【成果介紹】
管道運輸由于內(nèi)部腐蝕、外部環(huán)境、管材和施工等原因，易發(fā)生管道失效甚至引發(fā)爆炸事故，嚴(yán)重威脅國家經(jīng)濟和人民財產(chǎn)安全。現(xiàn)有管道安全檢測技術(shù)主要是針對已鋪設(shè)管道加裝傳感器定期巡檢排查，無法做到管道在線自檢且實施成本極高。因此，亟需構(gòu)建一套管道安全完整性監(jiān)測終端系統(tǒng)，實時在線監(jiān)測管道運營狀態(tài)，實現(xiàn)全天候、分布式、高靈敏度、長距離的油氣管道健康監(jiān)測。
本技術(shù)研發(fā)的光纖分布式聲波傳感系統(tǒng)（DAS）可以連續(xù)記錄長距離光纖沿線的聲波信號，是一款世界領(lǐng)先的分布式聲波傳感系統(tǒng)。由于瑞利散射效應(yīng)，入射進傳感光纖中的部分背向散射光會沿原傳播路徑返回，當(dāng)光纖沿線周圍環(huán)境發(fā)生微小變化時，散射光的特征也會受到調(diào)制。通過記錄時間域散射光信號的變化，可實現(xiàn)對光纖沿線聲波信號的測量。本系統(tǒng)基于高精度的相干解調(diào)算法，將分布式聲波傳感系統(tǒng)的探測能力優(yōu)化至皮應(yīng)變級，響應(yīng)帶寬涵蓋次聲到超聲，可應(yīng)用管道安全和周界安防等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)管道監(jiān)測技術(shù)相比，具有全天候、低成本、多參量、高響應(yīng)、長距離在線管道監(jiān)測等突出先進性。
圖：光纖分布式聲波傳感系統(tǒng)
【應(yīng)用解析】
1、管道腐蝕監(jiān)測
目前常用的管道腐蝕檢測技術(shù)主要包括漏磁法，超聲波法，聲發(fā)射法和熱像顯示法等，這類檢測方法往往需要開挖管道，且檢測周期較長，影響管道的正常運營。基于光纖感知的管道損傷監(jiān)測技術(shù)，當(dāng)管道出現(xiàn)損傷時，作用于管道的傳輸聲波其特征將發(fā)生變化，因此通過聽聲的方式可獲得管道損傷的指紋信息。
圖1光纖分布式聲波傳感的管道腐蝕損傷在線監(jiān)測示意圖
目前單臺監(jiān)測主機能夠支持50 km的傳感光纖（對應(yīng)管道長度與光纖布設(shè)方式有關(guān)），管道腐蝕損傷總體識別準(zhǔn)確率為96.92 %，可實現(xiàn)對管道最小損傷等級（0.48 %）的精準(zhǔn)識別。
2、管道泄漏監(jiān)測
由于管道的老化腐蝕，地質(zhì)災(zāi)害、管壓波動及第三方破壞等影響，使得管道泄漏時有發(fā)生。當(dāng)泄露事件發(fā)生時，管內(nèi)外壓差通過泄露口釋放，向外輻射能量進而產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。聲發(fā)射形成的振動波將會沿著管壁向兩側(cè)傳播，通過捕捉并分析泄露引起的聲發(fā)射信號特征可獲得泄露事件的具體信息及實現(xiàn)泄漏點定位。將DAS系統(tǒng)應(yīng)用在管道泄漏事件的監(jiān)測中，則可以實現(xiàn)分布式、全天候的管道泄漏事件監(jiān)測預(yù)警，降低管道泄漏事故帶來的損失。此外，本系統(tǒng)結(jié)合泄漏信號能量特征及數(shù)據(jù)處理算法，可實現(xiàn)泄漏口徑的精準(zhǔn)預(yù)測。
圖2 光纖分布式聲波傳感的管道泄漏監(jiān)測示意圖
3、管道流量監(jiān)測
流量是反映管道狀況的一個重要指標(biāo)，它是控制、分配和調(diào)度的眼睛，亦是安全監(jiān)測和經(jīng)濟核算的必備工具。非侵入式、無創(chuàng)傷管道流速監(jiān)測是實現(xiàn)輸油管線可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。本系統(tǒng)通過監(jiān)測流體經(jīng)過管道時引起的管道振動，可實現(xiàn)對管道內(nèi)流量信息的精確感知。與商用加速器測量結(jié)果相比，本系統(tǒng)具有更好、更穩(wěn)定的流量測量結(jié)果。此外，將所提出的非侵入式、無創(chuàng)傷管道流速監(jiān)測技術(shù)已成功應(yīng)用于現(xiàn)場測試，顯示出巨大的工程應(yīng)用潛力，特別是在長距離管網(wǎng)中。
圖3 管道流速監(jiān)測系統(tǒng)及現(xiàn)場實驗圖
4、管道外破事件監(jiān)測
此外，隨著城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)建設(shè)進入大發(fā)展時期，縱橫交錯的燃氣管道運行正承受著越來越多第三方施工所帶來的風(fēng)險。第三方施工破壞燃氣管道事件時有發(fā)生，輕則影響管道正常供氣，重則危害人民群眾的生命財產(chǎn)安全。基于DAS的管道外破預(yù)警系統(tǒng)，只需利用與管線同溝敷設(shè)通信光纜的其中一根纖芯作為傳感器，通過監(jiān)測傳輸信號變化即可監(jiān)測光纖沿途的振動信號，由此可實現(xiàn)管道沿線的破壞行為的7*24小時不間斷實時監(jiān)控。此外，在實現(xiàn)物理參量監(jiān)測的同時不影響通訊信號傳輸。
圖4 管道外破監(jiān)測系統(tǒng)及事件識別結(jié)果
【技術(shù)指標(biāo)】
（1）測量過程不需要清空管道，光纖系統(tǒng)可長期可靠工作，降低管道巡檢成本50%以上；
（2）可實現(xiàn)管道運輸過程中的全天候在線監(jiān)測，避免定期巡檢方式中在空間和時間上的盲區(qū)；
（3）連續(xù)監(jiān)測距離可達 50 km以上，比超聲監(jiān)測等方法（最長300 m）的探測效率提升近百倍；
（4）可在不影響管道運營情況下，實現(xiàn)管道腐蝕、泄漏、流速、第三方破壞的實時在線監(jiān)測，并對管道潛在危險進行追蹤和事故預(yù)警。
光纖分布式聲波傳感系統(tǒng)性能指標(biāo)
【市場前景】
2025年我國油氣長輸管道里程數(shù)將達到24萬公里，保障油氣管道安全運營對國民經(jīng)濟發(fā)展起著重要作用。目前，油氣管道在運營期間面臨各種威脅事件，而目前的監(jiān)測手段往往低效且影響油氣輸送，且維護成本高。本系統(tǒng)所提出的基于分布式光纖傳感的管道完整性監(jiān)測系統(tǒng)，有望在未來大幅提升能源利用率。
【知識產(chǎn)權(quán)】
該技術(shù)已申請多項中國發(fā)明專利，下表是部分展示：
【合作方式】
技術(shù)許可、技術(shù)轉(zhuǎn)讓、作價入股、技術(shù)開發(fā)、技術(shù)服務(wù)、面談等
【專家介紹】
孫琪真，華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金獲得者（2019）、歐盟“瑪麗·居里”學(xué)者（2013）、湖北省創(chuàng)新群體負責(zé)人（2018）、湖北省杰出青年基金獲得者（2014）。現(xiàn)兼任中國光學(xué)工程學(xué)會光纖傳感技術(shù)專家工作委員會委員、中國光纖傳感技術(shù)及產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟油氣資源專家委員會委員、OSA/IEEE高級會員，《Photonics Sensors》和《Sensors》編委、中國激光雜志社青年編委、《紅外與激光工程》青年編委。主要從事微結(jié)構(gòu)光纖器件、傳感技術(shù)及應(yīng)用研究，主持和參與科技部重點研發(fā)計劃項目課題、科技部重大科學(xué)儀器專項任務(wù)、國家自然科學(xué)基金重點/面上項目、國防科工局民用航天預(yù)研重點基金等科研項目。近年來發(fā)表SCI論文70余篇；擁有36項授權(quán)發(fā)明專利，3項軟件著作權(quán)，其中光纖聲波傳感專利技術(shù)以實施許可方式轉(zhuǎn)化；研究成果在多個領(lǐng)域推廣應(yīng)用，獲得中國通信學(xué)會技術(shù)發(fā)明一等獎、中國光學(xué)工程學(xué)會創(chuàng)新產(chǎn)品一等獎及日內(nèi)瓦國際發(fā)明展覽會金獎等。
【聯(lián)系方式】
