分布式光纤温度检测技术在气体管道泄漏检测中的应用探讨.docxVIP

第35卷增刊石油工程建设77!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!王志强，孙启昌（胜利工程设计咨询有限责任公司，山东东营257026）摘要：文章简要叙述了分布式光纤温度检测技术及其应用于泄漏检测的工作原理，介绍了此技术在哈萨克斯坦Tengiz油田某原油处理生产线上的应用实例，展望了DTS技术在国内输气管道中的应用前景。关键词：分布式光纤温度检测；拉曼散射；泄漏检测中图分类号：文献标识码：文章编号：1001－2206（2009）增刊－0077－04TH811TE973.6A引言自1981年英国南安普敦大学提出分布式光纤伴随着管道敷设，检测管道的分布温度，就可以实0现管道的泄漏检测，并且具有很好的实时性和准确性。1焦耳-汤姆逊效应当气体在绝热的管道中流动时遇到一狭窄的孔道，压力会显著下降，体积膨胀，温度也发生变化，这种现象称为节流效应，也称作焦耳-汤姆逊传感系统（DTS）以来，分布式光纤传感系统逐渐成为世界上很多国家研究的热点。利用光纤后向散射作为测温机理的分布式光纤传感系统主要有三种：分布式瑞利光纤温度传感器、分布式拉曼光纤温度传感器和分布式布里渊光纤温度传感器。其中分布式瑞利光纤温度传感器测温精度不高，对光纤有特殊的要求，难以形成产品化。分布式效应。则有：μ若把节流膨胀引起的温度变化用微分式表示布里渊光纤传感器可达到40km多的测温长度，如#$坠T=（1）J-T坠P增加无源光中继器，则可以实现数百公里的测温，但由于其系统结构复杂，各种指标还有待提高，布里渊散射测温机制总体上还处于研究阶段。分布式拉曼光纤温度传感器在工程技术上处于成熟H其中μJ-T为微分节流效应系数，表示经过节流膨胀后，气体的温度随压力的变化率。当输气管道出现泄漏时，产生焦耳-汤姆逊效应，气体压力从管道工作压力下降为大气压力，泄漏点附近的温度也随之下降。只要测出沿管道的分阶段。1985年英国的Hartog首次使用半导体激光器作为光源，研制了分布式拉曼光纤温度传感器布温度，就可以根据温度的变化趋势判断出有没有实验装置。自此，分布式拉曼光纤温度传感器得出现泄漏。到了很大的发展，现技术已成熟。分布式光纤温度检测原理在DTS系统中，光纤既是传输媒体又是传感2（DTS）分布式光纤温度传感器的工作原理是采用光时媒体，它具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本域反射法测量激光在光纤中传输时由光(OTDR)质安全、重量轻、体积小、可挠曲、影响小等优点。DTS技术应用于管道的泄漏检测，对被测介质纤上各点产生的后向散射光，再根据拉曼散射光所携带的温度信息，获取沿光纤路径的温度场的信息。主要依据焦耳-汤姆逊效应。输气管道一旦发生泄漏，管道内高压气体泄漏到外部低压环境，由于焦耳-汤姆逊效应，导致温度随之变化。基于这个原理，光纤光的散射散射是光与物质相互作用的一种表现形式。当2.1!!!!!!!!!!!!分布式光纤温度检测技术在气体管道泄漏检测中的应用探讨入射光瑞利散射布里渊散射反斯托克斯散射斯托克斯散射图1背向散射光谱机连械终熔接熔弯连终结接器接曲接结图2OTDR曲线与光纤链路的对应关系78石油工程建设2009年5月光通过介质时，大部分无方向改变，有小部分则中存在折射率的微观不均匀性，会产生散射。入射偏离原来的方向而向空间散射开来。散射光在强度、方向、偏振态及频谱上都与入射光有所不同，光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t，则激光脉冲在光纤中经过的路程为2L=vt。v为光在光纤中的传播速度，v=C/n（其中，C为真空中的光速，n为光纤的折射率）。在t时刻测量到的光散射的特性与介质的成分、结构、均匀性及物态变化都有密切的关系。光散射在宏观上可看作是由于介质的光学不均匀性或折射率的不均匀性所引起的。从量子理论的观点看，光散射是由光是与光纤入射端距离为L处的背向散射光。在泄漏检测中，可以由此实现泄漏点的定位。另外，子与微观粒子碰撞引起的。(原子、分子、电子及声子等)发生通过精确测量背向散射光的光功率，可以测量沿光碰撞的结果是微观粒子吸收一个入纤长度上任一点的特性变化，以此可以确定光纤的射光子，发射一个散射光子，同时发生能级跃迁。在量子理论中，当光子入射到一个分子上时，如损耗、光纤故障点及断点的位置。OTDR曲线与光纤链路的对应关系如图2所示。果光子能量等于该分子某个等级的跃迁能，则有可能将该分子转变到激发态；如果不等于该等级跃迁能，其差值位于该跃迁能与最接近的实际状态之间，则该分子可能被推到虚拟激发态。在绝大多数情况下，受激发分子将从虚拟激发态返回基态，在这种情况下，重新发射的光子具有与入射光子相同的能量或频率。我们称这种情况为瑞利（Rayleigh）散射。有一小部分（约10-6）处于虚拟激发态的分子将回到某个激发态，因此再发射的光子能量（频率）比入射