油气管道及站场光纤监测技术研究进展

范军领，何 昊，毕海胜,2，李慧瑶，孙国靖，林一帆

(1.青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 266061；2.山东省油气储运安全重点实验室，山东青岛 266580)

0 引言

油气管道在服役过程中，内部工况和外部环境对管道的影响复杂，油气管道的安全运行面临很大威胁，光纤监测可解决管道数据采集、传输、处理分析难等问题，具有优良的灵敏度、传输传感一体性，信号处理分析能力成为近年来管道监测技术的研究热点，部分技术已在中俄东线管道、西气东输管道及站场上应用。文中介绍了油气管道及站场光纤监测技术应用与研究进展，提出了需进一步研究的方向。

1 泄漏监测

传统场站间参数比对、负压波法，具有一定的滞后性，对微小泄漏不敏感。光纤泄漏监测技术较好克服了上述不足，是近年来的研究热点[1]，依据监测变量可分为：微振动、温变与应变传感技术。

1.1 微振动传感技术

微振动传感技术，利用与管道同沟敷设的光缆作为振动传感器，泄漏等会对管道附近的光缆施加力的作用，导致光相位、强度等参数的变化，分析这一变化即可监测管道运行状态，在川中油气矿管线、山东胶州-胶州西管线等应用效果良好[2]。其中，监测光干涉信息的光纤干涉仪结构研究应用较早[3]，Mach Zehnder型检测距离可达80 km，定位精度500 m[4]，但由于一般为三芯结构，传感、参考光纤在同一光缆内，使得该技术灵敏度有限，成本偏高。Sagnac型一般为环形架构，优势在于零光程差、对光源要求低，监测距离长，但难以布放于管道，为避免干涉仪的互易效应，通常将一半光纤设计为非传感光纤与声场隔离，施工难度与系统成本显著增加，后直线型的提出推动了该技术的进一步研究。近年来，混合干涉仪结构也是研究方向，具有良好的灵敏度与泄漏定位能力，但系统成本较高。噪音、光偏振会显著影响上述技术的使用性能，使用法拉第旋转镜、消偏器可有效控制光偏振，但成本相应提升，研究发现，信号处理算法可有效去噪、控制光偏振，提升系统性能，是目前研究的热点。

1.2 温变与应变传感技术

温变与应变传感技术基于布里渊光时域分析技术，利用布里渊频移仅与温度和应变有关这一特性实现管道泄漏监测，已比较成熟， SMARTEC和Omnisens公司的光纤测温系统DiTeSt已实现商业化。ANDO公司研发的光纤应变-损耗分析仪AQ8603可以检测长达80 km光纤沿线的应变，空间分辨率为1 m，应变测量精度可达到±0.003%。脉冲预泵浦应变测量技术，已实现cm级空间分辨率和微应变测量精度[5]。中俄东线部分管段，已将温变与应变传感技术应用于管道泄漏监测、异常土体移动监测等领域，定位精度达100 m，有效保障了管道的安全运行[6]。温变、应变传感技术适用于加热输送管道、海底管道、埋地管道泄漏监测等方向[7-8]，但随监测距离的增大，光纤损耗会加大，系统信噪比降低，精度下降，这是该技术需要进一步研究的难点。

光纤泄漏监测技术主要通过监测振动、温度或应变，且以单一参量监测居多，多参量、多点监测研究较少，应推动发展多参量监测、交互验证、多维评估，进一步降低单参量监测误报率，提高复杂环境下管道线路状态监测事件判断的准确率[9]，应与大数据、5G、物联网等技术的结合应用。

2 安全预警

第三方损坏是管道失效事故的重要因素，特别是长输油气管道，其输送范围大、服役环境复杂多变，给管道安全预警技术提出了迫切要求。油气管道安全预警技术主要包括：光纤传感、声波法、智能防腐层法、地震波检测、卫星遥感等，技术对比如表1所示。

表1 油气管道安全预警技术对比

常用的管道安全预警技术为光纤传感和地震波检测，其中地震波检测使用和维护成本较高，仅适用于重点管段的监测[10-11]。管道光纤预警系统，基于与管道同沟敷设的通信光缆感知外界振动，利用光纤耦合器构成传感回路，结合光电探测模块、数据采集及信号处理终端，可分类识别振动信号，确定外部威胁并预警，在西气东输管线的应用已达640 km，定位精度不超过100 m，预警准确率高于80%[12]。其中Mach Zehnder型较早应用于管道安全预警[13-14]，监测距离达50 km，定位精度±120 m[15]。但由于参考、传感光纤在同一根光缆中，一定程度影响了该系统对于振动的灵敏度，目前，Φ-OTDR型是研究热点，已应用于西气东输等管线[16]，其显著优势在于只需一芯光纤即可监测管道周围振动情况，相较于Mach Zehnder型，成本较低且可实现多点监测，但对光源线宽、频率漂移要求较高。

管道光纤安全预警，需兼顾空间分辨率与监测距离，提升多点监测能力；提高系统硬件质量与信号提取、威胁识别算法运用相结合。

3 周界安防

周界安防是物联网应用的重要组成部分。油气站场周界安防技术主要有：振动光纤、泄漏感应电缆、振动电缆、激光对射、微波对射、张力电子围栏等，技术对比如表2所示。

表2 油气站场周界安防技术对比

由于不同油气站场间的环境差异，使得周界安防系统需要具备防范不同外部入侵行为的能力。其中，基于振动光纤技术的周界安防系统研究应用广泛[17-18]，系统由布设于围栏上或埋设于地下的传感光缆、通信光缆、中心控制单元、报警主机等组成，当入侵行为触碰到光缆时，现场监控终端会监测到这一振动信号，并做分析识别，判断为入侵后系统发出预警，实现站场本地及远程监控。光纤周界安防系统，多采用干涉结构实现振动信号的提取与定位，司辉等[19]将光缆以波浪形固定于围墙栅栏上，增大检测范围、减少风沙扰动，高度较低栅栏，多道光缆平行敷设，增加灵敏度。余光辉[20]介绍了应用于西部油气站场MILES安防系统，表明光纤埋地安装时，安装工艺要求高，定位精度易受埋设条件影响，光纤挂网安装时，定位精度较高，但隐蔽性较差。目前，中俄东线天然气站场采用振动光纤结合激光对射的周界入侵报警系统，联动视频监控，实现了周界入侵智能安防[21]。

站场光纤周界安防，适用于周界距离长的大型油气站场安全防护，但光纤极易受到自然环境的影响，其布设安装直接影响系统性能，随着无人站场理念的推进，需要安防系统具备智能识别入侵行为的能力，这一定程度上取决于信号解析及系统自学习算法的发展。

4 结论

实现智慧管网，首先要建设标准统一的数字化、智能化管道，这也是油气管道技术发展的方向。光纤监测技术提供了准确性高、覆盖面广的数据支持和易于操作的数据、模块接口，管道光纤泄漏监测，微振动、温变、应变传感、红外热成像技术均有不同程度的运用，但多为单参量监测，未来发展多参量交互监测是趋势，管道光纤安全预警，特别是长输管道，兼顾系统空间分辨率和传感距离，提升多点监测预警能力，完善威胁识别算法是需解决的难点，站场光纤周界安防，振动光纤的布设、入侵信号解析及自学习算法是需要进一步研究的方向。光纤监测技术，可连接管道泄漏监测、安全预警、站场周界安防模块，推动管道完整性管理体系及智慧管网的构建。