CN102997052A - 天然气管道泄漏检测的光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种适用于天然气管道泄漏检测系统的光纤传感器。该光纤传感器由弹性圆柱体(3)、光纤干涉仪(4)以及尾纤盘纤盒(5)组成；其中，在弹性圆柱体外周上均匀有序的缠绕光纤干涉仪的干涉臂，并用粘合剂将光纤与圆柱体紧紧粘合在一起，缠绕后剩余的光纤干涉仪及其相关器件将整齐的盘绕在尾纤盘纤盒(5)内；尾纤盘纤盒(5)通过粘合剂固定在弹性圆柱体(3)顶部，上述的弹性圆柱体(3)是一个底部内凹且弧度与管道外表面一致的钢制低矮的圆柱体；传感器安装时，将弹性圆柱体(3)的内凹端使用粘合剂粘在天然气管道外表面上。本发明为准分布式天然气管道泄漏检测系统提供了高定位精度和高灵敏度的前端探头。
Description
技术领域
本发明是一种适用于天然气管道泄漏检测系统的光纤传感器，涉及机械振动的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。
背景技术
目前，世界上建成的管道总长达到250万公里，已经超过铁路总里程成为世界能源主要运输方式，发达国家和中东产油区的油品输运已全部实现管道化。我国管道在近年也得到了较快发展，总长也超过7万公里，已初步形成横跨东西、纵贯南北、覆盖全国、连通海外的能源管网大格局，管道运输成为油气等战略能源的调配输送的主要方式。
管道由于跨越地域广，受自然灾害、第三方施工破坏等原因，导致了较多的管道泄漏事故发生。国外管道安全情况也非常不容乐观，美国2010年9月9日圣布鲁诺市发生天然气管道大爆炸，爆炸在路面造成一个长51米、宽9米的大坑。一段长约8米、直径76厘米的管道被炸上天，飞出大约30米远，并引发大范围火灾，导致4人死亡，3人失踪，至少52人受伤，过火面积4公顷，数十桩房屋被烧毁。近年来人们安全、环保意识显著提升，作为高危行业的管道输运安全问题也得到越来越多的重视。
目前成熟的技术中对于天然气管道泄漏监测只有声波监测法较为有效，但为了提高对泄漏监测的实时性和漏点定位的准确性，必须在管线上加大传感器的布设密度，同时增加相应的供电、通信设备，造成系统成本以及安装维护费用高昂。
随着传感技术的发展国外如美国CSI、ATMOSI、欧洲TER等公司开展了SCADA泄漏监测系统研究，Sensornet公司也开发了基于分布式光纤温度传感器的泄漏监测系统，部分产品在国内也申请了专利保护；国内天津大学、清华大学、中国人民解放军后勤工程学院等单位也对管道的泄漏监测方法做了深入研究。
专利CN200410020046.6公开了一种基于干涉原理的分布式光纤油气管道泄漏监测方法及监测装置。该监测系统要求在管道附近沿管道并排铺设一根光缆，利用光缆中的光纤组成一个光纤微振动传感器。专利CN200620119429、CN200610113044.0均为基于Sagnac光纤干涉仪的管道泄漏监测装置，专利CN200610072879.6是一种基于分布式光纤声学传感技术的管道泄漏监测装置及方法。
《传感器与微系统》第26卷第7期的“基于分布式光纤传感器的输气管道泄漏检测方法”公开了一种基于分布式光纤传感器的输气管道泄漏检测装置和方法，它是在具有一定间隔的管道本体上安装光纤传感器，连续实时监测沿管道本体传播的振动波信号，对采集的振动波信号进行分析处理，包括类型识别和振动源定位，其中类型识别为通过对振动波特征的提取分析判别其是否属于泄漏类型，同时根据振动波传播到相邻几个光纤传感器的时间延迟结合振动波在管道本体上的传播速度确定振动波源所在的位置，传感器输出的光强信号经光电转换后实现泄漏点的位置的确定。
CN1837674A公开了一种基于分布式光纤声学传感技术的管道泄漏检测装置及方法。
US2006/0225507A1公开了一种基于分布式光纤传感器的管道泄漏检测装置及方法。
上述技术均属于分布式光纤传感监测方法。但该类技术监测泄漏时受到管道周围所发生的干扰事件的影响，具有很高的系统虚警率，抗干扰能力较差。
纵观国内与国外的各种管道泄漏监测技术，目前普遍使用的负压波法，流量平衡法，压力坡降等输油管道泄漏检测技术，无法有效的解决气体管道的泄漏检测问题，尤其是对微小泄漏的识别与定位。而基于光纤良好的传感特性，光纤传感技术得以快速发展，其中应用较多的是利用一根与管道同沟敷设的光缆作为气体泄漏传感器，灵敏度虽然比传统技术高，但是其定位效果差，不能完全满足天然气管道泄漏监测的应用需求。
发明内容
本发明的目的是发明一种适用于准分布式天然气管道泄漏检测系统高定位精度、高灵敏度的天然气管道泄漏检测的光纤传感器。
光纤传感天然气管道泄漏监测系统原理框图如图1所示。在埋地天然气管道上均匀分布布设一系列传感器，设备应用时，由光源发出的光依次通过各个传感器，并携带每个传感器的泄漏信号回到光电探测器段，再经过后续处理，完成泄漏信号的识别和事件的定位，并将结果显示在屏幕上。
本光纤传感器结构所采用的技术方案是：一个传感器传感监测天然气管道管线上一个径向点的泄漏信号。通过在管线上布设多个传感器，检测整条管线上的泄漏情况。
该光纤传感器由弹性圆柱体3、光纤干涉仪4以及尾纤盘纤盒5组成(见图3)；其中，在弹性圆柱体外周上均匀有序的缠绕光纤干涉仪的干涉臂，并用粘合剂将光纤与弹性圆柱体3紧紧粘合在一起，缠绕后剩余的光纤干涉仪及其相关器件将整齐的盘绕在尾纤盘纤盒5内；尾纤盘纤盒5通过粘合剂固定在弹性圆柱体3顶部。传感器安装时，将弹性圆柱体3的内凹端使用粘合剂粘在天然气管道外表面上，并作相应的管道防腐处理，使传感器整体与管道表面防腐层无缝对接。
所述的弹性圆柱体3是一个底部内凹且弧度与管道外表面一致的钢制低矮的圆柱体；天然气管道泄漏时产生的径向振动让弹性圆柱体3发生形变，带动弹性圆柱体3外周缠绕的光纤干涉仪4也发生形变，由此改变光纤内传输的光的状态，以致被后端设备检测到；
所述的光纤干涉仪选用迈克尔逊干涉仪或马赫曾德干涉仪；弹性圆柱体3外周上缠绕的光纤是光纤干涉仪的部分干涉臂，每个传感器所缠绕的光纤匝数相同；由此确保每个光纤传感器具有较为统一的灵敏度；
所述尾纤盘纤盒5通过粘合剂固定在弹性圆柱体顶部，其中尾纤盘纤盒5与弹性圆柱体3之间附有一层橡胶垫。
本发明将光纤传感器1整体设计成为一个底部内凹且弧度与管道外表面一致的一种结构，主要是为了使传感光纤尽可能接触管道外壁，增加其灵敏度。尾纤盘纤盒5在固定在弹性圆柱体3顶部之前，要在尾纤盘纤盒5与弹性圆柱体3之间附加一层橡胶垫，主要是使上下两层振动隔离；整个传感器外部是一个塑料护罩其中附有海绵层，主要起到隔离管道外界干扰信号和保护传感器的作用。在安装传感器前需要将相应区域的天然气管道外表面的防腐层清除干净，露出钢管表面，安装时，使用胶粘剂将光纤传感器1内凹的底部粘接在管道外壁上，这也是为了使传感光纤尽可能接触管道外壁，增加其灵敏度。最后在传感器与管道的接合处进行相应的管道防腐处理，使其与管道表面防腐层无缝对接。该结构能够有效控制光纤传感器探头的灵敏度，并对除天然气泄漏之外的信号干扰具有良好的隔离屏蔽效果。
本发明的效果和益处是：基于这种结构的天然气管道泄漏光纤传感器具有检测灵敏度可调，噪声隔离性好的优点，可为准分布式天然气管道泄漏检测系统提供高定位精度和高灵敏度的前端探头。
附图说明
图1光纤传感天然气管道泄漏监测系统原理框图
图2光纤传感器的管道安装示意图
图3光纤传感器的内部结构图
图4迈克尔逊光纤干涉仪
其中1-光纤传感器 2-管道
3-弹性圆柱体 4-光纤干涉仪
5-尾纤盘纤盒 6、7-输入、输出光纤
具体实施方式
实施例.本例的构成如图3所示，在管道本体上每隔1.5km安装一个光纤传感器1，一个光纤传感器1传感天然气管道管线上一个轴向点的泄漏信号。通过在管线上均匀布设多个光纤传感器1，即可检测整条管线的泄漏情况。该光纤传感器由弹性圆柱体3、光纤干涉仪4以及尾纤盘纤盒5组成(见图3)；其中，在弹性圆柱体外周上均匀有序的缠绕光纤干涉仪的干涉臂，并用粘合剂将光纤与圆柱体紧紧粘合在一起，缠绕后剩余的光纤干涉仪及其相关器件将整齐的盘绕在尾纤盘纤盒5内，输入、输出光纤6、7露在外；尾纤盘纤盒5通过粘合剂固定在弹性圆柱体3顶部。传感器安装时，将弹性圆柱体3的内凹端使用粘合剂粘在天然气管道外表面上，并作相应的管道防腐处理，使传感器整体与管道表面防腐层无缝对接。当天然气管道泄漏时产生的径向振动让弹性圆柱体3发生形变，带动弹性圆柱体外周缠绕的光纤干涉仪4也发生形变，由此改变光纤内传输的光的状态，以致被后端设备检测到。
其中，弹性圆柱体3是一个底部内凹且弧度与管道外表面一致的钢制低矮的圆柱体，顶面直径Φ为300mm，圆柱体中心高为20mm；光纤干涉仪4选用的是迈克尔逊干涉仪(如图4)。弹性圆柱体3外周上缠绕的光纤是迈克尔逊干涉仪的干涉臂，缠绕时将两个干涉臂一起沿弹性圆柱体外周整齐盘绕，共绕20匝，余下的干涉臂以及干涉仪其它部分均盘绕固定在尾纤盘纤盒5中。
本例经试验，具有检测灵敏度可调、噪声隔离性好的优点，可为准分布式天然气管道泄漏检测系统提供高定位精度和高灵敏度的泄漏感应探头。
Claims (5)
1.一种天然气管道泄漏检测的光纤传感器，其特征是该光纤传感器由由弹性圆柱体(3)、光纤干涉仪(4)以及尾纤盘纤盒(5)组成；其中，在弹性圆柱体(3)外周上均匀有序的缠绕光纤干涉仪的干涉臂，并用粘合剂将光纤与圆柱体紧紧粘合在一起，缠绕后剩余的光纤干涉仪及其相关器件将整齐的盘绕在尾纤盘纤盒(5)内，输入、输出光纤(6、7)露在外；尾纤盘纤盒(5)通过粘合剂固定在弹性圆柱体(3)顶部；传感器安装时，将弹性圆柱体(3)的内凹端使用粘合剂粘在天然气管道外表面上，并作相应的管道防腐处理，使传感器整体与管道表面防腐层无缝对接。
2.根据权利要求1所述的天然气管道泄漏检测的光纤传感器，其特征是所述的弹性圆柱体(3)是一个底部内凹且弧度与管道外表面一致的钢制低矮的圆柱体。
3.根据权利要求1所述的天然气管道泄漏检测的光纤传感器，其特征是所述的光纤干涉仪选用的是迈克尔逊干涉仪或马赫曾德干涉仪。
4.根据权利要求1所述的天然气管道泄漏检测的光纤传感器，其特征是所述的弹性圆柱体(3)外周上缠绕的光纤是光纤干涉仪的部分干涉臂，且缠绕匝数为定值；每个传感器所缠绕的光纤匝数相同。
5.根据权利要求1所述的天然气管道泄漏检测的光纤传感器，其特征是尾纤盘纤盒(5)通过粘合剂固定在弹性圆柱体顶部，其中尾纤盘纤盒与弹性圆柱体(3)之间附有一层橡胶垫。
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