油氣管道光纖監控技術發展現狀ATF

 
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ATF1508ASV-15AU100油氣管道狀態監測是其運行的重要保障，目前國際上發展了包括非光纖型和基于光纖的多種監測技術，分為視頻監控、基于電的聲學傳感、水聽器技術、浮球、光纖傳感等類型。其中光纖傳感方法以其隱蔽性、經濟性和性而具有的優勢，具有較好的推廣應用前景。

　　石油和天然氣輸運與國民經濟和人民生活息息相關，管道輸送相比道路運輸具有、便捷、經濟的特點，但管道可能由于外部擾動、腐蝕、管材和施工質量等原因發生失效事故，威脅國家經濟和人民生命財產。盡管在設計和施工方面，當前我國與國際水平基本相當，在管理方面，我國也開展的大量工作，但與發達國家相比，油氣管道的性仍有差距。有數據顯示，我國油氣管道事故率平均為 3 次/（1 000 km·年），遠高于美國的 0.5 次/（1 000 km·年）和歐洲的 0.26 次/（1 000 km·年）。據統計，我國油氣管道事故，多為人為因素所致，近些年來，第三方破壞對我國油氣管道事故的"貢獻率"高達 40%，隨后依次是腐蝕、管材質量、施工質量和突發性自然災害。為保障油氣管道輸運，需要對管道實施監控，當管道發生泄漏和有外力實施破壞行為時能夠及時告警和預警。以下對當前較新或有代表性的管道監測技術進行評述。
　　1 光纖監控方法
　　1.1 Secure Pipe 產品性能及應用案例
　　澳大利亞 FFT（Future Fiber Technology）公司的管道入侵探測產品 Secure Pipe 是基于 MZ 干涉儀技術，利用敷設在管道上方的光纜作為傳感器，探測和定位入侵，大傳感距離 40 km。系統需要利用光纜中的三根光纖，其中兩根為傳感光纖，一根為引導光纖；也可利用現有光纜中的空閑光纖。FFT 的 CAMS（中央告警監控系統）所管理的探測系統數量不限，使用圖形界面、電子郵件或短消息提供告警。CAMS的 GUI（圖形用戶界面）屏幕可以基于衛星照片、地圖或 CAD 圖像。
　　2003 年，NYSEARCH（美國天然氣研發與演示組織）在新澤西沿一段 40 km 高壓天然氣管道布設了FFT Secure Pipe 監測系統，當不被許可的車輛或活動離管道太近時，其為運營者提供足夠的預警。要求系統在管道附近的道路交叉、鐵路線、居民區和商業區不發生誤報警。在布設后的兩年多時間里，管道沿線經歷了多種類型挖掘設備的多次作業，系統沒有因這些挖掘設備作業而產生誤報警。但是，系統的敏感度較高，以至于許多報警源自管道巡視和其他駛過光纜的車輛。根據 NYSEARCH 的技術總結報告（表 1），Secure Pipe 的定位精度優于產品說明，在小于 10 m 范圍內，產品探測有效性與土壤類型相關，在軟質土壤中探測有效率只有 30%～60%。
表 1 Secure Pipe 對管道沿線不同類型挖掘設備作業的監測結果

1.2 OptaSense 產品性能及應用案例
　　英國 QinetiQ 公司的監控產品 OptaSense 可以在 50 km 距離內，利用現存埋設于管道附近的通信或 SCADA 標準光纜中的一根空閑光纖作為聲學傳感元件，探測到光纜附近 5 m內的人員，10 m內的車輛和 20 m內的機器，傳感原理基于分布式聲學傳感[8]。通過改變脈沖的寬度，沿光纖的空間分辨率在 5～15m 之間可變。各種土壤類型和埋設狀態（如光纜在保護套管內）均可接受，不要求特別的土地狀態或回填物質。
　　直觀的圖形用戶界面在 3 個窗口中提供的信息（圖1）包括：第一個窗口顯示航拍照片并顯示光纖的路徑，當事件被觸發時，OptaSense 可以告知用戶干擾的 GPS 坐標；第二個窗口給出告警歷史，顯示曾探測到什么時間、什么地點的什么事件；第三個窗口為兩個柱狀圖，一個顯示沿光纖整個長度的行為，一個顯示可選區域的放大圖；每個柱狀圖顯示在每個 10 m 長度光纖探測到的信號幅度。除自動告警外，系統操作員也可以通過耳機收聽沿光纖任何位置探測到的聲音，例如人走動或風鉆的特征聲音。


　　由于管道泄漏時會產生聲學振動，因此，OptaSense 也可以探測泄漏。同時，OptaSense 還可以檢測溫度，因而對泄漏檢測多了一重保障。2009 年 11 月，東歐為了保護 100 km 石油管道不受第三方干擾尤其是打孔盜油的危害，兩套 OptaSense系統投入使用（在相反方向各監控 50 km）。幾周后的一個深夜，系統在一個道路與管道交叉處發出有挖掘的告警。警察到達現場前嫌疑犯逃了，到達后發現盜油設備和挖掘的現場，管道沒有受損（圖 2）。
安徽藍普特種電纜集團有限公司      聯系電話：13965984935 郭中清】

（a）盜油現場及位置圖像

（b）盜油的處理過程及結果
圖2 OptaSense 現場應用情況
　安徽藍普特種電纜集團有限公司 【聯系電話：13965984935 0550-7531654 郭中清】　2009 年，OptaSense 在厄瓜多爾發現了一起在管道周圍 20 m 內施工的事件，避免了發生事故。2010年初，哈薩克斯坦的系統集成商 AVENCOM 報道，哈薩克斯坦 KasTransOil 公司通過大量系統測試，決定以 OptaSense 替換 FFT 的 Secure Pipe，后者不能保護 Aktubinsk 區域的 Kenkiyak―Zhanazhol 管道，這段管道因在該國范圍內盜油賊多而聞名。
　　1.3 Helios 分布式聲學傳感系統
　　英國 Fotech solutions 的 Helios 分布式聲學傳感系統是基于光纖內脈沖反射光的干涉原理，探測沿光纖的挖掘、鉆孔、破壞、滑坡等事件。其大傳感距離為 50 km，在 15 km 處的高空間分辨率為 1 m，在 50 km 處的高空間分辨率為±5 m。2010 年曾有報道稱，在美國和墨西哥邊境上試用 Helios 系統監測越境，結論顯示：通過足夠的訓練，觀察者足可以區分由一群人、牛、馬、挖掘隧道、汽車或偷偷摸摸的越境者觸發的事件。
　　1.4 Omnisens 與 SMARTEC SA 的產品性能及應用案例
　　瑞士 Omnisens 公司基于 BOTDA 技術的 DiTEST 測試儀大傳感距離為 50 km。溫度和應變分辨率與測試距離和測試時間的關系：測試距離越長，測試分辨率越低；測試時間越長，測試分辨率越高。測試距離為 50 km、測試時間為 1 min 時，溫度分辨率為 3.2 ℃，應變分辨率為 65 με；測試距離為 50 km、測試時間為 10 min 時，溫度分辨率為 1.1 ℃，應變分辨率為 22 με，測試距離為 10 km、測試時間為 1 min 時，溫度分辨率為 1 ℃，應變分辨率為 20 με，測試距離為 10 km、測試時間為 10 min 時，溫度分辨率為 0.4 ℃，應變分辨率為 8 με。
　　Omnisens 公司的合作公司瑞士 SMARTEC SA 開發的于應變傳感的 SMARTape 光纜呈扁平型（圖3a），可以粘貼在被測件表面。SMARTEC SA 公司用于應變和溫度同時傳感的 SMARTprofile 光纜（圖 3b，其中紅色管內為溫度傳感光纖），因紅色套管隔離了應變，故使其中的光纖不受應變影響而只感應溫度。
　　Omnisens 公司采用可直接埋地的應變測量光纜（圖 3c），能夠承受的沖擊和擠壓。此外，標準通信鎧裝光纜也可用于溫度傳感（圖 3d），其中部分光纖用于溫度傳感，同時其他光纖用于數據通信及 DiTEST測試單元和控制室之間的通信。

（a）SMARTape 應變傳感光纜

（b）SMARTprofile 應變和溫度同時傳感光纜

（c）埋地應變測量光纜（SMC）

（d）標準通信光纜
圖3 傳感光纜示意圖
　　安徽藍普特種傳感光纜被用于意大利 Rimini 地區埋地天然氣管道，該管道已服役 35 年，長 500 m，SMARTape 應變傳感光纜敷設在管道的 0°、120°、-120°方位。另有一根溫度傳感光纜敷設在管道頂部的 0°位置，用以補償應變監測值。傳感線路分為 5 段，長度從 71 m至 132 m 不等，所有傳感光纜通過延長光纜和接頭盒連接至中央監測點，并利用一個 DiTEST 設備解調。由于塌方過程緩慢，每個月進行一次人工測試。經過兩年測試，得到了管道形變和塌方進程的信息，并利用溫度傳感光纜成功進行了一次氣體泄漏模擬試驗。
　　秘魯某液化天然氣公司擬修建一條 408 km 高壓輸氣管道系統，輸氣管道路徑在有陡坡、高峰和低谷的地質不穩定的地區從東至西經過秘魯的安第斯山，海拔 4 000～6 000 m。輸氣管道氣候范圍包括溫暖、潮濕、寒冷和強季節性降水。在安第斯山脈，超過 50%的管道故障由地質災害引起，因此實時監測對于維護管道的完整性至關重要。在拉美，曾有地表被大雨沖走導致管道暴露沒有支撐并引起重復性管道故障。過去采用的視覺監測難以應用于遙遠的山區，傳統的傾斜儀和測斜儀只能提供傳感器所在局部信息，不適于長距離監測。因此，需要一個管道完整性監測系統，可以探測泄漏和地表移動，防止大的故障和事故發生并在崎嶇地形中保持自然環境。Omnisens 為其設計的監測系統包括兩根布設在管道上方溝中的光纜。起始 60 km 裝備有 DiTEST-AIM 光纖監測系統，能夠探測和定位地表移動和泄漏。完整的監測系統包括一個應變和溫度解調儀，一個光開關，一根用于地質探測的應變測量光纜（圖 3c），一根用于泄漏探測的溫度測量光纜（圖3d），其中溫度監測光纜是通信光纜的一部分，通信光纜貫穿整個管道長度，而應變監測光纜只限于暴露的山區。
1.5藍普光電ATFVS分布式光纖振動監測系統
ATFVS結合了光纖干涉原理和分布式傳感理論，通過布設于設防區域的光纖（纜）中的光對觸及或通過承載物（如墻壁、覆土、圍欄等）的環境應力感應、分析，將擾動信號傳遞至系統主機，經信號提取、波形分析及智能化的行為判別，判斷出不同的干擾類型，如禁行區域的闖入、攀爬圍墻、挖掘、鉆探等，實現系統預警和告警，并可以聯動視頻、聲光等設備，真正實現、全時段的入侵監控。