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摘 要：管道运输已经成为继铁路、公路、水路、航空运输以后的第五大运输工具，它是石油和天然气最经济的长距离输送方式。随着长时间的运行磨损、设备的老化、地理和气候环境的变化以及人为损坏等原因，故障经常发生，甚至会造成火灾、爆炸、中毒、等恶性事故。管道的泄漏不仅给生产、运营单位造成巨大的经济损失，而且会对环境造成破坏，严重影响沿线居民的身体健康和生命安全。因此，建立管道监测系统有着重要的意义。本文以分布式光纤传感的工作原理，探讨了分布式光纤传感技术在管道泄漏检测中的应用。
关键词：分布式光纤传感技术；管道泄漏检测；应用
管道系统广泛应用于冶金、石油、天然气供应等工业部门中，工业管道的工作条件非常恶劣，容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部的潜在缺陷扩展为破损而引起泄漏事故。因此，对管道进行监测和诊断成为无损检测技术应用中的重要方面。
一、分布式光纤传感系统工作原理
1.分布式光纤传感系统主要由光纤光栅传感器阵列、光纤光栅传感网络分析仪、数据处理中心3部分组成。整个准分布式传感系统中关键技术就是传感器的工程化技术、光纤光栅传感网络分析仪的解调技术和光纤传感头的制备封装工艺及技术。把多个不同周期的光纤光栅温度传感器按一定规则排成阵列，构成准分布式温度传感系统。从光源发出连续的宽带光，经光缆传输到光纤光栅温度传感器。光纤光栅对该宽带光有选择地发射回相应的一个窄带光，经同一传输光缆返回到光探测器，通过后续接收系统测定各传感器所返回的不同窄带光的中心波长，利用光纤光栅网络分析仪解析出各被测量的数值。由于多个传感器所返回的窄带光信号中心波长范围不同，所以可将这些传感器串接组网实现多点同时测量，大大简化了传感器及引出线的布设，避免了以往逐点测量的不便。
二、分布式光纤传感技术在管道泄漏检测中的应用
1.分布式光纤温度传感系统的性能及应用
（1）分布式光纤温度传感器是一种用于实时测量空间温场分布的高新技术。它能够连续测量光纤沿线处的温度，测量距离可达数十公里，空间分辨率可达1-5m，能够进行不间断的自动测量，具有精度高、不带电，抗射频和电磁干扰、防燃、防爆、抗腐蚀、耐高压和强电磁场、耐辐射、数据传输及读取速度快、自适应性能好等优点，能在各种有害的环境中工作，特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。
（2）分布式光纤温度传感系统的原理。在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，它在光纤中传输的同时不断产生后向散射光波，光波的状态随所在光纤散射点的温度影响改变，将散射回来的光波经波分复用、检测解调后，送入信号处理系统，将温度信号实时显示出来，利用光时域反射，即光纤中光波的传输速度和背向光回波的时间进行定位。目前分布式光纤温度传感器系统主要基于拉曼光反射、布里渊光反射和光纤光栅原理，其中基于拉曼光反射的DTS应用较多。拉曼反射的原理是：光通过光纤时，光子和光纤中的光声子会产生非弹性碰撞，发生喇曼散射，一部分光能转换成热振动，产生波长大于入射光的斯托克斯光；一部分热振动转换成热能，产生波长小于入射光的反斯托克斯光。反斯托克斯光对温度更为敏感，采用斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比可消除光纤的固有损耗和不均匀性所带来的影响。通常用反斯托克斯光作信号通道，斯托克斯光作比较通道。基于拉曼散射的分布式温度传感技术最为成熟。该方法可实现实时监测，精确定位（0.5-2m）。 由于分布式光纤温度传感系统具有上述特性，可广泛用于煤矿、隧道，倉库，大型货轮、油轮，发电厂各种管网，各种大中型输油管道，化工原料、摄影材料、食品等生产过程，智能大厦、一般民用建筑物内的温度检测及火灾报警系统和其他用于防止火灾的用途。
2.OTDR技术是实现分布式光纤传感的关键技术。它的基本原理是光源发出的光在沿光纤向前传输的过程中产生后向散射，后向散射光强在向后传播过程中随着距离增长而按一定规律衰减，在光速不变的情况下距离与时间成正比。因此，根据探测器探测到的后向散射光强及其到达探测器的时间，就可以知道沿光纤路径上任一点的初始后向散射光强。
（1）光的后向散射包括瑞利散射、喇曼散射和布里渊散射种形式。其中，瑞利散射是由光纤材料不均匀导致光纤的折射率不均匀引起的，它是光与物质之间发生的弹性散射，在散射过程中不发生频移；喇曼散射是光与物质分子振动间相互作用产生的光学声子；布里渊散射是光纤材料密度周期性变化产生的声学声子。喇曼散射和布里渊散射都是非弹性散射，在散射过程中产生频移。研究发现，瑞利散射不产生频移，但瑞利散射的光强最大。布里渊散射和喇曼散射都产生频移，布里渊散射的频移较喇曼散射的频移小，但布里渊散射的光强大于喇曼散射的光强。在光谱中光频率低于入射光频率的部分称为反斯托克斯光，大于入射光频率的部分称为斯托克斯光。
（2）在光的后向散射中，瑞利散射的强度相对较大，当外界物理场在某处扰动光纤时，此处的后向瑞利散射光强会明显下降，因此，可通过测量后向瑞利散射光强的变化来检测光纤是否受到扰动。布里渊和喇曼后向散射光强较弱，不宜测量光强变化，但其频移与温度和应变有关，因此，可以通过测量频移变化来检测外界物理场的温度或应变。流体管道可用来输送石油和天然气，当高温、高压的石油泄漏时会导致周围的温度升高，而气体泄漏时，根据液化效应，周围温度将降低，根据这一性质可将基于喇曼和布里渊散射的分布式光纤温度传感器应用到管道泄漏检测中。
三、天然气管道泄漏判定
管道内的天然气一般低于环境温度，一旦发生泄漏，布置在管道外侧的光纤光栅温度传感系统或分布式温度传感系统可感知温度降低，从而发现泄漏并精确定位。管道正常运行时，沿线各点的温度场分布应处于稳定趋势下。当某一时刻管线发生泄漏时，管线漏点附近产生温度场的突然变化，通过光纤温度传感器即时监测到其温度变化，利用计算机监测系统，即可准确判断管道泄漏及泄漏点的位置，实现天然气管道泄漏的在线监测。光纤光栅温度传感系统或分布式光纤温度传感系统布置在管道正上方，光缆和传感器布设时保证一定的曲率，尽量减少光损耗。将光缆终端接入监测站内，安装分析仪和计算机，从而实现对管道系统的关键点或全程的实时在线监测，可以及时发现泄漏并准确定位。
四、应用示例
某天然气管道全长约20km，多处处于地质活跃区，较易发生气体泄漏，感温光缆可埋设在管道一侧靠下的部位，也可在两侧布设感温光缆，增加感温区域，系统工作时，给光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，使光缆加热4℃-5℃（加热温度主要依据光缆所处部位的温度梯度和泄漏浓度而定）即可。实测光缆加热前后的温度沿程分布情况，可以看出，由于光缆所处的某些部位存在泄漏，加热后的光缆温度沿程分布明显地出现了温度极小值，即光纤所处部位的温度没有出现上升的现象，温度极小值出现部位也就是可能出现泄漏的部位。
分布式光纤传感系统应用于管道检测是近年发展的热点，它在实现物理量测量的同时可以实现信号的传输，在解决信号衰减和抗干扰方面有着无法比拟的优势。另外本系统还可应用于电力、冶金、石油、化工、煤矿等领域的温度监测以及应用于消防火灾报警领域。他的推广应用，为实现自动化集中控制与检测奠定了基础。■
参考文献
[1]王占山，等.长输管道泄漏检测和定位技术[J].沈阳工业学院学报，2011，22（2）：32-36.
[2]夏海波，等.王朝辉国内外油气管道泄漏检测技术的发展现状[J].油气储运， 2011，20（1）： 1-5.
[3]姜德生，等.光纤光栅传感器的应用概况[J].光电子#激光， 2012，13（4）：420-430.
关键词：分布式光纤传感技术；管道泄漏检测；应用
管道系统广泛应用于冶金、石油、天然气供应等工业部门中，工业管道的工作条件非常恶劣，容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部的潜在缺陷扩展为破损而引起泄漏事故。因此，对管道进行监测和诊断成为无损检测技术应用中的重要方面。
一、分布式光纤传感系统工作原理
1.分布式光纤传感系统主要由光纤光栅传感器阵列、光纤光栅传感网络分析仪、数据处理中心3部分组成。整个准分布式传感系统中关键技术就是传感器的工程化技术、光纤光栅传感网络分析仪的解调技术和光纤传感头的制备封装工艺及技术。把多个不同周期的光纤光栅温度传感器按一定规则排成阵列，构成准分布式温度传感系统。从光源发出连续的宽带光，经光缆传输到光纤光栅温度传感器。光纤光栅对该宽带光有选择地发射回相应的一个窄带光，经同一传输光缆返回到光探测器，通过后续接收系统测定各传感器所返回的不同窄带光的中心波长，利用光纤光栅网络分析仪解析出各被测量的数值。由于多个传感器所返回的窄带光信号中心波长范围不同，所以可将这些传感器串接组网实现多点同时测量，大大简化了传感器及引出线的布设，避免了以往逐点测量的不便。
二、分布式光纤传感技术在管道泄漏检测中的应用
1.分布式光纤温度传感系统的性能及应用
（1）分布式光纤温度传感器是一种用于实时测量空间温场分布的高新技术。它能够连续测量光纤沿线处的温度，测量距离可达数十公里，空间分辨率可达1-5m，能够进行不间断的自动测量，具有精度高、不带电，抗射频和电磁干扰、防燃、防爆、抗腐蚀、耐高压和强电磁场、耐辐射、数据传输及读取速度快、自适应性能好等优点，能在各种有害的环境中工作，特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。
（2）分布式光纤温度传感系统的原理。在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，它在光纤中传输的同时不断产生后向散射光波，光波的状态随所在光纤散射点的温度影响改变，将散射回来的光波经波分复用、检测解调后，送入信号处理系统，将温度信号实时显示出来，利用光时域反射，即光纤中光波的传输速度和背向光回波的时间进行定位。目前分布式光纤温度传感器系统主要基于拉曼光反射、布里渊光反射和光纤光栅原理，其中基于拉曼光反射的DTS应用较多。拉曼反射的原理是：光通过光纤时，光子和光纤中的光声子会产生非弹性碰撞，发生喇曼散射，一部分光能转换成热振动，产生波长大于入射光的斯托克斯光；一部分热振动转换成热能，产生波长小于入射光的反斯托克斯光。反斯托克斯光对温度更为敏感，采用斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比可消除光纤的固有损耗和不均匀性所带来的影响。通常用反斯托克斯光作信号通道，斯托克斯光作比较通道。基于拉曼散射的分布式温度传感技术最为成熟。该方法可实现实时监测，精确定位（0.5-2m）。 由于分布式光纤温度传感系统具有上述特性，可广泛用于煤矿、隧道，倉库，大型货轮、油轮，发电厂各种管网，各种大中型输油管道，化工原料、摄影材料、食品等生产过程，智能大厦、一般民用建筑物内的温度检测及火灾报警系统和其他用于防止火灾的用途。
2.OTDR技术是实现分布式光纤传感的关键技术。它的基本原理是光源发出的光在沿光纤向前传输的过程中产生后向散射，后向散射光强在向后传播过程中随着距离增长而按一定规律衰减，在光速不变的情况下距离与时间成正比。因此，根据探测器探测到的后向散射光强及其到达探测器的时间，就可以知道沿光纤路径上任一点的初始后向散射光强。
（1）光的后向散射包括瑞利散射、喇曼散射和布里渊散射种形式。其中，瑞利散射是由光纤材料不均匀导致光纤的折射率不均匀引起的，它是光与物质之间发生的弹性散射，在散射过程中不发生频移；喇曼散射是光与物质分子振动间相互作用产生的光学声子；布里渊散射是光纤材料密度周期性变化产生的声学声子。喇曼散射和布里渊散射都是非弹性散射，在散射过程中产生频移。研究发现，瑞利散射不产生频移，但瑞利散射的光强最大。布里渊散射和喇曼散射都产生频移，布里渊散射的频移较喇曼散射的频移小，但布里渊散射的光强大于喇曼散射的光强。在光谱中光频率低于入射光频率的部分称为反斯托克斯光，大于入射光频率的部分称为斯托克斯光。
（2）在光的后向散射中，瑞利散射的强度相对较大，当外界物理场在某处扰动光纤时，此处的后向瑞利散射光强会明显下降，因此，可通过测量后向瑞利散射光强的变化来检测光纤是否受到扰动。布里渊和喇曼后向散射光强较弱，不宜测量光强变化，但其频移与温度和应变有关，因此，可以通过测量频移变化来检测外界物理场的温度或应变。流体管道可用来输送石油和天然气，当高温、高压的石油泄漏时会导致周围的温度升高，而气体泄漏时，根据液化效应，周围温度将降低，根据这一性质可将基于喇曼和布里渊散射的分布式光纤温度传感器应用到管道泄漏检测中。
三、天然气管道泄漏判定
管道内的天然气一般低于环境温度，一旦发生泄漏，布置在管道外侧的光纤光栅温度传感系统或分布式温度传感系统可感知温度降低，从而发现泄漏并精确定位。管道正常运行时，沿线各点的温度场分布应处于稳定趋势下。当某一时刻管线发生泄漏时，管线漏点附近产生温度场的突然变化，通过光纤温度传感器即时监测到其温度变化，利用计算机监测系统，即可准确判断管道泄漏及泄漏点的位置，实现天然气管道泄漏的在线监测。光纤光栅温度传感系统或分布式光纤温度传感系统布置在管道正上方，光缆和传感器布设时保证一定的曲率，尽量减少光损耗。将光缆终端接入监测站内，安装分析仪和计算机，从而实现对管道系统的关键点或全程的实时在线监测，可以及时发现泄漏并准确定位。
四、应用示例
某天然气管道全长约20km，多处处于地质活跃区，较易发生气体泄漏，感温光缆可埋设在管道一侧靠下的部位，也可在两侧布设感温光缆，增加感温区域，系统工作时，给光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，使光缆加热4℃-5℃（加热温度主要依据光缆所处部位的温度梯度和泄漏浓度而定）即可。实测光缆加热前后的温度沿程分布情况，可以看出，由于光缆所处的某些部位存在泄漏，加热后的光缆温度沿程分布明显地出现了温度极小值，即光纤所处部位的温度没有出现上升的现象，温度极小值出现部位也就是可能出现泄漏的部位。
分布式光纤传感系统应用于管道检测是近年发展的热点，它在实现物理量测量的同时可以实现信号的传输，在解决信号衰减和抗干扰方面有着无法比拟的优势。另外本系统还可应用于电力、冶金、石油、化工、煤矿等领域的温度监测以及应用于消防火灾报警领域。他的推广应用，为实现自动化集中控制与检测奠定了基础。■
参考文献
[1]王占山，等.长输管道泄漏检测和定位技术[J].沈阳工业学院学报，2011，22（2）：32-36.
[2]夏海波，等.王朝辉国内外油气管道泄漏检测技术的发展现状[J].油气储运， 2011，20（1）： 1-5.
[3]姜德生，等.光纤光栅传感器的应用概况[J].光电子#激光， 2012，13（4）：420-430.