摘要：地下管道設(shè)施經(jīng)常遭受第三方破壞，各地大規(guī)模的開發(fā)建設(shè)給地下管道帶來巨大安全隱患。目前采取常規(guī)的巡檢措施不能做到全路段不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)控保護(hù)，當(dāng)前可靠、可行的方案是利用光纜作為分布式傳感器組建光纜振動(dòng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，預(yù)警系統(tǒng)可以通過光纜實(shí)時(shí)過去各處土壤振動(dòng)情況，分析識別還原現(xiàn)場情況，通過智能學(xué)習(xí)主動(dòng)判別并對危險(xiǎn)信號發(fā)出告警，即使通知監(jiān)控人員采取應(yīng)急措施，將危險(xiǎn)屏蔽在發(fā)生以前。
關(guān)鍵詞：地下管道；光纜；振動(dòng)監(jiān)測；安全預(yù)警
1 引言
??? 我國經(jīng)濟(jì)正處在快速發(fā)展之中，城市化步伐也在逐步加快，全國各地的各種開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目隨處可見。元論何種建設(shè)項(xiàng)目只要?jiǎng)油?，就會對埋于地下管道的安全造成威脅。各種地下管道遭到第三方破壞的事故時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由機(jī)械施工及自然災(zāi)害所造成的管道事故占事故總數(shù)的70%以上，其中90%以上的重大事故是因?yàn)闄C(jī)械施工造成的，如：水管被挖破，油、氣管道被打穿是經(jīng)常發(fā)生的事情。水管破裂導(dǎo)致居民生產(chǎn)生活受到影響，給各用水企業(yè)生產(chǎn)帶來損失。輸油、氣管道破裂會導(dǎo)致大面積泄漏，隨時(shí)會造成火災(zāi)發(fā)生，有的甚至引起爆炸，人民生命財(cái)產(chǎn)安全將受到嚴(yán)重威脅，生態(tài)環(huán)境遭到巨大破壞，“管道安全問題”早已成為全球矚目的話題。
??? 雖然我國政府和各地下管道權(quán)屬企業(yè)對地下設(shè)施的安全采取了多種保護(hù)措施，做出了大量的工作，但地下管線設(shè)施的安全還是存在著各種各樣的威脅。如何在地下管線設(shè)施遭受破壞之前就可預(yù)知危險(xiǎn)的到來，并能及時(shí)通知應(yīng)急維護(hù)人員，給他們爭取時(shí)間，司使他們迅速采取措施，將危險(xiǎn)消除在萌芽狀態(tài)。這是國內(nèi)外地下管線運(yùn)營企業(yè)共同關(guān)注的課題。目前已.有相關(guān)技術(shù)得到應(yīng)用，并很好的解決了地下管線設(shè)施的安全預(yù)警問題。當(dāng)前效果較好的技術(shù)是利用埋在地下的光纜作為分布式傳感器來偵測光纜周邊一定范圍內(nèi)土壤振動(dòng)情況，通過相關(guān)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析，從而獲得管道周邊環(huán)境是否處于安全狀態(tài)。該技術(shù)已在國外得到大量的應(yīng)用。近兩年中石油、中石化也在油、氣長輸管線上利用該技術(shù)來保證地下管道的安全。
2 光纜振動(dòng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)
??? 光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)發(fā)展的一種新的傳感技術(shù)。是20世紀(jì)70年代中期以來國際上發(fā)展最快的高科技應(yīng)用技術(shù)。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。利用光纖作為傳感器可以測量溫度、位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動(dòng)、電流、電壓、磁場等物理量。光纜振動(dòng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)就是通過光纖測量周圍振動(dòng)頻率及位置來實(shí)現(xiàn)對危險(xiǎn)源的判別與定位的。監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)分為信號采集與智能分析兩部分。
2.1 光纖振動(dòng)感應(yīng)原理
??? 光纜振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)是同時(shí)利用了光纖作為定位傳感器與微應(yīng)變傳感器兩種功能。光纖在受到外界振動(dòng)干擾的情況下會產(chǎn)生微應(yīng)變，微應(yīng)變會使其內(nèi)部傳送光信號的頻率相位等發(fā)生細(xì)微變化，通過激光相干應(yīng)力分析系統(tǒng)就可計(jì)算出振動(dòng)點(diǎn)的頻率、強(qiáng)度及位置信息。
微應(yīng)變傳感技術(shù)是基于“光的干涉”原理，通常使用兩根單膜光纖來測量微應(yīng)變，構(gòu)成用于測量光的干涉波的傳感器(如圖1)。
?
??? 激光器向光纖發(fā)射連續(xù)的激光束，如果光纖沒有受到外界的擾動(dòng)，如運(yùn)動(dòng)、聲波和觸動(dòng)，或者兩根光纖同步受到相同的干擾，反射回的光不會發(fā)生變化；如果光纖受到外界的擾動(dòng)，反射回光的波形將會發(fā)生變化，并產(chǎn)生干涉圖像，光檢測器可檢測到這一波形的變化，而且通過軟件可以分辯出事件的真實(shí)情況，經(jīng)處理后可檢測出干擾強(qiáng)度與位置。相干激光器發(fā)射是連續(xù)波激光束，光纖傳感器的頻率響應(yīng)范圍從0Hz～1MHz，通常情況下只需1Hz～100KHz。這項(xiàng)技術(shù)可以用來檢測動(dòng)態(tài)應(yīng)變，響應(yīng)時(shí)間在毫秒級。
???振動(dòng)源位置計(jì)算：
??? L=1/2vt=ct/2n；
??? v=c/n；
??? L——振動(dòng)點(diǎn)位置到干涉儀右端的距離；
??? t——時(shí)延時(shí)間；
??? c——真空中的光速；
???n——光纖纖芯折射率。
???為了精確定位，需要將光纖的長度信息準(zhǔn)確錄入到軟件中，通過系統(tǒng)修正，定位精度可達(dá)±50m之內(nèi)。
2.2 光纜有效監(jiān)測半徑與最大監(jiān)測距離
??? 利用光纜震作為分布式傳感器是實(shí)現(xiàn)地下管道全線安全的最佳方法。要利用光纜實(shí)現(xiàn)對地下管道安全的實(shí)時(shí)保護(hù)，必須保證管道沿線有光纜鋪設(shè)。新建管道可以隨管道同溝直埋一根(或兩根)4芯以上光纜專門用做振動(dòng)監(jiān)測的分布式傳感器。已埋設(shè)的管道如有同溝鋪設(shè)的光纜，可以利用光纜中富余光纖(必須有3根)來作為分布式傳感器。對于沒有同溝鋪設(shè)光纜的，可以后期重新開挖鋪設(shè)。
2.2.1光纜有效監(jiān)測半徑
??? 受當(dāng)前儀器設(shè)備精度所限，只能分析出光纖橫截面為中心半徑2m內(nèi)振動(dòng)聲音信號。即，光纜有效監(jiān)測半徑只有2m，所以，管道必須完全處在光纜為中心2m包絡(luò)線之內(nèi)，否則將有部分管體受不到有效保護(hù)(如圖2)。
?
??? 雖然光纜的有效監(jiān)測半徑受分析設(shè)備精度影響只有2m，但保護(hù)范圍也不是不能擴(kuò)大的，可以通過光纜鋪設(shè)方式來解決監(jiān)測保護(hù)范圍問題。如在管道上方對稱鋪設(shè)2根光纜(見圖3)就可有效解決保護(hù)半徑過小問題。根據(jù)具體需要也可鋪設(shè)多根來擴(kuò)大保護(hù)范圍。將光纜蛇形鋪設(shè)在管道上方也是擴(kuò)大保護(hù)范圍的一種策略。蛇形鋪設(shè)還可以提高檢測震源位置的精度(見圖4)。
?
