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光纤传感器在输油(气)管道中的应用

　　近几年来，我国的油气管道频频遭遇非法侵入，打孔盗油事件屡有发生，造成了庞大的经济损失和环境污染，所以目前迫切需要一种可以提前预警并可以准确定位的检测系统。采纳目前世界唯一的、独家拥有的光纤传感技术和数据采集、分析装置，专门为油气管道研制了光纤管道安全防御系统，该系统不间断、实时地采集来自管道周边10 米范围内、对管道构成威胁的行为所产生的各类震动，位移，监测管道运行状况，并可以利用已有的通讯方式构成通信网络，实现一个实时性、可准确定位的防止第三方干扰的检测系统。该系统已经成功地应用于国外长输管道上，取得了理想的效果。
　　长期以来，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庞大的人力和财力，但是管道保护的形势却显得日趋急迫。对此各级政府和社会各界也非常关注，从专项立法到具体防范、舆论宣扬、专项治理等方面都做了大量的工作，然而专门针对油气管道的破坏、对输送介质的偷盗行为依旧常常发生。目前这种局面的产生，在一定程度上是由于技术防范的滞后，我们不能在管道被破坏之前发现和检测到这种危害，而原有的检测技术大多只能在管道已破坏，输送介质已经损失的事后才能发现。这种事后检测技术属于 亡羊补牢 ，不能避免损失的发生，因此可以说在管道的安防方面，管道运营商处于十分被动的地位。如果有一种技术能够在对管道造成破坏之前，提前检测出破坏行为的威胁并及时告警，给业主留有足够的时间来制止破坏行为的话，就会给管道运输业扭转当前被动局面，减少损失带来希望。最近，一项刚刚在世界油气储运界得到应用和认可新技术 -- 光纤传感技术的开发和应用给管道安全防范带来了新的希望，它能够对管道安全构成的威胁行为进行早期监测、定位和预警。
光纤管道安全防御系统( FFT Secure PipeTM )在油气储运领域的应用受到了世界各国油气储运业的极大关注，该技术二次开发后，使操作界面更加友好，定位更准确，误报率更低，更适应中国运输管道的实际状况和要求。
　　光纤作为信息传送的载体已经有30多年的历史，光纤传感技术的开发和利用也有了长足的发展。但是，在国内，目前还停留在光栅光纤传感技术的阶段，虽然在不少应用领域也取得了很好的效果，但由于光栅光纤传感技术自身的局限性使其在管道运输领域的应用受到严重制约。而利用现有的与管道同沟铺设的一般通讯光缆来作为传感器FFT Secure PipeTM 技术的优势所在，其核心技术是光纤振动传感器，而不必对光纤进行特别处理(如加刻光栅)，在整根光缆上不作任何加工或改造，只需利用其中的三根光纤在60公里间距的光纤两头接上控制器和传感器即可。
　　目前大多数的分布式光纤传感技术只能监控温度，少数能够准确定位干扰位置和区域，简单地检测、警报，有时能够验证事件的发生。而且只能进行静态或参数变化很少的监控，受限于测量非常窄并且低功率的光脉冲反射的传输时间的要求(大多数基于OTDR技术)。
　　但是如果能获得实时的、半静态、动态的光纤及其位置的干扰信息，则取得庞大的优势，特别是OTDR 技术无法检测的瞬间事件。这通过分布式传感技术同定位技术的结合来实现。这就实现了真正的分布式传感应用，如光纤窜改或第三方干扰的检测，并且提供对光纤四周或与光纤连接的任何结构或材料的监控(即结构完整性的监控、管道泄漏的检测、地面监控、设备状况监控和高安全区域的入侵检测)。
　　分布式光纤传感技术基于独特的光纤振动传感器。振动传感器提供简单、有效和低廉的检测和定性技术，无论是小型还是大型，是静态还是动态的光缆干扰，无论是光缆的哪一部分，以不干扰、直接和实时的方式进行。
　　不仅如此，振动传感器系统能够同使用同一光缆的通信系统同时工作，使通信系统增值，并且振动传感器系统能够很容易地与现有的光纤网络集成。这使得光缆本身能够同时用于窜改警报、干扰警报和完整性监测功能。
　　传感是通过对光纤的外部干扰使用基于模态分布调制(有效改变强度)的干涉效应来实现的。该技术修正了光纤传感器的大多数弱点，提供真正本地的、稳定的和线性的传感。以这种方式，干扰响应成为安装了传感器的光纤的功能。干扰形式可以是物理移动(即压缩(径向或轴向)、拉伸、扭曲、振动等)或颤噪效应(即应力行波或声发射)。
　　传感器可以配置于任何长度的光纤，即可以进行点传感，也可以在非常长的距离上(超过 50km )进行分布式传感。该技术的主要优势之一就是能够依据的应用变动传感距离。这一优势在与长距离通信系统共同工作时尤为重要。
　　该技术另外一个主要特性是配置灵活性，由于该技术不受波长的约束。因此该技术可以与现有通信光缆集成，而不要求敷设新的光缆，使整体的投资性价比提升。
　　该系统需要依据管线的长度增加控制器(每个控制器只可监测 60 公里长的管段)，而每个控制器的报警信息可以接入SCADA系统或现有的监控系统传至报警监测中心CAMS(Center Area 　 Monitoring System) ，操作人员依据报警定位信息进行处理，可及时采用措施中止破坏行为，使管道得以保护，免受损失。来自控制器的报警定位信息，也可以通过公共通信网、英特网甚至 GSM 网传至任何需要的地方。
　　本系统要求使用单模光纤。光在单模光纤中传输除了受光纤本身的模内色散(即材料色散和波导色散)的影响外，还会受到沿着光缆在光缆近处的各种振动、位移、应力应变的影响，这些影响最终导致光波的振幅、波长和传播速度发生变化，该系统将这些信息收集起来并进行处理，就会了解这束光从进入光纤到走完这段光纤(60公里长)沿途所碰到的各种状况，如在这些状况中出现大型施工机械在光缆四周作业并已危及光缆(管道)安全时或有第三方有意挖掘破坏已接近光缆(管道)时，本系统就会做出报警并对危害点准确定位(在60公里管段内，定位精度为50米)。
　　本系统由FFT Micro strain/Locater Sensors (包括激光收发模块)、NI Data acquisition (数据处理板)和专用Locater DAQ 号处理板等专门装置和专利技术组成。检测原理是利用激光的干涉现象。由外界影响光缆近处的振动、位移、应力变化等都将改变光波在光纤中传输的条件，从而改变了光波的幅度(强度)，波长和传送速度等参数。利用两根光纤传输同一光时，在某些条件下会产生干涉现象，收集该光的干涉结果而进行处理会得到光在这段光程中所受的影响及影响的程度。而第三根光纤即可计算出产生影响的地点与始端之间的距离，从而对施加影响地点进行准确定位。而光和光缆不受电磁和雷电的影响，同时，该系统是采纳无源传感装置，而光缆本身具有防化学、耐腐蚀的特性，使这个系统安全可靠、经久经用。