感系统设计了一种长距离、大容量、方便可靠的非侵入式管道泄漏安全在线监测方法。利用探测光的相位变化作为判断管道是否泄漏的依据，测量不同压强下管道泄漏时的流量、相位、频率这三个特征参数，并讨论它们与管道泄漏监测之间的关系以获取更准确、可靠的结果。通过对管道泄漏特征的定性与定量分析，得到如下结果与结论：①该传感系统能够实时监测输水管道的运行状态，可实现管道泄漏安全监测。②该系统可对输水管道进行直观的监控和泄漏点的定位，能够及时预警和迅速找到泄漏处。③该系统对管道泄漏事件的识别精度高达99.366%，对管道状态做出精确判断，在长距离管道泄漏安全监测应用中具有很大潜力。