CN1293375C - 一种用于油气管道安全检测的传感光缆 - Google Patents

一种用于油气管道安全检测的传感光缆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于油气管道安全检测的传感光缆，包括一橡胶绳，橡胶绳内径上的中心直径两边有与橡胶绳偏心设置的第一、第二圆孔；第一圆孔内安装有紧套管和与紧套管平行放置的一束抗拉伸芳纶纱线，弹性模量周期性变化的紧套管内装有传感光纤；第二圆孔内安装有松套管和与松套管平行放置的另一束抗拉伸芳纶纱线，松套管内有多根用于控制站之间通信的光纤；橡胶绳的第二圆孔一侧设置有一层大于1/2橡胶绳圆周的网布，且网布被金属丝螺旋缠绕固定并与橡胶绳形成等直径，在该直径的圆周上依次包履有螺旋金属丝和外层。通过对沿管道铺设的传感光缆中传感光纤背向散射光功率的测量，准确定位油气管道泄漏和可能危及管道安全的外部事件的位置。

Description

一种用于油气管道安全检测的传感光缆
                          技术领域
本发明属于信号检测和分析技术领域，涉及一种传感光缆的结构设计，特别涉及一种用于油气管道安全检测的传感光缆。
                          背景技术
目前，用于油气管道泄漏的检测方法很多，主要有基于磁通、涡流、摄像等投球技术的管内检测法，也称管道爬行机；基于管道压力、温度、流量、振动等运行参数的外部检测法，包括流量差、压力差、负压波以及声波法。管内检测法的优点是定位精度高，缺点是不能在线检测，容易发生堵塞、停运等事故，对管道要求苛刻。外部检测法的优点是可以连续实时在线检测且费用低，缺点是定位精度低，漏报和误报率高，不能对可能危及管道安全的外部事件进行监测和预报泄漏隐患。
例如负压波法通过对管道两端的压力信号的监测来判断油气管道是否发生泄漏及其位置。当发生泄漏时，由于管道内外的压力差，泄漏部位的压力迅速下降，产生分别向上下游传播的瞬态负压波，根据负压波的传播速度和到达两端的时间差来确定泄漏的位置。由于瞬态负压波传播的损耗特别大，传播距离有限，加上压力传感器灵敏度的限制，这种方法适合于泄漏量较大的情形，且存在定位精度低，不能预报泄漏隐患等缺点。因此，对于量小，时间长的泄漏和滴漏，即使在管道两端使用高灵敏度的压力传感器和流量计也不能对泄露进行有效检测。
基于分布式光纤传感技术的油气管道泄漏检测技术已成为油气管道泄漏检测技术研究的热点。英国的Alistair MacLeana、德国的J.Buerck、墨西哥的Antonio Carrillo以及R.M.López等人在其论文中分别提出了类似的基于光纤弯曲损耗的传感光缆的结构，它由一根螺旋缠绕的金属丝将一根光纤包覆后固定在一条由聚合物(polymer)制成的圆柱体上。聚合物吸收泄漏的油气发生膨胀，导致光纤弯曲，出现损耗。通过OTDR(Optical Time DomainReflectometry)实现泄漏的定位。该结构的光缆不能对管道泄漏造成的管道附近压力和振动信号的大小(与泄漏强度有关)进行检测，也不能对可能危及管道安全的外部事件(如：地壳沉降、受压过大、管道附近的大型机械施工和人为破坏等)进行有效检测。
                          发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于，提出一种用于油气管道安全检测的传感光缆。
为了实现上述目的，本发明的技术思路是，在油气管道附近并行铺设一条传感光缆，该传感光缆用于拾取管道周围的压力和振动信号以及检测管道的油气泄漏。
本发明的技术解决方案是，一种用于油气管道安全检测的传感光缆，包括一橡胶绳，橡胶绳内径上的中心直径两边有与橡胶绳偏心设置的第一圆孔和第二圆孔；其特征在于，第一圆孔内安装有紧套管和与紧套管平行放置的一束用于提供抗拉伸强度的芳纶纱线，弹性模量周期性变化的紧套管内装有传感光纤；第二圆孔内安装有松套管和与松套管平行放置的另一束用于提供抗拉伸强度的芳纶纱线，松套管内有多根用于管道控制站点之间通信的光纤；橡胶绳的第二圆孔一侧设置有一层大于1/2橡胶绳圆周的网布，且网布被螺旋金属丝缠绕固定并与橡胶绳形成等直径的圆周，在该直径的圆周上依次包履有螺旋金属丝和外层。
本发明的另一特点是所述传感光纤和用于控制站点之间通信的光纤是单模光纤或多模光纤。
当沿管道铺设采用本发明的长距离油气管道安全检测传感光缆，在管道中的油气发生泄漏或可能危及管道安全的外部事件发生时，产生的外力将改变传感光缆中传感光纤的特性和损耗；在管道发生油气泄漏或渗漏(滴漏)时，传感光缆的包装材料遇油发生膨胀，传感光纤发生弯曲，出现损耗。通过对传感光纤的背向散射光功率的测量，完成光纤上各点的静态损耗的测量和定位；通过对传感光纤的输出光功率的测量，完成传感光纤总损耗动态变化的测量和故障类型的判定。油气管道发生泄漏、地壳沉降、受压过大、管道附近的机械施工和人为破坏等事件使传感光纤产生的损耗具有不同的幅频特征，通过对数据进行分析和融合，判断并准确定位油气泄漏等事件的发生。
                          附图说明
图1是本发明的油气管道安全检测的传感光缆的截面结构图；
图2是本发明的油气管道安全检测的传感光缆的结构示意图；
图3是传感光缆的传感光纤及其紧套管的结构实例图；
图4是传感光缆的填充材料橡胶在汽油中的膨胀曲线；
图5是传感光缆在汽油中填充材料橡胶膨胀时输出光功率变化的曲线。
下面结合附图和发明人依技术方案所完成的具体实施例，对本发明的原理作进一步的详细描述。
                          具体实施方式
参见图1、图2和图3，该油气管道安全检测的传感光缆包括一橡胶绳140，橡胶绳140内径上的中心直径两边有与橡胶绳140偏心设置的第一圆孔114和第二圆孔155；第一圆孔114内安装有紧套管120和与紧套管120平行放置的一束用于提供抗拉伸强度的芳纶纱线113，紧套管120的中心圆孔123内装有传感光纤110；第二圆孔155内有松套管153和另一束用于提供抗拉伸强度的芳纶纱线152，松套管153内有多根用于管道控制站点之间通信的光纤151；橡胶绳140的第二圆孔155的一侧设置有一层大于1/2橡胶绳140圆周的网布131，且网布131被螺旋缠绕的金属丝133固定，与橡胶绳140形成等直径的圆周，在该直径的圆周上依次包履有螺旋金属丝133和外层134。
传感光缆中的传感光纤110可以是单模光纤，也可以是多模光纤。传感光纤110被装在弹性模量周期性变化的紧套管120的中心圆孔123内。内装传感光纤110的紧套管120和一束用于提供抗拉伸强度的芳纶纱线113平行放置在橡胶绳中偏离中心接近外表面的圆孔114内。在圆孔114和紧套管120之间的间隙充满着胶体状材料116，以防传感光纤110由于水分侵入而被破坏。芳纶纱线113用于提供抗拉伸强度防止传感光纤110被过分拉伸。
用于控制站点之间通信的光纤151可以是单模光纤，也可以是多模光纤。松套管153内装有多根通信光纤151。内装通信光纤151的松套管153和一束用于提供抗拉伸强度的芳纶纱线152被放置在橡胶绳中偏离中心接近外表面的圆孔155内。在圆孔155和松套管153之间的间隙充满着胶体状材料156，以防通信光纤151由于水分侵入而被破坏。芳纶纱线152用于提供抗拉伸强度防止通信光纤151被过分拉伸。
外层134是一保护层，涂敷在网布131和螺旋缠绕的金属丝133的外表面上，以保护传感光缆的内部零件。
制作橡胶绳140的材料选用天然橡胶或丁基橡胶，用它们制作的橡胶绳140触到油气或汽油等石油制品时体积会发生膨胀。外层134的制作材料也是天然橡胶或丁基橡胶，并加入一些辅料，加入的辅料以提高橡胶的耐酸耐碱和抗老化等特性，从而可以提高橡胶材料制作的传感光缆的使用寿命。
橡胶绳140的通信光纤151的一侧被网布131包裹，且网布131被螺旋缠绕的金属丝133固定在橡胶绳140上。网布131内嵌入一组金属丝132。网布131一方面可以防止橡胶绳140被过分拉伸，同时它与螺旋金属丝133一起使橡胶材料遇油时向传感光纤110一侧膨胀。膨胀使传感光纤110弯曲，产生损耗。
光缆弯曲时，通信光纤151一侧有网布131和金属丝132保护，不易伸缩，弯曲主要发生在传感光纤110一侧。图3是传感光纤110及紧套管120的结构实例图。当内装传感光纤110的紧套管120弯曲时，套管120弹性模量高的部分121不易弯曲而低的部分122容易弯曲，从而套管内传感光纤110局部弯曲的曲率半径减小，损耗增大。
制作橡胶绳140的材料选用天然橡胶或丁基橡胶。例如用天然橡胶制作成10mm×10mm×0.5mm的橡胶测片，图4是14层橡胶测片叠加后在汽油中高度方向的膨胀曲线(ΔH)，测试装置在上面形成70g的压力，因此它能在很短时间内形成相当的膨胀力。
当输出为P0时，把其中一段3.6m长，外径6mm的缆浸入到汽油中，图5是光纤输出光功率随时间的变化图。从图5中可以看出，当t＝1min时，光纤的输出光功率P0下降到0.2。因此它能在很短的时间内检测出油的泄漏。
当沿管道铺设采用本发明的长距离油气管道安全检测传感光缆，在管道中的油气发生泄漏或在管道附近有可能会危及管道安全的外部事件发生时，产生的外力将改变传感光缆内传感光纤的特性和损耗；当管道发生油气泄漏或渗漏(滴漏)时，传感光缆的包装材料遇油气发生膨胀，膨胀使传感光纤发生弯曲，产生损耗。通过对传感光缆内传感光纤背向散射光功率的测量，完成光纤上各点的静态损耗的测量和定位；通过对传感光纤的输出光功率的测量，完成传感光纤总损耗动态变化的测量和故障类型的判定。油气管道发生泄漏、地壳沉降、受压过大、管道附近的机械施工和人为破坏等事件使传感光纤产生的损耗具有不同的幅频特征，通过对数据进行分析和融合，判断并准确定位油气泄漏等事件的发生。

Claims (4)

1.一种用于油气管道安全检测的传感光缆，包括一橡胶绳(140)，橡胶绳(140)内径上的中心直径两边有与橡胶绳(140)偏心设置的第一圆孔(114)和第二圆孔(155)；其特征在于，第一圆孔(114)内安装有紧套管(120)和与紧套管(120)平行放置的一束用于提供抗拉伸强度的芳纶纱线(113)，弹性模量周期性变化的紧套管(120)内装有传感光纤(110)；第二圆孔(155)内有松套管(153)和与松套管(153)平行放置的另一束用于提供抗拉伸强度的芳纶纱线(152)，松套管(153)内有多根用于管道控制站点之间通信的光纤(151)；橡胶绳(140)的第二圆孔(155)的一侧设置有一层大于1/2橡胶绳(140)圆周的网布(131)，且网布(131)被金属(133)螺旋缠绕固定并与橡胶绳(140)形成等直径的圆周，在该直径的圆周上依次包履有螺旋金属丝(133)和外层(134)。
2.如权利要求1所述的用于油气管道安全检测的传感光缆，其特征在于，所述传感光纤(110)和用于控制站点之间通信的光纤(151)是单模光纤或多模光纤。
3.如权利要求1所述的用于油气管道安全检测的传感光缆，其特征在于，所述制作橡胶绳(140)和外层(134)的材料选用天然橡胶或丁基橡胶，它们触到油气或汽油制成的石油制品时体积发生膨胀，膨胀使传感光纤发生弯曲而产生损耗。
4.如权利要求1所述的用于油气管道安全检测的传感光缆，其特征在于，所述内装有传感光纤(110)的紧套管(120)的弹性模量为周期性变化。
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