基于光纤光栅静力水准传感器的管道变形监测技术

何 欣

(中石油管道有限公司西气东输分公司南昌管理处,江西 南昌 330000)

0 引言

截至2019年年底，我国油气管道突破13万km，根据《中长期油气管网规划》，到2020年全国长输油气管网规模将达到16.9万km；到2025年，管网规模将达到24万km。总体来说，我国已基本形成连通海外、覆盖全国、横跨东西、纵贯南北、区域管网紧密跟进的油气骨干管网布局。油气管道运营里程长且多为埋地管道，管道不可避免穿越复杂的软土地基、冻土环境，存在发生管道变形导致管道开裂破坏的危险。管道变形是评价管道服役状态最为重要的指标之一，开展管道变形监测，可以有效提高管道运营安全。

目前管道变形监测主要有人工巡检、无人机遥测、管道机器人曲率监测以及基于应变监测的光纤传感技术。其中人工巡检、无人机遥测只能识别地面以上管道变形且无人机遥测技术的飞行距离较短[1]。管道机器人技术主要是依靠安装在管道机器人上的曲率传感器检测管道各个位置的曲率然后重构管道变形形态，属于检测技术，检测一次花费时间长且成本高[2]。基于应变监测的光纤传感技术主要有局部光纤光栅传感技术和分布式光纤传感技术，通过监测管道长度方向或环向应变开展管道损伤或变形评估[3，4]。基于应变参量的管道安全评定方法是目前很有效的手段之一，但是在某些工况下，管道发生大的位移变形不一定对应大应变，且直接从应变计算管道位移存在一定的误差。

鉴于此，本文提出采用光纤光栅静力水准传感器开展管道变形监测研究。基于光纤光栅波分复用功能构建具有多点准分布式监测的管道变形监测系统，并通过试验验证本监测方法的有效性。

1 光纤光栅传感原理

光纤光栅是一种无源器件，作为传感元件具有抗电磁场干扰、耐腐蚀、信号传输距离长等特点，特别适合油气管道、储罐等能源设施的安全监测。根据耦合模理论，光纤光栅布拉格中心反射波长λB为：

λB=2neffΛ

(1)

其中，neff,Λ分别为光纤有效折射率和光栅周期，已有研究表明光纤光栅有效折射率和周期均受施加在其上的温度和应力场调制，当施加在光纤光栅上的温度和应变同时变化时，光纤光栅中波长偏移量为：

ΔλB=KεΔε+KTΔT

(2)

其中,Kε,KT分别为光纤光栅应变灵敏度系数和温度灵敏度系数；ΔλB,Δε,ΔT分别为布拉格中心波长偏移量，应变增量和温度增量。已有试验标定结果表明：Kε=1.2 pm/με，KT=10.8 pm/℃[5]。

由式(2)可知光纤光栅同时受温度和应变调制，而管道所处环境年温差往往变化大，因此实际工程测试中需要进行环境温度补偿。

光纤光栅传感原理见图1。

2 基于光纤光栅静力水准传感器的管道变形监测系统

图2为基于光纤光栅静力水准传感器的管道变形监测系统示意图。图中多个光纤光栅静力水准传感器安装在管道上方，每节管道安装一个传感器用于测量该节传感器的变形，同时在地面上选择一个不动点布设光纤光栅静力水准传感器作为参考点。基于波分复用技术，各个光纤光栅静力水准传感器可用一条光纤传输光缆串联接入到光纤光栅解调仪中，光纤光栅解调仪读取各个传感器上的波长数据，然后通过有线或无线方式传输到管道变形分析中心计算管道各个位置的变形，并通过多点数据拟合方式重构管道线性。

为避免光纤光栅静力传感器能适应不同的地理环境，连通管中注入防冻液体。为防止传感器长期使用防冻液损失的问题，需要定期补充防冻液并重新标定传感器的变形系数。

3 管道变形监测试验

本试验在某油气管道布设过程中在管道表面安装了两个光纤光栅静力水准传感器，传感器通过机械夹持方式固定，整个安装过程不带电不带火，如图3a)所示。图3b)为参考光纤光栅静力水准传感器安装示意图，为防止地面震动导致静力水准传感器测试误差，该参考传感器悬空固定在钢板上，传感器所在的位置为地面沉降为“0”的位置。图4为用于管道测试的3个光纤光栅静力水准传感器的感知曲线，其中传感器1为参考传感器。各个传感器的光纤光栅初始中心波长系数为1 536 nm，1 546 nm和1 556 nm，光纤光栅波长和位移的感知系数分别为-0.022 36 nm/mm，-0.023 55 nm/mm和-0.022 67 nm/mm，线性拟合系数均达到0.999 9以上。

图5为各个传感器近一个月的测试的位移数据，每天测试一次。因本管道属于新埋入管道，管道服役期间基本上不会有变形，故各个传感器监测的数据基本上保持不变，数据的扰动主要是环境温度补偿误差和解调仪自身测试精度影响。选用的光纤光栅解调仪为带有温度自补偿功能的传感器。光纤光栅解调仪选用大连博瑞鑫科技有限公司的BRX-SA-C8型光纤光栅解调仪，测试精度±2 pm，采样频率3 Hz。

4 结语

基于光纤光栅静力水准传感器开展埋地管道变形监测，基于波分复用功能构建多点测试的管道变形监测系统，并在某油气管道上安装传感器开展变形监测。测试结果表明：新建管道短期内的监测数据表明管道没有发生变形，监测数据稳定可靠。