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1、分布式光纤传感技术在管线检测中应用图文分布式光纤传感技术在管线检测中应用江宏 1 崔何亮 2(1欧美大地仪器设备中国有限公司 2 Neubrex Co., Ltd.摘要:布里渊时域分析仪 (BOTDA 是近年来在国际上研发成功的一种分布式光电传感技术, 该技术已开始广泛应用于结构体和工业设备等的温度、 应变检测。 而 Neubrex 公司在该技术 基础上开发了新一代应变测量技术脉冲预泵浦 BOTDA(简称 PPP-BOTDA ,实现了 10cm 的空间分辨率和7.5的应变测量精度。本文重点介绍了 PPP-BOTDA 技术原理以及与传 统应变点式检测技术对比,并通过工程实例介绍该技术在管线检测中

2、的应用。关键词:布里渊时域分析仪; BOTDA ;光纤传感;脉冲预泵浦;空间分辨率;管线检测众所周知,很多情况下输油、输气管线 经常通过地层条件复杂且地质灾害频发的 区域,如经常发生滑坡、泥石流、地震的地 区以及常年冻土地区。 这些地质灾害经常造 成地下管线的故障、破坏、泄漏,从而带来 经济损失和生态破坏等严重后果。此外,正 在营运的管道由于内部流体的腐蚀和侵蚀, 也将导致自身的损坏。对管道进行结构和功能上监测对于管 线的管理和安全运行显得尤为重要, 定期给 管道管理部门提供管线运行过程中结构和 功能上的参数将有助于预防管线故障; 及时探测管线损坏及所在位置; 确保管线 维护和修复行动及时有效

3、。 通常进行管线监 测的结构方面的参数包括管道的应变和曲 率,而功能上监测的内容为分布式温度、泄 漏和管线损坏。目前, 国内外应用于管线工程监测的技 术和方法主要是传统的电测式传感器, 而管 线的长度一般都是几公里以上, 这样几千只 传感器从布点连线到数据采集不仅复杂且 成本高。另外,受到布点数量的限制,无法 全面反映管道的结构和功能情况, 现在国内 外应用于管线工程监测的技术和方法正在 从传统的点式仪器监测向分布式、自动化、 高精度和远程监测的方向发展。 近年来兴起 的光纤传感器具有抗电磁干扰、防水、抗腐 蚀和耐久性长等特点, 特别是分布式传感光 纤, 以其独特的优点在管线工程监测中有着 很

4、好应用前景,具有如下优点:分布式:可以准确测出光纤沿线任一 点上的应力、温度等信息,克服传统点式监 测漏检的弊端,提高监测成功率。长距离:光纤既作为传感体又作为传 输体就可以实现长距离、 全方位监测和实时 连续控测。耐久性:传统的工程监测一般采用应 变片等电测技术,传感部件易受潮湿失效, 不能适应一些大型工程长期监测的需要。 光 纤的主要材料是石英玻璃, 与金属传感器相 比具有更好的耐久性。抗干扰:光纤是非金属、绝缘材料, 避免了电磁、雷电等干扰。轻细柔韧:光纤的这一特性,使它避 免了匹配的问题,便于安装埋设。精度高:测量精度达 7.5微应变 /0.4摄氏度,重复性达 2.4微应变 /0.1摄

5、氏度。 基于受激布里渊散射的布里渊光时域 分析技术 (Brillouin Optical Time-Domain Analysis, 简称 BOTDA 最初由 T. Horiguchi 等人于 1989年提出,用于光纤通信中的光 纤无损测量。 当 BOTDA 系统采用的泵浦脉冲 宽度减小时,布里渊频谱发生增宽,同时峰 值信号的强度也会随之降低。因此,仅通过 减小脉冲宽度来提高空间分辨率的方法难 以实现。 X. Bao 等通过在泵浦脉冲光前面添 加泄漏光的方法, 可同时获得高空间分辨率 和窄的布里渊频谱, 在实验室环境下实现了 1 ns 脉冲宽度的受激布里渊散射, 获得了厘 米级的空间分辨率。但

6、进行监测时,传感光 纤长度改变以后需要对测量设置进行修改, 并且随着监测范围的增大, 信号的噪音也随 之增大,使得长距离检测难以实施,这两个 技术缺陷的存在, 使得该技术难以商业化应 1欧美大地仪器设备中国有限公司 Earth Products China Ltd.欧 美 大 地 科 技 集 团 成 员 Member of Earth Technolgies Group用。 日本 Neubrex 公司光纳仪是突破了泄漏 光泵浦脉冲的理论缺陷, 利用独创的脉冲预 泵浦技术,突破了以往 BOTDR 技术的界限, 成功地使测量空间分辨率和精度都得到了 飞跃般的提高。PPP-BOTDA(Pulse-P

7、rePump Brillouin Optical Time Domain Analysis 的空间分辨率小于 10cm、 应变测定精度达到 了7.5、重复性为2.4。1 PPP-BOTDA工作原理及其验证1.1 PPP-BOTDA工作原理脉 冲 预 泵 浦 布 里 渊 光 时 域 分 析 法 (PPP-BOTDR 通过改变泵浦光的形态, 在测量的脉冲光发出前, 增加一段预泵浦脉 冲波来激发声子,测量原理图见图 1所示。预泵浦脉冲描述如公式 (1所示:(+=其它 , 00, C , C A t A Pr P Pr Pr P P P D D t D t D D e ee (1这里 D 表示泵浦脉冲

8、光持续时间,而Dpre 表示脉冲预泵浦光持续的时间。 Cp 表示脉冲光功率,而 Ap+Cp表示脉冲预泵浦光功率。通过适当设置脉冲光与脉冲预泵浦光的功率比即消光系数(Rp ,可以降低多余 的输出功率,见公式(2 。(2 图 1 PPP-BOTDR 工作原理图利用摄动理论推导出探测光受激布里 渊散射振幅公式为(3。(CW CW E 0t A 1H t, =+, (3 公式(3右边后面参数代表 受激布里渊散射光, 表示摄动参数,这里取值为 2.210-4。 为声子的频率, 即泵浦光和探 测光的频率差。 t 是时间参数。一般来说, 受激布里渊散射光谱项由泵浦脉冲光二 次积分所得,即公式(4:(0022

9、, , Lg g z z H t A t h z s A t s dsdz = (4如果 泵浦脉冲光的轮廓形状由阶梯函数来表述的话,公式(4可以划分为 4个时间段,即: 1234(, (, (, (, (, H t H t H t H t H t =+(5表 . 公式(5的时间段代表的物理意义意义 特性H 1 泵浦脉冲光高空间分辨率, 宽光谱范围H 2 脉冲光与脉冲 预泵浦光交互 作用高空间分辨率, 窄光谱 范围H 3 脉冲预泵浦光 与脉冲光交互 作用振动噪音和复杂成分 H 4 脉冲预泵浦光 低空间分辨率, 窄光谱范围2=P R +P P p C A 2欧美大地仪器设备中国有限公司 Earth

10、 Products China Ltd.欧 美 大 地 科 技 集 团 成 员Member of Earth Technolgies Group图2 脉冲预泵浦光持续时间的影响从图2中可以得到以下结论: 声子受激需要近28ns的时间 伴随空间分辨率的提高,布里渊增益频谱(BGS的半值全宽(FWHM逐 渐增大,曲线趋于平坦。 脉冲宽度短于1ns(10cm时,BGS的FWHM将接近1GHz。 较宽的FWHM使得中心频率的精确测量变得极为困难。1.2 PPP-BOTDA技术验证本次试验将展示 PPP-BOTDR 技术对布 里渊频谱的改善效果以及测量空间分辨率 和精度方面进行的验证。 验证方法是在实验

11、 光纤中设置 20cm 长的应变段;并以三种脉 冲光形态,分别注入实验光纤;对实验光纤 的 A 点(远离应变段 、 B 点(应变段边缘 和 C 点 (应变段中心 三点的频谱进行观察 对比, 最后将 PPP-BOTDA 条件下的测量结 果换算为应变分布曲线。1.2.1 验证实验脉冲光形态本次实验采用三种脉冲光分别注入实 验光纤,第一种脉冲光为阶梯式脉冲,即 PPP-BOTDA 技术;第二种仅是 1ns 宽度的 脉冲光;第三种仅是 13ns 宽度的脉冲预泵 浦光,见图 3。测试光纤中设置 20cm 长的 应变段,见图 4,在光纤的左端分别注入三 中形态的脉冲光,在右端注入探测光,观测 A 、 B

12、和 C 点布里渊散射光频谱曲线。 泵浦光 (阶梯式脉冲 A p (t pre 泵浦光 ( 仅脉冲光 t 泵浦光 (仅脉冲预泵浦 pre 图3 实验脉冲光形态图4 实验光纤1.2.2 验证结果分析通过实验,在三种脉冲条件下A、B和C 点布里渊散射光频谱曲线如图5-7所示。 3欧美大地仪器设备中国有限公司 Earth Products China Ltd.欧 美 大 地 科 技 集 团 成 员Member of Earth Technolgies Group图 5 A点的布里渊频谱 图 6 B点的布里渊频谱图 10 光纤应变分布曲线 图 7 C点 渊频谱 图 8 仅有短 频谱对比 能获得足够的受激

13、布里渊散射光强 度; 80 MHz (从仅使用 脉冲 cm 的空间分辨率与 7.5高测量精度。2 工 布式监测系统,并已得到了实际应 。 基本原理从以上实验结果可以得到如下结论: 1 利用 1ns 的极短的泵浦光脉冲,本 系统也 的布里 在不同脉冲光形态下 A 、 B 、 C 点频谱 对比图见图 8和图 9以及实验光纤应变分布 曲线见图 10。脉冲光条件下各点的图 9 阶跃脉冲光条件下各点的频谱对比图2 在 1ns 的脉冲光入射之前,导入一 个 13ns宽的预泵浦脉冲,布里渊增益频谱 的半值全宽将会减少到 光时的 1GHz ;3 适当设置脉冲光和脉冲预泵浦光的 消光系数, 来自脉冲预泵浦光的信

14、号能够被 有效控制,实现 10 程实例随着使用年数的增加, 发电站的蒸汽管 道内部会逐渐产生侵蚀而导致管壁变薄。 目 前为止,管道安全问题的判断, 主要还依靠 超声(UT 等手动点式探测技术,漏检问 题比较严峻。 2004年日本美浜核电站管道泄 露事故,引发了业界对这一问题的关注。 Neubrex 凭 借 “NBX-6040高 性 能 仪 器 +FutureNeuro传感光纤 +反分析数值模拟 ” 的综合技术优势, 开发了针对针对管道内壁侵蚀的分 用2.14欧 美 大 地 科 技 集 团 成 员Member of Earth Technolgies Group 图 11 光纤铺设示意图分布式光

15、纤传感器采用螺旋状铺设在 蒸汽管道表面,管道的局部因侵蚀而变薄, 其外表面应力应变分布会产生相应的变化, 通过检测铺设光纤的应变值来分析管壁厚三维数值分析结果2.2 度的变化。图 12光纤传感器由于发电厂蒸汽管线温度达到 200摄 氏度以上, 故采用特殊制作的耐热型光纤传 感器, FN-SSH-2B 型表面应变式光纤传感器 最高测量温度可达 250300, 通过 PI 粘合 剂固定在管道表面。 沿着应变光纤传感器 平行布置 FN-TH-1型光纤温度传感器进行 温度补偿。图 耐热型表面应变光纤传感器结构图图 14 耐热型光纤温度传感器结构图2.3 。该方法的定位误差可控制在 5cm 左图 15

16、某一频率 SBS 曲线有效地实现光纤坐标和实 坐标的对应。图 16 实测 SBS 差值曲线13光纤位置确定管道监测中, 实测光纤位置和被测体的 对应关系十分重要。 将制冷剂喷在所需位置 的光纤表面,运行 NBX-6040,以某一频率 观察布里渊散射光分布(SBS 变化情况, 只需 15秒,即可判断出该点所对应的光 纤坐标 右。图 16 是本工程光纤敷设施工过程中,实测 的 SBS 差值曲线。利用制冷剂喷涂的定位 方法, 可以快速而 物 曲 线5欧美大地仪器设备中国有限公司 Earth Products China Ltd.欧 美 大 地 科 技 集 团 成 员Member of Earth T

17、echnolgies Group2.4 结果分析 在正常发电期内实测数据结果具有很 好的稳定性，多次测量的结果，重复性误差 具有正态分布特征。 过发电厂蒸汽管道表面应变监测实例介绍， 证实脉冲预泵浦BOTDA 技术在管道内壁侵 蚀监测的可靠性。 脉冲预泵浦布里渊光时域分析法 （PPP-BOTDR）通过改变泵浦光的形态，在 测量的脉冲光发出前， 增加13ns宽的预泵浦 脉冲波来激发声子。 通过现场验证，适当设置脉冲光和 脉冲预泵浦光的消光系数， 来自脉冲预泵浦 光的信号能够被有效控制， 实现10cm的空间 分辨率，应变测定精度达到了7.5。 通过对管道表面应变的测量，定量 地分析管道内部侵蚀发展

18、状态， 对异常情况 进行判断。 2200 Strain 2000 1800 175 180 Distance m 185 传统UT和光纤传感结合反分析结果 对比可以得到管道壁厚分布相似性。 NBX-6040型光纳仪还不能实现一根 光纤应变和温度的分开测量， 故在现场设计 的应变测量光纤传感器边平行布设光纤温 度传感器进行温度补偿。 图 17 应变光纤的测量结果 通过对管道表面应变的测量， 定量地分 析管道内部侵蚀发展状态， 对异常情况进行 判断。 并将光纤传感结合反分析所获得的壁 厚数据和传统 UT 检查手段实测的壁厚数据 进行对比，从图 18 的对比结果可以看出， 传统 UT 检查的最小壁厚

19、为 10.8mm，而光 纤传感结合反分析技术测得的最小 壁厚为 10.3mm，且壁厚分布也很相似。 参考文献 1 K. Kishida & C-H. Li, Pulse pre-pump-BOTDA technology for new generation of distributed strain measuring system, Neubrex Co., Ltd . 2 Daniele Inaudi &Branko Glisic. DISTRIBUTED FIBRE-OPTIC SENSING FOR LONG-RANGE MONITORING OF PIPELINES, SMARTE

20、C, Switzerland. 3 LI Che-Hsien, Kenichi Nishiguti, Miyuki Miyatake. PPP-BOTDA method to achieve 2cm spatial resolution in Brillouin distributed measuring technique. 17 15. 3 13. 4 11. 7 11. 2 11. 6 13. 8 15. 9 17 最少肉厚点 17 15. 3 12. 8 11. 3 10. 8 11. 7 14. 2 16. 1 17 FLOW 16. 9 15. 1 12. 7 11. 3 10.

21、9 11. 6 14. 1 16. 4 16. 9 16. 8 15. 3 12. 7 11. 2 10. 9 11. 5 13. 9 16. 3 16. 8 12. 5 12. 3 12. 5 11. 7 11. 3 11. 8 13 14. 7 12. 5 5 5 E D C B A 17.0 17.0 16.9 16.8 12.5 4 4 15.3 15.3 15.1 15.3 12.3 3 3 13.4 12.8 12.7 12.7 12.5 2 2 11.7 11.3 11.3 11.2 11.7 1 1 11.2 10.8 10 . 9 10.9 11.3 8 8 11.6 11.

22、7 11.6 11.5 11.8 7 7 13.8 14.2 14.1 13.9 13.0 6 6 15.9 16.1 16.4 16.3 14.7 5 5 5 5 E D C B A 17.0 17.0 16.9 16.8 12.7 4 4 15.3 15.1 14.8 15.3 12.7 3 3 13.0 12.0 11.7 12.2 12.7 2 2 11.5 10.6 10.3 10.8 12.0 1 1 11.7 10.7 10.5 11.0 12.2 8 8 12.7 12.5 12.3 12.7 12.7 7 7 13 .8 14 .2 14 .1 13 .9 13 .0 6 6 15.9 16.1 16.4 16.3 14.7 5 5 17.0 17.0 16.9 16.8 12.7 17.0 17.0 16.9 16.8 12.5 图 18 UT 和光纤传感结合反分析结果对比 3 结论和建议 本文对脉冲预泵浦BOTDA 新技术的工 作原理进行了介绍， 并对分布式光纤的应变 测量精度和空间分辨率进行了验证， 最后通 6