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1、第15卷第4期中国海上油气(工程)Vol115,No142003年8月CHINAOFFSHOREOILANDGAS(ENGINEERING)Aug.,2003分布式光纤传感技术在海底管道*健康监测中的应用金伟良张恩勇邵剑文刘德华浙江大学,杭州,310027摘要分布式光纤传感技术由于能够获得被测量信息沿空间和时间上的连续分布,非常适用于线形海底管道的健康监测。介绍分布式光纤传感技术及该技术在海底管道健康监测中的应用情况和面临的问题,对该技术在海底管道健康监测中应用前景进行了展望。关键词分布式光纤传感技术海底管道健康监测[2]海底管道作为海上油气集输系统的主要形式,优点,比
2、其他传感元件更适用于工作条件恶劣的在海上油气田开发过程中发挥着重要的作用。由于海底管道监测。利用设置在海底管道中的监测光纤工作环境条件恶劣,海底管道既要受到管外波流等及其光强、频率、偏振态等特性随海底管道温度、应环境荷载的作用,又要受到管内油气腐蚀、压力等作变等状态参数变化的性质,通过对这些特性进行测用以及海上坠落物撞击、渔网拖拉等意外荷载的作量,就可得到海底管道状态参数,从而可以判断海底用,其失效概率高,运行风险大。海底管道失效后果管道的安全性,在海底管道出现危险前及时采取措严重,不仅直接影响到海上油气田的正常生产,而且施避免管道发生失效。在各种光纤传感技术中,分管内
3、原油若发生外泄还会严重污染海洋环境,带来布式光纤传感技术可以获得被测量信息沿光纤各点相应的社会负面影响。为了避免因海底管道失效所在时间上的连续分布,非常适合于线形海底管道的造成的重大经济损失和不良社会影响,必须采取有监测,在海底管道健康监测中应用前景极好。效的措施防止发生海底管道失效问题。引起海底管道失效的原因具有很大的随机性和1分布式光纤传感技术偶然性,很多因素至今没有被认识,从设计角度来避自从20世纪80年代首个分布式光纤传感技术[3]免海底管道失效是很困难的或者是很不经济的;常原理被提出以来,由于它具有可以获得被测量信规的检测方法,如射线法、漏磁法、超声波法、渗透
4、法息在空间和时间上连续分布的特点,加上光纤作为等,只能用于海底管道的定时和定点检测,期望用这传感元件具有诸多优点,非常适合于工程结构监测。些方法以有限次的检测来完全避免海底管道失效也国内外许多研究机构和公司都投入了大量人力物力是不现实的。近年来,随着传感技术的发展和健康财力进行这方面的研究,分布式光纤传感技术得到监测概念的提出,利用传感技术对海底管道进行健快速发展,基于各种原理的分布式光纤传感器被开康监测,为解决海底管道失效问题提供了新的途径。发出来,并且逐渐从实验研究走向实际应用。目前[1]根据Housner对结构健康监测的定义,利用传感分布式光纤传感技术已被应用于航
5、空航天、土木工技术对海底管道进行健康监测,是指利用无损的传程、化工、军事、交通等许多领域。感监测方法获得海底管道结构的内部信息,分析包111分布式光纤传感技术的基本原理括海底管道结构反应在内的各种特征,了解海底管目前分布式光纤传感技术使用的方法主要有反道因损伤或者退化而造成的改变。在各种传感元件射法、波长扫描法和干涉法:反射法是利用光在光纤中,光纤由于具有体积小、重量轻、几何形状适应性传输过程中产生的后向散射效应进行测量的方法;强、抗电磁干扰、电绝缘性好、化学稳定性好以及频波长扫描法是利用保偏光纤在外部扰动作用时发生带宽、灵敏度高、易于实现远距离遥测与控制等诸多模式耦合
6、效应进行测量的方法;干涉法是利用干涉*国家高技术研究发展计划(863计划)经费资助(2001AA602022-1)6中国海上油气(工程)2003年装置对干涉光路中光波的相位进行解调从而得到被DPB=CpE$E+Cpt$t,测量信息的方法。在这3种方法中,反射法是研究PB最多、应用最广的一种。根据其建立在时间域还是DfB=CfE$E+Cft$t。频率域上,反射法又可分为光时域反射法(OTDR)式中:PB为散射光功率;DPB为光功率损耗;DfB为和光频域反射法(OFDR)。光频域反射法相对于光移频;$E为应变变化;$t为温度变化;CfE、CpE、Cft、时域反射法研究较晚,
7、应用范围也不及光时域反射Cpt为应变和温度系数。法广。光时域反射法的基本原理是光源发出的光沿光纤前进过程中产生后向散射,后向散射光强在向后运行过程中随着距离增长而按一定规律衰减,在光速不变的情况下距离与时间成正比;因此,根据探测器探测到的后向散射光强及其到达探测器的时间,就可以知道沿光纤路径上任一点的初始后向散射光强,它可用下面的式子表达:cgP(t)=P0S(t)aS(t)exp[-2a(t)]。图1光纤中散射光谱2式中:P(t)为t时刻后向反射到光纤入射端的光功利用拉曼散射测量温度和应变信号相对简单,率;P0为输入光功率;S(t)为后
