工程背景

管道的特点是点多线长，按铺设方式不同一般分为架空和地埋管道。由于使用环境恶劣，随着服役时间不断增长，腐蚀、地形沉降、重压、机械施工及人为破坏等因素都能使管道出现损伤，甚至泄漏。

管道属生命线工程，一旦发生破坏，将会对石化生产造成严重的影响，产生直接经济损失和不良社会影响。管道的泄漏，特别是微小泄漏，如能及时发现，将为管道的及时维修、保养提供科学的预测信息，以便预防大的泄漏发生。因此，对管道泄漏的检测研究具有极为重要的现实意义。

现状

管道在国民经济中的地位越来越重要，管道的安全运行越来越受重视。对管道泄漏检测方法的研究已有几十年的历史，但由于检测的复杂性如管道输送介质的多样性，管道所处的环境（如地上、管沟、埋地、海底）的多样性，以及泄漏形式的多样性（渗漏、穿孔、断裂等），使得目前还没有一种通用的方法解决管道泄漏探测问题。在实际应用中，某一种泄漏检测方法或一个检漏装置不能同时满足所有要求，常常将几种方法综合实用。

管道泄漏监测主要是对管道从不漏到突然发生泄漏的过程的监测，一般是采用固定的装置对管道进行实时监测，一旦发生泄漏立即报警，使有关人员能够进行及时处理。人工例行巡检、负压波以及可燃气体监测是天然气输送管道监测的常用方法。目前，传统的监测方法如人工巡视、负压波等方法已经不能适应分布地域广、环境复杂程度和破坏前报警的要求，亟需一种工程造价低且能适应大范围监测要求的分布式传感监测系统。由于管道长度长达几百公里，传统的电测式传感器需要沿管线布设几千只传感器，从布点连线到数据采集不仅复杂且成本高，并且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。

监测技术

国内外有众多科研机构、院校、企业针对管道的安全及泄漏监测技术进行了研究，提出了多种方法，包括流量/压力检测法、负压波法、声信号接收法、超声波法、分布式光纤检测法、以及基于模型的各种参量检测法。各种方法简要的描述与特点如下表所示。

表 1 各种管道安全检测方法一览

分布式光纤传感技术是一种新兴的传感技术，它直接以管道同沟敷设的通讯光缆作为传感器，其充分利用光纤空间连续分布的特点，“传”、“感”合一，可实现沿光纤分布任一点的物理参量信息，具有测量信息丰富、可精确定位、本质安全等优点。而且，光纤传感技术是以光波为载体，光纤为媒质，与传统电学传感器相比，光纤传感器具有测量精度高、抗电磁干扰、本质安全、小巧轻柔、适合远程传输等优点，尤其适合在电力、石化、交通、桥梁、大坝等领域应用。将探测光缆沿管道同沟或者并行敷设，可实时获得管道沿线任一点的温度、应变、振动信息，实现管道沿线泄漏、第三方破坏、地质灾害等异常状况实时监测，具有测量距离远、连续分布式测量、可精确定位、安装简单、安全可靠、扩展性强等优点，对管道不会产生任何破坏或影响其正常生产，尤其适合长输油气管道在线监测应用。以上多种检测方法大多为点式传感器，在较长距离的管道安全监测中会受到很大的局限，并且测量精度不高、电传感器需要现场供电等多种因素限制了在现场的应用。因此目前天然气管线主要采用的还是人工巡检的方式，效率较低，不能有效地预防、及时地处理破坏管道的事故。

分布式光纤测温系统（DTS）

分布式光纤测温技术原理

DTS系统使用一个特定频率的光脉冲照射光纤内的玻璃芯。当光脉冲沿着光纤玻璃芯下移时，会产生多种类型的辐射散射，如瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等。其中拉曼散射是对温度最为敏感的一种。光纤中光传输的每一点都会产生拉曼散射，并且产生的拉曼散射光是均匀分布在整个空间角内的。

拉曼散射是由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生的，具体地说，如果一部分光能转换成为热振动，那么将发出一个比光源波长更长的光，称为斯托克斯光（Stokes光），如果一部分热振动转换成为光能，那么将发出一个比光源波长更短的光，称为反斯托克斯光（Anti-Stokes光）。其中Stokes光强度受温度的影响很小，可忽略不计，而Anti-Stokes光的强度随温度的变化而变化。Anti-Stokes光与Stokes光的强度之比提供了一个关于温度的函数关系式。光在光纤中传输时一部分拉曼散射光（背向拉曼散射光）沿光纤原路返回，被光纤探测单元接收。DTS通过测量背向拉曼散射光中Anti-Stokes光与Stokes光的强度比值的变化实现对外部温度变化的监测。在时域中，利用OTDR技术，根据光在光纤中的传输速率和入射光与后向拉曼散射光之间的时间差，可以对不同的温度点进行定位，这样就可以得到整根光纤沿线上的温度并精确定位。

其工作原理如下图所示：

DTS测量原理图

结合高品质的脉冲光源和高速的信号采集与处理技术，就可以得到沿着光纤所有点的准确温度值。

分布式光纤测温技术优势

1. 连续分布式测量

分布式光纤传感器是真正的分布式测量，可以连续得到沿着测温光缆几十公里的测量信息，误报和漏报率大大降低。同时实现实时监测。

1. 抗电磁干扰，在高电磁环境中可以正常的工作

光纤本身是由石英材料组成的，完全的电绝缘；同时光纤传感器的信号是以光纤为载体的，本征安全，不受任何外界电磁环境的干扰。

1. 本征防雷

雷电经常破坏大量的电测传感器。光纤传感器由于完全的电绝缘，可以抵抗高电压和高电流的冲击。

1. 测量距离远，适于远程监控

光纤的两个突出优点就是传输数据量大和损耗小，在无需中继的情况下，可以实现几十公里的远程监测。

1. 灵敏度高，测量精度高

理论上大多数光纤传感器的灵敏度和测量精度都优于一般的传感器，实际已成熟的产品也证明了这一点。

1. 寿命长，成本低，系统简单

光纤的材料为石英玻璃，其具有不腐蚀、耐火、耐水及寿命长的特性，通常可以服役30年。综合考虑传感器的自身成本以及以后的维护费用，使用光纤传感器可以大大降低整个工程的最终经营成本。

分布式光纤测温系统组成

测温主机

HN-DTS-D4测温主机是分布式光纤测温系统的核心。公司的测温主机采用模块化设计，可靠性高；同时凭借高速微弱信号处理技术优势，实现0.5m空间分辨率，技术指标达到国内领先水平。

HN-DTS-D4分布式光纤线型感温火灾探测器具有如下技术优势：

• 快速性

系统测温、定位速度非常高。为了提高测量时间，采用了高速微弱信号处理技术优势，单次测量时间最短为1s，响应速度快。

• 分布特性

分布式光纤线型感温火灾探测器可提供连续动态监测长达十几公里范围内每隔0.5米各点的温度变化信号，可任意设置各级温度报警值。

• 先进性

该系统是世界上目前性能指标最高、功能性最强、可靠性最高、技术最先进的分布式测温产品。关键器件优选国外进口高性能器件，核心算法经过严格测试。

• 准确性

该系统的温度分辨率达到0.5℃，温度精度1℃，空间分辨率达0.5m。

• 灵活性

系统为实时在线监测方式；监测范围内任何一点的报警信号上传至火灾报警控制器的时间不大于30秒。

监测系统提供的是一个连续的动态监测信号，系统可设置多级温度点报警即系统支持多级报警，如30℃初报警，40℃预报警，50℃采取措施等，并且可以根据环境不同进行报警点温度参数设定；具有差定温多种报警方式，并且报警参数可按客户需求进行分区设置，报警方式灵活。

• 兼容性

系统主机为开放通信协议，提供与工作站联接的通信接口，在中央控制室防灾报警工作站以汉化的图文方式显示温度曲线、报警位置、报警温度等全部信息。

系统可以通过RS232、RS485、内置继电器、RJ45或其它工业协议等输出形式与PC、消防报警系统等其它控制设备进行连动，进行声光报警，信号输出准确、完整。

• 安全性

光缆分布式温度监测系统具备安全记录功能，可储存一年以内的历史数据，并可进行有效审核。

单端操作，远程诊断，可通过局域网由专门工程师提供最低限度的系统远程诊断；如果光纤受损，DTS系统可以即时定位受损点，并通过光纤熔接机对其进行熔接，无需停止测量，这对于有效的实施在线监测时非常重要的。

探测光缆本征安全，采用光信号,不会与动力电缆之间产生相互电磁干扰。

用户软件

提供界面友好、操作简单的分布式光纤温度监测应用软件。该软件主要包括：温度监测、火灾报警、可视化显示等功能模块。

• 温度曲线显示

系统可以显示实时整个光缆的温度分布曲线，当某处温度异常的时候通过曲线可以显示该处温度升高或降低。

分布式温度显示曲线

• 历史温度统计

提供历史温度数据统计分析功能，提供温度变化趋势，包括：（1）某时刻电缆不同位置的温度分布曲线；（2）某天电缆某点的温度变化曲线；（3）某时段电缆某点的温度变化曲线；（4）某天最高温度变化曲线。

单点历史温度变化曲线

• 火灾报警

提供定温、温升、区域温差等多种灵活的火灾报警方式，报警参数可以分级、分区域设置。当测量温度超过阈值温度时，系统会自动发出声音、LED指示灯、文字、图像等报警信号。如可设定多级定温报警（如30℃初报警，40℃预报警，50℃采取措施等）及温升速率设定，并且可根据环境不同进行温度修正。温升速率的设定值可由现场监测情况确定。

• 可视化界面

感温光缆

传感光纤为多模62.5/125（纤芯/包层/丙烯酸酯涂层）圆形渐变折射多模光纤，光纤损耗：≤3.0dB/km（波长850nm），0.7dB/km（波长1300nm），光缆内置凯芙拉纤维、不锈钢软管、不锈钢编织网，外披防静电阻燃型PVC外护套，具有良好阻燃和防静电特性。此传感器为非电产品，本征安全，无电源，无发热源，无静电，已通过防爆认证。

• 光纤型号： Fiber-A；

• 光纤类型： 62.5/125

• 光纤芯数： 单芯

• 绝缘护套直径： 0.9mm

• 金属护套材料： 采用Ф2.1mm不锈钢螺纹软管铠装护套。该护套使其在安装时操作更为简便并且提高机械稳定性；

• 外护套材料： 采用Ф3.0mm防静电阻燃型低烟无卤材料作为外护套，具有较高热辐射灵敏性，防水防潮性能良好，能够避免光缆因摩擦而产生静电，完全满足防爆、工程安装需要和长期运行的需要；

• 最小弯曲半径： 小于60mm；

• 防护等级级别： ≥IP67；

• 拉伸强度： 安装过程中最大300N；使用过程中最大500N；

• 抗压强度： 安装过程中最大2000N/10cm；使用过程中最大1000N/10cm；

• 线性碾压力： 300N/cm引起~0.3mm的变形；

• 探测温度： -30℃到+90℃（长期），120℃（>120小时）；

• 光缆工作寿命： 大于30年；

• 防冲击、反复弯曲、扭转、曲绕、弯折、卷绕、渗水性能等均符合IEC794-1标准。光缆本征安全，具有抗电磁干扰、抗机械冲击、抗腐蚀，耐压绝缘强度高等特性。

总体设计方案

系统设计目标

分布式光纤测温系统能将管道任意位置的监测点温度实时显示出来，及时发现泄漏点，一旦发现所测量环境温度值或温升速率超过设定阈值时，系统自动报警，并通过以太网或者继电器将实时报警信号送到监控室，便于值班人员处理。设计目标包括：

• 实时在线的管道温度监测；

• 提供泄漏事件的早期探测；

• 清楚指示泄漏危险地点；

• 将报警信号传送至监控室，供值班人员处理。