分布式光纤传感技术在海底管道健康监测中的应用

分布式光纤传感技术在海底管道健康监测中的应用

前德门

海洋石油工程股份有限公司天津300452

摘要：近年来，分布式光纤传感技术在海底管道健康监测中的应用问题得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。本文首先对相关内容做了概述，详细分析了分布式光纤传感技术原理等，并结合相关实践经验，分别从多个角度与方面就海底管道检测技术手段展开了研究，阐述了个人对此的几点看法与认识，望有助于相关工作的实践。

关键词：分布式光纤传感；海底管道；健康监测；应用

1前言

随着海底管道健康监测条件的不断变化，对分布式光纤传感技术的应用提出了新的要求，因此有必要对其相关课题展开深入研究与探讨，以期用以指导相关工作的开展与实践，并取得理想效果。基于此，本文从概述相关内容着手本课题的研究。

2概述

海底管道作为海上油气集输系统的主要形式，在海上油气田开发过程中发挥着重要的作用。由于工作环境条件恶劣，海底管道既要受到管外波流等环境荷载的作用，又要受到管内油气腐蚀、压力等作用以及海上坠落物撞击、渔网拖拉等意外荷载的作用，其失效概率高，运行风险大。海底管道失效后果严重，不仅直接影响到海上油气田的正常生产，而且管内原油若发生外泄还会严重污染海洋环境，带来相应的社会负面影响。为了避免因海底管道失效所造成的重大经济损失和不良社会影响，必须采取有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偶然性，很多因素至今没有被认识，从设计角度来避免海底管道失效是很困难的或者是很不经济的；常规的检测方法，如射线法、漏磁法、超声波法、渗透法等，只能用于海底管道的定时和定点检测，期望用这些方法以有限次的检测来完全避免海底管道失效也是不现实的。近年来，随着传感技术的发展和健康监测概念的提出，利用传感技术对海底管道进行健康监测，为解决海底管道失效问题提供了新的途径。根据Housner对结构健康监测的定义，利用传感技术对海底管道进行健康监测，是指利用无损的传感监测方法获得海底管道结构的内部信息，分析包括海底管道结构反应在内的各种特征，了解海底管道因损伤或者退化而造成的改变。利用设置在海底管道中的监测光纤及其光强、频率、偏振态等特性随海底管道温度、应变等状态参数变化的性质，通过对这些特性进行测量，就可得到海底管道状态参数，从而可以判断海底管道的安全性，在海底管道出现危险前及时采取措施避免管道发生失效。在各种光纤传感技术中，分布式光纤传感技术可以获得被测量信息沿光纤各点在时间上的连续分布，非常适合于线形海底管道的监测，在海底管道健康监测中应用前景极好。

3分布式光纤传感技术

国内外许多研究机构和公司都投入了大量人力物力财力进行这方面的研究，分布式光纤传感技术得到快速发展，基于各种原理的分布式光纤传感器被开发出来，并且逐渐从实验研究走向实际应用。目前分布式光纤传感技术已被应用于航空航天、土木工程、化工、军事、交通等许多领域。

3.1后向散射原理

在分布式光纤传感器设计的过程，其中一项设计原理就是后向散射原理，而在后向散射原理之中，有一个分支，就是背向拉曼散射原理，该原理在光纤传感设计之中的应用，如图1所示，通过光纤上设计两个热点温度，然后需要利用的是反斯托克斯光强进行调试，能够比较准确的发现拉曼散射的信号。因为其操作比较简单，而且技术原理也是比较简单的，所以在光纤传感技术设计的初期，一种是用的是拉曼散射原理。但是在实际的应用过程之中，对温度的感知精准度，是会受到设计器件以及元件的性能等限制的。

3.2偏振光时域反射和光干涉技术原理

在设计光纤传感器的过程之中，还会应用到偏振光时域的反射原理进行设计。在利用该种设计原理的时候，主要是针对的偏振光的变化状态进行观察和分析。而光干设计原理，就是通过对时间的扰动进行分布式的传感。这两种的设计原理，也是光纤传感技术中经常使用的一个设计原理。

3.3光纤布拉格光栅原理

光纤布拉格光栅，在光纤传感器设计之中的应用，是因为其性能比较好，是测量敏感元件。而且该元件可以应用到光纤光栅传感调节系统之中，通过对入射光谱以及反射光谱的设计，可以发现光纤布拉格光栅，是具有高强度的灵感度，而且其可靠性极高，能够在极其恶劣的环境下，实现对数据和信号的传输，这对于某些行业来说，是一种重要的发明。而在该调节系统之中，布拉格光栅在光线传感器之中的应用，检测区域范围进一步扩大。

4海底管道检测技术手段

4.1海底管道的管内测技术

4.1.1变形检测清管器

变形检测清管器顾名思义是用来对管道几何、断面的变形情况以及可能的屈曲或弯折进行检测的设备。国外的智能检测清管器兼有变形检测的功能，可用来检测海底管道在几何上的变形以及金属腐蚀.一般适用于12寸以上口径的管道。

4.1.2管壁腐蚀检测清管器

管道中输送的介质会对管壁造成腐蚀.管壁腐蚀检测清管器是对管道内壁的腐蚀进行检测的设备。管道更换或维修的大部分原因是因为钢质管道管壁受到腐蚀或者形成裂纹等缺陷所造成，接近50%的管道都是因此而需要维护和更换。因此，目前大多数厂家都致力于研制管壁腐蚀（金属损失）检测器。

4.2海底管道检测的管外检测技术

海底管道因为所处环境与陆地不同.对其进行的管外检测手段与陆地不同，相比就显得更加重要。由于光波或者电磁波在水中会受到强烈干扰，影响作用距离短，而声波不会受此影响.所以对海底管道系统的水下部分进行管外检测，常规的方法有各类水下声学遥感设备、浅水区的潜水员操作以及水下机器人检测。用于海底管道管外检测的技术有：

4.2.1侧扫声纳技术

侧扫声纳就是以声波为手段，通过发送和接收特定频率的声波后经过处理分析得出海底地貌特征.从而确定海底管道是否裸露、悬跨等。针对管道所处海底地形，侧扫声纳能够探测管道不同状态.如海底比较平整，则能得知海底管道的悬跨、掩埋程度。若管道位于管道沟中，可以判断管道与沟底的接触状况、悬跨程，但具体的埋深和悬跨的高度由于条件限制无法得知，必须借助其他辅助设备和手段。

4.2.2多波束测深技术

多波束测深技术工同样是利用声波作为能量形式工作的，与传统单波束测深技术相比较，多波束测深技术一次性获得的是沿着轨迹上的条带状区域的海底深度数据，这样测量的范围就更大.同时精度得到了提高、加快了速度进而提高了工作效率，最后得到海底地形的三维特征地图。

4.2.3潜水员水下检测技术

潜水员可以直接目视检测浅海区的海底管道管外状态，作为一项水下无损检测技术.潜水员水下检测技术可以确定管道的悬跨状况，并通过相关设备进行测量和记录，确定悬跨距离和高度.绘制得到海底管道悬跨段在海床上的剖面图.然而如果浅海区海水浑浊，水下能见度低，就无法通过目视手段，需要潜水员操作相关声纳设备对能见度低的海底管道进行检查确定海底管道所处的状态.

5结束语

通过对分布式光纤传感技术在海底管道健康监测中应用的研究，我们可以发现，该项工作良好实践效果的取得，有赖于对其多项影响因素与关键环节的充分掌控，有关人员应该从海底管道健康监测工作的客观实际出发，研究制定最为符合实际的分布式光纤传感技术应用实施方案。

参考文献

[1]胡军.海底管道完整性管理解决方案研究[D].天津：天津大学.2017（01）：115-116.

[2]原文娟.基于屏障的在役海底管道量化风险评价技术研究[D].中国地质大学（北京）.2017（11）：60-62.