長慶油田分公司

摘 要：基于C-OTDR（Coherent optical time domain reflectometer）分布式光纖傳感理論，以輸油管道同溝敷設(shè)的通信光纜作為傳感單元，針對管道周邊施工挖掘及打孔盜油等可能危及管道安全的事件進(jìn)行識(shí)別。測試結(jié)果顯示，模擬的激勵(lì)事件能夠準(zhǔn)確觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警。實(shí)際運(yùn)行中能夠監(jiān)測并識(shí)別出管道附近數(shù)十米范圍內(nèi)發(fā)生的異常事件，可實(shí)現(xiàn)對管道損壞事件的事前或事中預(yù)警。

輸油管道所處外部環(huán)境復(fù)雜，若發(fā)生損壞泄漏，會(huì)造成環(huán)境影響和安全風(fēng)險(xiǎn)[1]。因此，有必要對施工損壞及打孔盜油等其它有損管道安全運(yùn)行的異常事件進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警。目前常用的壓力梯度法、負(fù)壓力波法、流量平衡法、超聲波檢測法、光纖傳感等管道安全監(jiān)測方法[2-4]，均是在事件發(fā)生后才能識(shí)別并報(bào)警，且定位精準(zhǔn)度都有一定局限。近年來，國內(nèi)外大量研究的基于光時(shí)域反射的分布式光纖傳感技術(shù)[1,2,5-6]，具有監(jiān)測距離長、定位精度高、靈敏度高、安裝施工方便等優(yōu)點(diǎn)，是未來油氣管道安全監(jiān)測技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。

采用分布式光纖傳感技術(shù)，搭建了基于相干光時(shí)域反射（Coherent optical time domain reflectometer，C-OTDR）原理的分布式光纖振動(dòng)傳感（DistributedVibration Sensor, DVS）系統(tǒng)，以輸油管道同溝敷設(shè)的通信光纜作為傳感單元，建立了西北某輸油管道光纖振動(dòng)監(jiān)測預(yù)警實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了輸油管道附近人工挖掘、機(jī)械挖掘等外部損壞模擬監(jiān)測及模式識(shí)別測試。

1 技術(shù)原理

1.1 光纖中的散射

激光入射到光纖中，會(huì)產(chǎn)生各種光散射，包括彈性散射和非彈性散射。光纖中的光散射主要包括瑞利散射(Rayleigh Scattering)，拉曼散射(RamanScattering)和布里淵散射(Brillouin Scattering)，圖1為背向散射光頻譜圖。其中瑞利散射光是入射光與物質(zhì)發(fā)生的彈性散射，散射光頻率不發(fā)生變化，拉曼散射光和布里淵散射光是入射光與物質(zhì)發(fā)生非彈性散射，散射光頻率發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)采用C-OTDR技術(shù)探測光纖中的瑞利散射。

長距離分布式光纖C-OTDR系統(tǒng)原理如圖2所示，窄帶激光器發(fā)射連續(xù)激光，經(jīng)過3dB耦合器將連續(xù)光分成兩路，一路光作為本振參考光，另一路光經(jīng)過脈沖調(diào)制將連續(xù)激光調(diào)制為脈沖激光輸入到被測光纖中產(chǎn)生散射光信號(hào)，將散射光信號(hào)與參考光進(jìn)行外差相干獲得被測光纖上各監(jiān)測點(diǎn)的擾動(dòng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)被測光纜沿線的外界入侵監(jiān)測。圖2中坐標(biāo)圖分別展示了振動(dòng)源作用前、作用時(shí)及作用后的差分信號(hào)波形示意圖。振動(dòng)信號(hào)作用時(shí)，作用點(diǎn)光纖前端及尾端的信號(hào)不受作用點(diǎn)信號(hào)串?dāng)_。

2 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>

以實(shí)際輸油管道為現(xiàn)場環(huán)境搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證長距離分布式光纖振動(dòng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)DVS在輸油管道實(shí)施在線監(jiān)測的可行性。

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

以西北某輸油管道作為測試現(xiàn)場，分別在其200余公里長的原油管道2#、 9#閥室安裝一臺(tái)單通道監(jiān)測主機(jī)，在6#閥室安裝一臺(tái)雙通道監(jiān)測主機(jī)，每個(gè)通道方向監(jiān)測25～30 km。監(jiān)測主機(jī)安裝于閥室儀表間機(jī)柜中，與交換機(jī)進(jìn)行連接，并將數(shù)據(jù)上傳到同閥室的監(jiān)控電腦上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，連接顯示器進(jìn)行信號(hào)展示。系統(tǒng)設(shè)置了多個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)測工作站，分別置于區(qū)域控制中心和調(diào)度控制中心。工作站可通過專用生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)測主機(jī)進(jìn)行訪問與控制，并實(shí)時(shí)獲取各閥室的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以供客戶端軟件實(shí)施報(bào)警響應(yīng)。

系統(tǒng)軟件分為三層，第一層為儀表層，主要功能為采集信號(hào)的原始數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)處理；第二層為算法層，主要接收第一層軟件傳輸過來的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，提取信號(hào)特征，對數(shù)據(jù)進(jìn)行模式識(shí)別驗(yàn)證，并將模式識(shí)別結(jié)果傳遞到第三層；第三層接收第二層軟件傳遞過來的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，結(jié)合地理信息將處理結(jié)果展示并進(jìn)行報(bào)警提示（圖3）。

實(shí)驗(yàn)用的傳感光纖為隨管道同溝敷設(shè)的通信光纜，為單模光纖G652。硬件系統(tǒng)搭建完畢后，需要進(jìn)行軟件系統(tǒng)的搭建和配置，首先對輸油管道進(jìn)行GPS定位，結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)展示平臺(tái)，在坐標(biāo)定位處進(jìn)行地面敲擊以實(shí)現(xiàn)光纖定位，以此確保管道位置與光纖位置的定位匹配。實(shí)驗(yàn)采用的GPS定位儀擁有米級定位精度，預(yù)警系統(tǒng)的光纖定位精度為10 m，因此光纖與管道匹配精度達(dá)到米量級。

獲取被監(jiān)測管道的坐標(biāo)位置及對應(yīng)光纖點(diǎn)位后，即可在軟件平臺(tái)電子地圖上進(jìn)行展示。

2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)包括在測試線路上選定測試點(diǎn)進(jìn)行人工挖掘和機(jī)械挖掘操作，以模擬管道附近的人工挖掘和機(jī)械挖掘損壞行為�，F(xiàn)場在3個(gè)監(jiān)測區(qū)段共選擇了7個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行（表1），記錄原始數(shù)據(jù)和報(bào)警響應(yīng)數(shù)據(jù)，將報(bào)警響應(yīng)數(shù)據(jù)作為本次實(shí)驗(yàn)的最終評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。為測試系統(tǒng)的精確性和靈敏度，在部分測試點(diǎn)進(jìn)行了定位精度、響應(yīng)范圍、響應(yīng)時(shí)間及模式識(shí)別準(zhǔn)確率測試。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為預(yù)警系統(tǒng)的報(bào)警展示界面，每一條報(bào)警信息均包含了報(bào)警位置坐標(biāo)、報(bào)警模式、報(bào)警時(shí)間以及報(bào)警置信度。

圖4（a）為典型的人工挖掘時(shí)域監(jiān)測信號(hào)曲線，圖4（b）為典型的挖掘機(jī)在管道附近真實(shí)挖掘行為的時(shí)域監(jiān)測信號(hào)曲線。其中，人工挖掘位置相對于監(jiān)測主機(jī)近，機(jī)械挖掘相對于監(jiān)測主機(jī)遠(yuǎn)，因此人 工挖掘的整體信號(hào)強(qiáng)度比機(jī)械挖掘強(qiáng)，且相對于機(jī)械挖掘信號(hào)更清晰，主要是機(jī)械挖掘受發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)的影響，導(dǎo)致信號(hào)整體能量較強(qiáng)，而人工挖掘信號(hào)局部較強(qiáng)。

表2為測試點(diǎn)的定位精度測試結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在測試樁號(hào)處進(jìn)行人工挖掘激勵(lì)和機(jī)械挖掘激勵(lì)下均能準(zhǔn)確報(bào)警，報(bào)警樁號(hào)與測試樁號(hào)的距離偏差具有隨機(jī)性，但總體距離偏差不超過10 m，與本測試系統(tǒng)的定位精度（10 m）比較吻合。

表3為響應(yīng)范圍及響應(yīng)時(shí)間測試結(jié)果。在各監(jiān)測區(qū)段各選一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，分別選擇垂直于管道走向5、10、 15、 20 m 四個(gè)測試點(diǎn)，機(jī)械挖掘作為激勵(lì)源。結(jié)果顯示各個(gè)測試點(diǎn)均有報(bào)警輸出，所不同的是報(bào)警響應(yīng)時(shí)間與測試點(diǎn)的土壤硬度有關(guān)。分析表明本系統(tǒng)能響應(yīng)垂直于管道20 m范圍的挖掘行為，當(dāng)管道周邊為干燥硬質(zhì)土壤時(shí)其總體響應(yīng)時(shí)間在30 s內(nèi)，若為松軟土壤，則其響應(yīng)時(shí)間會(huì)相應(yīng)延長。

4 結(jié)論

現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分布式光纖振動(dòng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)能有效的應(yīng)用于輸油管道的振動(dòng)監(jiān)測預(yù)警，準(zhǔn)確進(jìn)行人工挖掘與機(jī)械挖掘等外破行為的模式識(shí)別，具有定位精度高、響應(yīng)時(shí)間快、動(dòng)態(tài)監(jiān)測范圍大、敏感度高等優(yōu)點(diǎn)，為輸油管道實(shí)時(shí)監(jiān)測外部施工損壞及打孔盜油等異常事件、實(shí)現(xiàn)管道損壞事前預(yù)警預(yù)防提供了合理有效的監(jiān)測方法。

參考文獻(xiàn)：

【1】涂勤昌,韋波,張真毅,等. OTDR型分布式光纖傳感器在油氣管道監(jiān)測中的應(yīng)用[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2015(3):28-31..

【2】趙宏振,戴承奇,祖正寧,等.基于OTDR的油氣管道監(jiān)測及定位方案應(yīng)用[J].光通信技術(shù),2015, 39(5).

【3】何弼.分布式光纖傳感技術(shù)在管道監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2017(1):9-12.

【4】周德新,樊智勇.管道泄漏監(jiān)測與控制技術(shù)的研究[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2005,13(3),237-238+264.

【5】Lu Y,Zhu T,Chen L,et al .Distributed Vibration SensorBased on Coherent Detection of Phase-OTDR[J]. Journalof Lightwave

Technology, 2010, 28(22):3243-3249.

【6】Fei Peng,Han Wu,et al . Ultra-Long high-sensitivityФ-OTDR for high spatial resolution intrusiondetection of pipelines[J].

OPTICS EXPRESS,2014,11(22):13804-13810.

作者：張玉龍， 1985年生，工程碩士，長慶油田分公司第二輸油處數(shù)字化與科技信息中心副主任，工程師，從事輸油管道泄漏防控、能耗優(yōu)化、管道信息化管理與智能化研究等工作。