【成果介绍】
管道运输由于内部腐蚀、外部环境、管材和施工等原因，易发生管道失效甚至引发爆炸事故，严重威胁国家经济和人民财产安全。现有管道安全检测技术主要是针对已铺设管道加装传感器定期巡检排查，无法做到管道在线自检且实施成本极高。因此，亟需构建一套管道安全完整性监测终端系统，实时在线监测管道运营状态，实现全天候、分布式、高灵敏度、长距离的油气管道健康监测。
本技术研发的光纤分布式声波传感系统（DAS）可以连续记录长距离光纤沿线的声波信号，是一款世界领先的分布式声波传感系统。由于瑞利散射效应，入射进传感光纤中的部分背向散射光会沿原传播路径返回，当光纤沿线周围环境发生微小变化时，散射光的特征也会受到调制。通过记录时间域散射光信号的变化，可实现对光纤沿线声波信号的测量。本系统基于高精度的相干解调算法，将分布式声波传感系统的探测能力优化至皮应变级，响应带宽涵盖次声到超声，可应用管道安全和周界安防等领域。与传统管道监测技术相比，具有全天候、低成本、多参量、高响应、长距离在线管道监测等突出先进性。
图：光纤分布式声波传感系统
【应用解析】
1、管道腐蚀监测
目前常用的管道腐蚀检测技术主要包括漏磁法，超声波法，声发射法和热像显示法等，这类检测方法往往需要开挖管道，且检测周期较长，影响管道的正常运营。基于光纤感知的管道损伤监测技术，当管道出现损伤时，作用于管道的传输声波其特征将发生变化，因此通过听声的方式可获得管道损伤的指纹信息。
图1光纤分布式声波传感的管道腐蚀损伤在线监测示意图
目前单台监测主机能够支持50 km的传感光纤（对应管道长度与光纤布设方式有关），管道腐蚀损伤总体识别准确率为96.92 %，可实现对管道最小损伤等级（0.48 %）的精准识别。
2、管道泄漏监测
由于管道的老化腐蚀，地质灾害、管压波动及第三方破坏等影响，使得管道泄漏时有发生。当泄露事件发生时，管内外压差通过泄露口释放，向外辐射能量进而产生声发射现象。声发射形成的振动波将会沿着管壁向两侧传播，通过捕捉并分析泄露引起的声发射信号特征可获得泄露事件的具体信息及实现泄漏点定位。将DAS系统应用在管道泄漏事件的监测中，则可以实现分布式、全天候的管道泄漏事件监测预警，降低管道泄漏事故带来的损失。此外，本系统结合泄漏信号能量特征及数据处理算法，可实现泄漏口径的精准预测。
图2 光纤分布式声波传感的管道泄漏监测示意图
3、管道流量监测
流量是反映管道状况的一个重要指标，它是控制、分配和调度的眼睛，亦是安全监测和经济核算的必备工具。非侵入式、无创伤管道流速监测是实现输油管线可持续发展的关键因素。本系统通过监测流体经过管道时引起的管道振动，可实现对管道内流量信息的精确感知。与商用加速器测量结果相比，本系统具有更好、更稳定的流量测量结果。此外，将所提出的非侵入式、无创伤管道流速监测技术已成功应用于现场测试，显示出巨大的工程应用潜力，特别是在长距离管网中。
图3 管道流速监测系统及现场实验图
4、管道外破事件监测
此外，随着城镇燃气管网建设进入大发展时期，纵横交错的燃气管道运行正承受着越来越多第三方施工所带来的风险。第三方施工破坏燃气管道事件时有发生，轻则影响管道正常供气，重则危害人民群众的生命财产安全。基于DAS的管道外破预警系统，只需利用与管线同沟敷设通信光缆的其中一根纤芯作为传感器，通过监测传输信号变化即可监测光纤沿途的振动信号，由此可实现管道沿线的破坏行为的7*24小时不间断实时监控。此外，在实现物理参量监测的同时不影响通讯信号传输。
图4 管道外破监测系统及事件识别结果
【技术指标】
（1）测量过程不需要清空管道，光纤系统可长期可靠工作，降低管道巡检成本50%以上；
（2）可实现管道运输过程中的全天候在线监测，避免定期巡检方式中在空间和时间上的盲区；
（3）连续监测距离可达 50 km以上，比超声监测等方法（最长300 m）的探测效率提升近百倍；
（4）可在不影响管道运营情况下，实现管道腐蚀、泄漏、流速、第三方破坏的实时在线监测，并对管道潜在危险进行追踪和事故预警。
光纤分布式声波传感系统性能指标
【市场前景】
2025年我国油气长输管道里程数将达到24万公里，保障油气管道安全运营对国民经济发展起着重要作用。目前，油气管道在运营期间面临各种威胁事件，而目前的监测手段往往低效且影响油气输送，且维护成本高。本系统所提出的基于分布式光纤传感的管道完整性监测系统，有望在未来大幅提升能源利用率。
【知识产权】
该技术已申请多项中国发明专利，下表是部分展示：
【合作方式】
技术许可、技术转让、作价入股、技术开发、技术服务、面谈等
【专家介绍】
孙琪真，华中科技大学光电信息学院教授、博士生导师。国家自然科学基金优秀青年基金获得者（2019）、欧盟“玛丽·居里”学者（2013）、湖北省创新群体负责人（2018）、湖北省杰出青年基金获得者（2014）。现兼任中国光学工程学会光纤传感技术专家工作委员会委员、中国光纤传感技术及产业创新联盟油气资源专家委员会委员、OSA/IEEE高级会员，《Photonics Sensors》和《Sensors》编委、中国激光杂志社青年编委、《红外与激光工程》青年编委。主要从事微结构光纤器件、传感技术及应用研究，主持和参与科技部重点研发计划项目课题、科技部重大科学仪器专项任务、国家自然科学基金重点/面上项目、国防科工局民用航天预研重点基金等科研项目。近年来发表SCI论文70余篇；拥有36项授权发明专利，3项软件著作权，其中光纤声波传感专利技术以实施许可方式转化；研究成果在多个领域推广应用，获得中国通信学会技术发明一等奖、中国光学工程学会创新产品一等奖及日内瓦国际发明展览会金奖等。
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