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采用分布式光纤传感技术远距离管道监测论文

  分布式光纤传感技术具有传统传感技术无法比拟的独特特性。单根光纤可以同时测量数千个点的温度和应变,这种能力对于细长型结构物(如输油管道,水管,油井和挠性管)的监测具有重要意义。例如,基于布里渊和拉曼散射的光纤传感系统用于监测管道泄漏、检查管道作业参数、防止安装在滑坡区域的管道发生破坏、优化油井的生产和监测大功率电缆的危险点。分布式光纤传感技术经过近几年的发展,单个设备可以监测60公里长的管线;在使用光学放大器后可以监测300公里长的管线。新的应用表明,任何分布式传感仪器项目成功的关键因素是传感电缆的设计和生产。尽管一些通信电缆可以有效地监测普通的温度,但在监测高温和低温或者分布式应变时面临独特的挑战,这种就需要特定的电缆设计。本文展示了在远距离分布式传感技术和新型传感电缆设计方面的进展,介绍了该项技术的一些重要应用实例,包括输水输气管道的泄漏监测、输气管道的应变监测、综合性水管和油管的应变与温度的监测等。

  引言

  从自然风险的角度来看,油管、管线和输气管道常常穿越一些危险环境区域,例如泥石流和地震等区域;从其他影响的角度来看有管道被故意破坏或堵塞等问题。这些危害会显著改变管道的初始结构功能,导致管道受损,泄漏和破坏,引起严重的经济和生态损失。此外,管道本身的作业情况也会导致额外的磨损甚至损坏。

  结构和功能的监测可以显著改善管道安全与管理,通过监测不断提供表征管道结构和功能的参数,有助于:(1)防止破坏;(2)及时发现问题及其位置;(3)及时开展维护和修复工作。这样就提高了安全性,优化了维护成本,减少了经济损失。典型的结构监测参数是应变与弯曲,同时主要关注的功能监测参数是温度分布、泄漏和其他干扰。由于管道通常为数千米长的管状结构,监测结构全长本身就是一个问题。采用离散式的长型或短型传感器进行监测实际上是不可能的,因为它需要安装数以千计的传感器和非常复杂的电缆和数据采集系统,增加了监测成本。因此,离散式传感器的适用性被限制在一些可供选择的管道截面或单元上,而无法扩展到管道全长范围上的监测。其他的现行监测方法,包括监测管道首端和尾端处的流量,可以给出发生泄漏的警示,但无法给出泄漏的位置信息。

  基于布里渊散射效应的分布式光纤应变和温度监测技术近几年的发展,提供了可以监测数千米长管道的高性价比工具。因此,使用少量的超长型传感器就能够监测管线的结构和功能参数,且测量的空间分辨率很高,成本合理。

  即使布里渊散射传感技术以及它们在温度和泄漏监测中的应用目前很先进,但分布式应变传感器及其安装技术的发展相对的比较缓慢。

  这篇文章的目的是展示一种新型分布式传感系统的现场应用,名为“分布式温度和应变监测系统”(Distributed temperatureand strain monitoring system)。

  分布式温度和应变监测系统(DiTeSt)

  分布式温度应变监测系统基于受激布里渊散射效应。当入射光在光纤中发生散射时,散射光与入射光相比会发生频移,且频移量与光纤的应变和温度变化成线性关系,所以监测系统可以通过监测频移来监测温度和应变的变化。

  分布式温度应变监测系统主要由处理单元和传感光缆组成。

  处理单元可以与传感光缆的一端就近连接,也可以布置在距离传感光缆较远的地方,中间用通信光纤连接;传感光缆的另一端可以和终端模块连接,也可以和处理单元连接形成闭环。

  温度传感光缆:由四根包裹在不锈钢松套管中的单模或多模光纤组成,并由不锈钢铠装钢丝和聚合物外套保护。合适的光纤保护层可以让光纤在很大的温度范围内工作,不锈钢铠装保护层提供了很高的机械和化学抗性,同时聚合物外套可以提供防腐蚀保护。

  

 

  应变传感光缆:当监测应变时,传感光缆必须与主结构紧密连接在一起,所以选择将光纤集合在复合材料带中,其材料选用聚苯硫醚玻璃纤维增强热塑性塑料。这种传感带有双重作用:它可以附着在结构外表面上或者嵌入道复合材料层中来监测应变;它也具有结构支撑作用。

  管道监测应用

  盐水管道的泄漏监测:2002年,在德国柏林地区建造了一个位于地下约1500米的天然气储存设施。利用采矿技术,在大型岩盐地层中建造地下储气库需要热水,并产生大量饱和盐水。在大多数情况下,盐水不能就地处理,必须通过管道输送到进行化学处理的地方,或将其安全的注入到地底。由于盐水可能对环境有害,所以管道应由泄漏检测系统监控。这条输水管道长55km,选用了两套DiTeSt监测系统,传感光缆在管道施工期间埋在管道下方约10cm处的砂土中。

  

 

  天然气管道监测:位于意大利的一条埋有35年历史的天然气管道位于一个不稳定的地区,长度约500米。土体滑坡随着时间的推移而不断发展,可能会损坏管道。根据初步工程评估,选用了温度传感光缆和应变传感带来监测管道的应变和温度变化。三条应变传感带两两呈120°平行贴在管道表面,每条分为5段,分段长度75m到132m不等;温度传感光缆安装在管道上方,以补偿温度对应变测量的影响。

  

 

  复合高压管道监测:Smart-Pipe是一种高强度、轻型、可监控的纤维增强型热塑性塑料管,其主要特点是使用超高强度的纤维包裹在高密度的聚乙烯管芯上。通过选择不同的纤维、缠绕角和管道尺寸,根据设计条件可以定制符合设计压力,伸长率和运行要求的管道。Smart-Pipe内部可以集成相应的温度、应变、振动等传感光缆,可直接用于修复现有管道或者直接更换管道。

  结论

  使用分布式光纤监测系统可以连续监测和管理管道,提高其安全性,并允许管道操作员对管道的操作和维护做出明智的决定。

  本文上述提到的监测系统和应用实例说明了怎样才能获得有关管道状态和环境情况的不同类型的信息。

  分布式温度监测:允许测量沿管道的温度分布,从而测量流体在输送过程中的温度变化。这些信息可用于优化操作参数,识别和定位水合物、冰和结蜡。

  泄漏监测:通过对温度异常的识别,它能够检测和定位的微小单位的泄漏,这种泄漏不能用常规的体积技术检测。此外,分布式光纤监测系统具有准确查明泄漏位置的能力,可以让操作人员对事故地点立即作出反应,最大限度地减少停机时间和生态后果。

  渗透监测:基于类似的方法,着重于局部应变和温度变化,可以检测到意外或故意渗透的存在和位置。这使得操作人员可以在管道破坏之前采取预防措施。

  分布式应变和变形监测:提供管道沿线应变变化的信息。在地震、山体滑坡、定居或人类活动可能给管道带来潜在威胁的应变条件下,这一点特别有用。分布式应变监测可以提前发现这种情况,允许在发生真正损坏之前进行干预。这是一种在管道管理和按需维护方面非常有用的工具。分布式应变监测也有可能检测由于腐蚀或磨损引起的管道壁厚的变化。

  在一般情况下,分布式应变/变形和温度传感器是一个有用的工具,理想地补充了目前的监测和检查活动,允许更加密集地获取操作和安全参数。测量过程沿管道的任意点进行的,而不是仅在特定位置进行。此外,监测过程是连续进行的,不会干扰正常的流水线作业,清管作业则相反。该方法还可应用于不具有清管能力的管道。

  分布式光纤传感技术的经过近几年的发展,一套监测系统可以监测60公里长的管道,使用光学放大器后可以监测长达300公里的管道。然而,为了实现前面提到的目标并充分利用所描述的传感技术的优点,选择和安装合适的传感光缆,以适应特定的传感要求是至关重要的。虽然在管道施工阶段安装传感光缆通常比较容易,但也可以对现有管道进行改造。在某些情况下,甚至可以使用沿管道安装的现有的光纤通信光缆进行温度监测和泄漏检测。

  

 

  

 

  

 

  

 

  

 

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