一种适用于长距离海管泄露监测的传感器及其监测方法

技术领域

本发明涉及海底油气管道泄露监测技术领域，具体涉及一种适用于长距离海底油气管道泄漏监测的传感器及其监测方法。

背景技术

海底管道是海上石油、天然气运输方式中最为经济合理的选择。截至2015年底，我国共建设海底管道336条，累计长度约6307km，担负着海洋原油、天然气等重要能源的输送任务。然而，随着海底管道的不断建造以及服役时间的不断增长，海水腐蚀和第三方破坏等对海底管道造成损伤的潜在风险也在不断累积，造成海底油气管道泄漏事故的不断发生。据统计，我国近年来共发生38起海底管道事故：其中第三方破坏15起，占39.5％；内腐蚀11起，占比28.9％；外腐蚀3起，占比7.9％。海底管道一旦发生泄漏，如未能及时察觉并采取相应的处理措施，势必造成巨大的经济损失和社会问题。

经过国内外相关研究机构多年的研究和实践，目前管道泄漏监测方法大致可以分为内部监测法和外部监测法两大类。其中内部监测法主要有压力梯度法、压力点分析法、负压波法、流量平衡法、次声波法等；外部监测法主要有光纤监测法、气体成像法、气体监测法等。其中，光纤传感技术因为具有探测跨度大、环境适应性好、水下电无源、灵敏度高等特点，近年来已经逐渐取代一些传统的监测技术，成为管道泄露监测的主流技术之一。目前适用长距离管道泄露监测的光纤传感技术主要分为分布式温度/振动传感技术和准分布式振动传感技术。

分布式温度传感技术将传感光缆和油气管道相邻并排安装，并采用分布式光纤测温技术测量传感光缆上的温度分布。当油气管道发生泄漏后，高压液体/气体由于内外压差向外泄漏，会导致泄漏点附近温度发生变化。通过管道相邻的传感光缆测量泄漏时的温度变化就可以识别泄漏的发生并进行定位。

分布式振动传感技术将传感光缆和油气管道相邻并排安装，采用干涉原理或者后向散射原理测量传感光缆沿途的振动信号。当油气管道发生泄漏时会产生管壁异常振动声波。通过管道相邻的传感光缆测量泄漏时发出的振动信号来识别泄漏的发生并进行定位。分布式传感技术的优点在于传感端结构相对简单，并且能够实现长距离的连续测量。但由于其利用光纤中的弱反射信号进行探测，信号分辨能力较弱，所以虚警率比较高。同时，较长的探测距离也限制了其探测的频率响应范围。

专利名称为《一种基于光纤传感的天然气管道泄露监测方法》CN102997063A的专利文本公开了一种准分布式管道泄露监测系统。该系统在管道上隔一定距离安装一个光纤振动传感器，并采用频分/空分复用的方式组成准分布式传感阵列，监测管道上泄露产生的振动信号，通过信号的分析处理，识别泄露的发生并定位。其中光纤振动传感器由弹性结构及光纤干涉仪所构成。上述监测系统具有比分布式传感系统更高的灵敏度。但其机械结构比较复杂，并且由于不同的传感单元需要采用不同的光程差，光路结构相对复杂。

以上技术都有在陆上油气管道监测的相关报道，而海洋环境的特殊性以及铺管工艺流程的制约，使得这些适用于陆上油气管道泄露监测的光纤传感技术并不完全适用于海管的泄露监测。

海水的热容大，管道泄露带来的海水温度变化较小。海管通常为双层管结构，内层为输油气的钢管，外层为水泥配重保护层。由于配重保护层的存在，大幅降低了管外测温/测振的灵敏度和信噪比。另外，为了方便运输，海管在工厂加工成十几米至几十米的一段。在船上铺管前，分段的海管需要经过焊接，配重包裹等工序形成连续长距离管道，并下放到海里。若为了提高监测灵敏度，将传感主干光缆直接埋设于配重保护层中，那么每段海管之间的光路连接只能通过现场熔接或是水密连接器来实现。在长距离情况下，传感主干光缆上庞大的连接点数量会导致主干光路损耗逐点累积，无法实现传感信号的有效传输。假设海管总长度为100km，单根海管长度为12m，那么传感光缆上将存在8000多个连接点。假设连接点的光学损耗为0.05dB，那么100km往返的光学损耗将超过800dB。

上述原因使得现有的分布式光纤温度/振动传感技术并不适合长距离海管的泄露监测。而上述专利CN102997063A所提出的准分布式管道泄露监测系统由于传感器体积比较大，不适合埋入海管的配重保护层中；并且泄露的振动信号需要通过管道和传感器弹性结构间的耦合才能作用到传感光纤上，存在一定的能量损失，限制了探测灵敏度的进一步提高。

所以，急需研究开发适用于长距离海管泄露监测的传感器及其监测方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的问题，提供一种适用于长距离海管泄露监测的传感器及其监测方法。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种适用于长距离海管泄露监测的传感器，其特征在于：在长距离海管的各个泄露监测点上均设置振动传感光纤干涉仪，所述振动传感光纤干涉仪包括第一振动敏感线圈23、第一法拉第反射镜24、第一光纤耦合器33、第二光纤水密连接器37；所述第一振动敏感线圈23是在监测点的单根海管内部的钢管21上直接缠绕一端连接有一个第一法拉第反射镜24的传感光纤构成，第一振动敏感线圈23的另一端引出配重保护层22，并安装一个第一光纤水密连接器25；对应第一振动敏感线圈23的安装位置设置有接驳盒32，所述第一光纤耦合器33、第一法拉第反射镜24安装在接驳盒32中；第一振动敏感线圈23通过第一光纤水密连接器25与接驳盒32中的第一光纤耦合器33连接，各个接驳盒32设置在海管上的主干光缆31上，主干光缆31中的光纤38用于连接接驳盒32中第一光纤耦合器33的光信号输入端和光信号输出端；主干光缆31的一端被引至水上与干端信号处理设备相连接。

进一步的，所述干端信号处理设备包括光源45、第一光电转换设备46以及信号处理端机47。

进一步的，所述接驳盒32的外形设计成与主干光缆31外形一致，设置有接驳盒32的主干光缆31采用外部铠装结构。

进一步的，主干光缆31通过子母管卡53与海管快速固定在一起，并伴随海管一同布放下海。

一种适用于长距离海管泄露监测的监测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一、所述干端信号处理设备通过主干光缆向各个监测点的振动传感光纤干涉仪输入光信号；

步骤二、输入光信号经过各个监测点的振动传感光纤干涉仪后，输出干涉光，并通过主干光缆输出至干端信号处理设备；

步骤三、干端信号处理设备从各个监测点的振动传感光纤干涉仪输出的干涉光的光强的变化中通过相位解调算法解调出第一振动敏感线圈23中光相位的变化，获得引起光相位变化的振动信号的大小；通过信号的分析和处理，将振动信号超过预警值的振动传感光纤干涉仪识别出来，并通过振动传感光纤干涉仪安装位置的一一对应关系，对泄漏点的位置进行定位。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：

1、灵敏度高：本发明将敏感光纤/光缆直接绕在被测海管上，直接传感海管上的振动信息，不存在中间环节的能量传递，也有效避免了能量的损失；同时由于单根海管的长度长达几十米，可缠绕的敏感光纤/光缆长度可达几百甚至上千米，所以可以实现很高的传感灵敏度。

2、传输损耗低：在该方案中，使用水密连接器的位置仅有振动敏感线圈和主干光缆上的接驳盒之间的连接，各个水密连接器的连接损耗不会累积；主干光缆的光路采用光纤焊接的方式进行连接，各点的连接损耗可降至0.01dB。在制作主干光缆时，通过配置时分光路上光纤耦合器的分光比以及各个空分光路上的光信号放大幅度，可以使得每个传感器的信号光强度大致相当，有利于阵列信号的精确解调。

3、施工方便：采用水密连接器的设计使得在海上施工时能够实现振动敏感线圈与主干光缆的光路快速连接；采用子母管卡的设计能够实现主干光缆与海管的快速可靠捆绑。

4、多泄漏事件区分：海底管道沿线布设有多个光纤振动传感单元，每个传感单元都有一定的探测范围。在管线上即使有多处泄漏事件，不同位置处的传感单元可以分别感知，并有效区分。

附图说明

图1.光纤振动传感器的基本原理结构图

图2.缠绕在海管上的第一振动敏感线圈结构示意图

图3.主干光缆及接驳盒内部光路结构示意图

图4.光纤传感器阵列系统结构示意图

图5.用子母管卡将主干光缆和海管连接的结构示意图

图6.用于模拟试验的自来水管泄露监测传感器照片

图7.用于模拟试验的自来水管泄露监测传感系统结构示意图

图8.传感系统在自来水管未通水情况下所测得的信号频谱图

图9.传感系统在较小水流速度情况下所测得的信号频谱图其中，灰色曲线为测试结果曲线，白色曲线为传感系统在自来水管未通水情况下所测得的曲线

图10.传感系统在较大水流速度情况下所测得的信号频谱图其中，灰色曲线为测试结果曲线，白色曲线为传感系统在自来水管未通水情况下所测得的曲线

图11.传感系统在水管泄露情况下所测得的信号频谱图其中，灰色曲线为测试结果曲线，白色曲线为传感系统在自来水管未通水情况下所测得的曲线

附图标记说明：

11：振动敏感线圈；12：弹性体；13：参考光纤；14：法拉第发射镜；15：输入光纤；16：输出光纤；17：光纤耦合器；21：钢管；22：配重保护层；23：第一振动敏感线圈；24：第一法拉第反射镜；25：第一光纤水密连接器；31：主干光缆；32：接驳盒；33：第一光纤耦合器；35：第二光纤耦合器；37：第二光纤水密连接器；38：光纤；39：传感器单元；45：光源；46：第一光电转换设备；47：信号处理端机；53：子母管卡；71：自来水管；72：第二振动敏感线圈；73：第二法拉第反射镜；74：第三光纤耦合器；75：窄线宽光源；76：第二光电转换设备；77：相位信号解调仪；78：孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本方案采用传感主干光缆和海管独立制造，在海上布放时进行光路连接，捆绑下海的方案。

光纤振动传感器的基本原理结构如图1所示，光纤缠绕在弹性体12上构成振动敏感线圈11。当弹性体12在外界环境作用下发生振动时，缠绕在弹性体12上的振动敏感线圈11将发生微小的应变，从而调制振动敏感线圈11中传播的光波的相位。最后，通过测量光波相位的变化就能获得振动信号的大小。对于光波相位的测量是经过激光干涉来实现的。将振动敏感线圈11与光纤耦合器17、法拉第反射镜14一起构成一套光纤干涉仪。信号光通过输入光纤15输入光纤耦合器17，被分为两束光，分别进入振动敏感线圈11和参考光纤13，并经过法拉第反射镜14的反射，回到光纤耦合器17中发生干涉，干涉光由干涉仪输出光纤16输出。在振动敏感线圈11中传输的信号光的相位受到振动信号的影响发生相应的变化，而参考光纤13中传输的信号光不受振动信号的影响，所以干涉光的光强随着振动敏感线圈11中的光相位变化发生相应的改变。从输出光强的变化中通过相位解调算法解调出振动敏感线圈11中光相位的变化，就可以获得引起光相位变化的振动信号的大小。

在本发明中，连接有一个第一法拉第反射镜24的传感光纤直接缠绕在单根海管内部的钢管21上构成第一振动敏感线圈23，如图2所示。为了增强传感光纤的机械强度，可将传感光纤制作成传感光缆后缠绕在钢管21上，并与钢管21一起埋入配重保护层22中。第一振动敏感线圈23的另一端引出配重保护层22，并安装一个第一光纤水密连接器25。当海管发生泄漏时，高压油气通过泄漏孔会引起泄漏孔附近的海管产生相应的振动。海管振动导致缠绕在海管上的光纤发生微小的应变，从而调制光纤中传播的光波的相位。

如图3所示，构成振动传感光纤干涉仪的其余器件，包括第一光纤耦合器33、第一法拉第反射镜24安装在主干光缆31上的接驳盒32中。振动传感光纤干涉仪的信号臂上安装有第二光纤水密连接器37，用于和海管上的第一光纤水密连接器25相连接。为了方便长距离海缆的存储和布放，接驳盒32的外形可以设计成与主干光缆31一致。为了保证主干光缆31的机械强度，可以采取外部铠装的结构。主干光缆31上各个接驳盒32的位置与海管上各个第一振动敏感线圈23的位置保持对应。主干光缆31中的光纤38用于连接接驳盒中的各个振动传感光纤干涉仪，可灵活采用波分/时分/空分复用的方式在一根主干光缆31上集成成百乃至上千个具有相同结构的传感器单元39。不同分光比的第二光纤耦合器35用于构成时分阵列光路。

图4是整个光纤传感器系统的结构示意图。缠绕在钢管21上的各个第一振动敏感线圈23通过第一光纤水密连接器25与主干光缆31上的接驳盒32快速连接，主干光缆31的一端被引至岸上机站或者是钻井平台上，与干端信号处理设备：光源45、第一光电转换设备46以及信号处理端机47相连接。

如图5所示，在海上施工时，主干光缆31通过子母管卡53与海管的配重保护层22快速固定在一起，并伴海管一同布放下海。

当海管的某一位置处发生泄漏时，泄漏点周围的海管上会出现特定频率的振动信号，附近的光纤振动传感单元的干涉信号就会产生相应的变化。通过信号的分析和处理，就可以将信号最为明显的两个传感单元识别出来，并通过单元和安装位置的一一对应关系，对泄漏点的位置进行定位。若某段海管发生严重泄漏，导致该段上缠绕的第一振动敏感线圈断裂，那传感系统能够自动识别出损坏传感单元的位置。

实施例

由于在海上进行海管的泄露监测验证，工程大、时间长，所以我们采用自来水管来模拟验证泄露的监测效果。

如图7所示，将10m长的紧包光纤80μm包层直径的小模场光纤施加一定的预应力均匀缠绕在一根3米长的直径为Φ20mm的金属自来水管71上，构成第二振动敏感线圈72。外围采用胶带进行包裹固定。紧包光纤的一端连接有一个第二法拉第反射镜73。第二振动敏感线圈72通过光纤连接器与外围的第三光纤耦合器74、第二法拉第反射镜73一起构成一副振动传感光纤干涉仪，其中参考臂的光纤长度为40mm。将振动传感光纤干涉仪与一个C波段的窄线宽光源75、第二光电转换设备76以及相位信号解调仪77相连接，构成传感系统。相位信号解调仪77的相位分辨率为10μrad；频率响应范围为20Hz～50kHz。为了模拟泄露状态，在自来水管71上钻了一个直径为2mm的孔78，先采用橡胶塞进行密封。

传感系统在自来水管未通水，周围安静的情况下所测得的信号频谱图如图8所示。从图中可以看到系统的自噪声水平在110dB左右。

传感系统在自来水管通水的状态下所测得的信号频谱图如图9、图10中灰线所示。从图中可以看到，相比于未通水的状态白色曲线，频谱信号发生了明显的变化，频谱成分丰富。在770Hz处有一个明显的信号峰。随着水流的逐渐加大，样品的频带朝着高频段拓宽。

保持水流以中等流速通过样品。将自来水管上的橡皮塞拔除。漏水测量结果的频谱图如图11中灰线所示，存在470Hz、770Hz两个明显的信号峰。对比未漏水时的信号，可以发现470Hz处的信号峰是由于水管泄露所引起的。

上述试验结果表明，采用光纤直接缠绕在待测海管上的方式，结合相应的干涉传感技术，能够高灵敏地测得泄露所产生的特征振动信号，实现管道泄露的监测。

另外，若采用8波分×8时分×4空分的光路复用方式，就可以利用同一根主干光缆中的8根光纤集成256个传感单元。设定传感单元间距为500m，那么采用本发明方案，可以实现128km的海底管道泄露监测。