光纤传感技术在管道泄漏检测中的应用与进展

第３７卷第５期２　０　１　１年９月 光学技术ＯＰＴＩＣＡＬ　ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．５Ｓｅｐｔ　２０１１ 文章编号：１００２－１５８２（２０１１）０５－０５４３－０８光纤传感技术在管道泄漏检测中的应用与进展＊庄须叶１，王浚璞２，邓勇刚２，黄涛３，姚军１，田鹏４（１．中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，成都６１０２０９）（２．中石油川庆钻探公司安全环保质量监督检测研究院，四川广汉６１８３００）（３．中石化西南石油局油田工程服务公司，四川绵阳６２１０００）（４．中石油塔里木油田公司，新疆库尔勒８４１０００）摘　要：快速发现并定位管道泄漏对管道运输的安全至关重要，开发永久的、分布式、实时在线的管道检测传感系统是管道安全检测的重要目标。

光纤传感技术具有体积小、灵敏度高、耐酸碱腐蚀、抗电磁干扰能力强、不产生电火花等优点，在管道检测中具有巨大的应用潜力。

对应用于管道泄漏检测的各种光纤传感技术的原理和国内外发展现状进行了介绍，包括光纤布拉格光栅传感技术、光纤散射传感技术、Ｓａｇｎａｃ光纤干涉传感技术、Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ光纤干涉传感技术、偏振光光纤传感技术、光纤消逝场传感技术等。

阐述了各传感技术在管道泄漏检测中的具体应用，通过对各传感技术的优缺点进行比较，总结了各传感技术的特点和进一步研究发展的方向，指出光纤传感技术在管道测漏传感方面具有巨大的优势和广泛的应用前景。

关键词：光纤；光纤传感技术；管道；泄漏检测中图分类号：ＴＰ２１２；ＴＮ２４７；ＴＨ６９１．９ 文献标识码：ＡＯｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｆｏｒ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｌｅａｋａｇｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎＺＨＵＡＮＧ　Ｘｕｙｅ１，ＷＡＮＧ　Ｊｕｎｐｕ２，ＤＥＮＧ　Ｙｏｎｇｇａｎｇ２，ＨＵＡＮＧ　Ｔａｏ３，ＹＡＯ　Ｊｕｎ１，ＴＩＡＮ　Ｐｅｎｇ４（１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｆｏｒ　Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，ＩＯＥ，ＣＡＳ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１０２０９，Ｃｈｉｎａ）（２．Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　Ａｃａｄｅｍｅ，ＳＰＡ，Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｇｕａｎｇｈａｎｇ　６１８３００，Ｃｈｉｎａ）（３．Ｏｉｌｆｉｅｌｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｅｒｖｉｃｅｓ　Ｃｏｍｐａｎｙ，ＳＰＢ，Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｍｉａｎｙａｎ　６２１０００，Ｃｈｉｎａ）（４．Ｔａｒｉｍ　Ｏｉｌ　Ｆｉｌｅｄ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ　ＫｕＥｒＬｅ　８４１０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｆｉｎｄ　ａｎｄ　ｌｏｃａｔｅ　ｔｈｅ　ｌｅａｋｙ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ａｒｅ　ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ．Ｔｏ　ｂｕｉｌｄａｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｓｅｎｓｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｔｈｅ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｉｎ　ｒｅａｌ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｉｎ－ｌｉｎｅ　ｉｓ　ａｎ　ｅｍｅｒｇｅｎｔｄｅｍａｎｄ．Ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｔｏ　ｔｈｏｓｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｅｎｓｏｒｓ，ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｓｅｎｓｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆｆｅｒ　ｓｍａｌｌ　ｖｏｌｕｍｅ，ｈｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｗｅｔ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ，ｉｍｍｕｎｉｔｙ　ｏｆ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ．Ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｔｅｃｈ－ｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｔｏ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｈａｓ　ａ　ｂｒｉｇｈｔ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ．Ｈｅｒｅ，ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｆｏｒ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｌｅａｋａｇｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ，Ｒａｍａｎ　ａｎｄ　Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，Ｓａｇｎａｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ，Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍ－ｅｔｅｒ，ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ　ｆｉｅｌｄ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｏｒｏｕｇｈｌｙ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ　ａｒｅ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ．Ｍｅｒｉｔｓ　ａｎｄ　ｄｅｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄｓ　ｏｆ　ｔｈｅｍａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ；ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｐｉｐｅｌｉｎｅ；ｌｅａｋａｇｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ３４５＊收稿日期：２０１１－０４－１３ Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｘｙｅ８８８８＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ基金项目：中科院西部之光博士资助项目（Ａ１１ｋ０１１）；国家自然基金项目（６０９７８０５１）；四川省百人计划项目作者简介：庄须叶（１９８１－），男，助理研究员，博士，从事光纤传感技术、ＭＥＭＳ技术的研究。

通信联系人：Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｘｙｅ８８８８＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ０　引　言利用管道输送石油、天然气即经济又高效，在国内外得到了大量的应用，我国的西气东输工程以及中俄石油管线的建立，都铺设了近万公里的管道。

如何保证输油、输气管道的安全成为管道作业者最关心的事情之一。

近几年来，我国的油气管道因非法侵入，打孔盗油、自然灾害和管道老化等原因造成的泄漏事件屡有发生，造成了巨大的经济损失和环境污染，虽然管道运输业为维护油气管道的完整性和防止第三方破坏投入了巨大的人力和物力，政府和社会各界从专项立法到具体防范、舆论宣传、专项治理等方面都做了大量的工作，但管道保护的形势依然严峻，迫切需要一种永久的、分布式、能及时发现泄漏并精确定位的实时在线传感系统［１］。

传统的管道检测方法预报不及时、定位精度差以及误报率高的缺点已很难满足这一需求。

基于光纤技术的管道测漏传感系统，以光为载体在同一根光纤中实现现场信号的采集和传输，抗电磁干扰能力强，且传感器没有额外的电学部分，不会产生电打火现象，安全可靠。

光纤材料主要是掺杂的二氧化硅，抗氧化、抗酸碱腐蚀能力强，寿命长，只需要在管道铺设时埋设一条传感光纤，就可以实现对整个管道系统的长期、分布式的实时在线监控［２］。

１　光纤测漏传感技术及进展光纤传感器相对与传统电学传感器的优点使其得到了广大科研工作者的广泛关注，多种光纤传感技术相继被开发并应用到管道安全检测中。

以下针对几种主要的光纤传感技术进行介绍。

１．１　基于光纤布拉格光栅（ＦＢＧ）的光纤测漏传感技术光纤布拉格光栅的主要特点是光纤中的某一段纤芯折射率成周期性变化，光纤布拉格光栅也简称光纤光栅。

其反射光谱的中心波长λＢ与纤芯的有效折射率ｎｅｆｆ、栅距Λ呈关系λＢ＝２ｎｅｆｆΛ（１）图１　光纤布拉格光栅的传光原理示意图 如图１所示，当环境因素导致这两个参数发生改变时，光纤光栅的反射波长λＢ会发生变化，通过检测波长位移量的大小即可反推出外部环境因素的改变量，完成传感过程。

光纤光栅中心反射波长的变化可用公式（２）表示。

ΔλＢλＢ＝ｋεΔε＋ｋＴΔＴ（２）式中ｋε＝ λＢ／ ε是光纤光栅的应力系数，为光纤材料泊松比、弹光系数和有效折射率的函数；ｋＴ＝ λＢ／ Ｔ是光纤光栅的温度系数，是光纤材料热光系数和热膨胀系数的函数；Δε为光栅轴向的应变变量；ΔＴ为光栅温度的变量。

在管道检测领域，一般将若干个ＦＢＧ组成一个传感器阵列来构成分布式的传感器系统。

墨西哥Ｒ．Ｍ．Ｌóｐｅｚ等人提出了一种利用微弯效应加强的光纤布拉格光纤测漏传感系统，传感器的结构如图２所示［３］。

在传感光纤上制有一系列离散分布的布拉格光栅，各光栅间的光纤上覆有对石油类物质敏感的聚合物，当泄漏发生时，聚合物吸收石油发生膨胀，引起光纤输出光强的降低。

当在如图２所示的地方发生泄漏时，其后面的ＦＢＧ２、ＦＢＧ３的反射光强会发生显著下降，使用光频域反射计ＣＯＦＤＲ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｄｏ－ｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）可对泄漏点定位，定位精度可以达到０．５ｍ，探测时间小于８ｍｉｎ。

印度学者Ｎａ－ｈａｒ　Ｓｉｎｇｈ将医用橡胶固定在光纤光栅上，漏油时橡胶膨胀引起光纤光栅反射波长的移动，探知管道泄漏。

在橡胶干后，传感器回复初始状态，多次试验证明传感器具有良好的重复性［４］。

图２　传感器示意图日本学者将超声技术和光纤光栅相结合开发了管道泄漏传感器，如图３所示。

可调激光器（ＴＬ）发出的光，经过光学环形器（ＯＣ）后进入超声波发射机（ＵＴ），在这里与函数发生器（ＡＦＧ）和高速放大器（ＨＳＡ）产生的超声波一起在光纤内传播。

超声波在光纤中传播时会对光纤产生应力的作用，当光纤与泄漏的液体接触时超声波泄漏到基底上，造成光纤中传输的超声波强度降低，光纤内的超声应力减弱，ＦＢＧ的反射波长趋向中心波长（ＦＢＧ　ｍｉｄｒｅ－ｆｌｅｃｔｉｎｇ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ），光电探测器检测到这种变化，即可判断管道发生泄漏。

该结构的传感器避免了在光纤光栅上缠绕其他附属结构的需要，更易实现分布式传感［５］。

国内大庆采油三厂三矿的程书春等也利用４４５光　学　技　术 第３７卷图３　传感器结构简图ＦＢＧ制作了漏油传感器，传感器的探头设计如图４所示［６］。

当漏油发生时，石油类的碳氢化合物与三元已丙橡胶（ＥＰＤＡ）接触，橡胶膨胀，带动光纤光栅在轴向方向产生应变，进而改变光纤光栅的反射波长，通过观察反射波长的漂移量ΔλＢ来确定是否发生漏油情况。

实验中用９０＃汽油对传感器进行了试验测试，传感器的响应间小于３ｍｉｎ，可以快速的检测出漏油情况的发生。

由于温度的变化同样可以引起光纤光栅反射波长的位移，该传感器没有温度补偿措施，只有当光纤的反射波长位移量大于温度引起的位移量时才可以确认漏油情况发生（文章中取１．０ｎｍ），一方面延长了传感器的响应时间，另一方面也可能造成漏诊和误诊。

图５　光纤内散射分类图Ｓｈｉｍｉｚｕ　Ｋ等人利用布里渊散射技术开发了通过检测温度、应变变化来检测管道完整性的分布式光纤传感器，检测长度４０ｋｍ，空间分辨率为１００ｍ［７］。

Ｔ．Ｒ．Ｐａｒｋｅｒ等人开发了可同时进行温度和应变测量的分布式光纤管道传感器，对应变和温度的分辨率分别是１００μｍ和４℃，当检测管道长度１．２ｋｍ时，空间分辨率４０ｍ［８］。