专利名称：基于分布式光纤与流量压力值的管路泄漏联合检测方法
技术领域：
本发明涉及一种基于分布式光纤与流量压力值的管路泄漏联合检测法，属于管 道泄漏监测领域。
背景技术：
管路是船舶系统的重要组成部分，船舶中的油、水、蒸汽、高压空气等介质都 是通过不同的管路系统来进行传输的。由于系统工作不正常引起的管路内压力突变、海 水长时间冲刷和腐蚀等原因使系统管路或连接附件(如法兰、接头等)产生泄漏，会给 船舶的安全造成很大的危害。尤其是大通径通海管路，它们大都布置在舱室底层，管路 上方一般都铺有滑铁板，部分管段还布置于水密液舱内部，不便于直接观察。如果大通 径通海管路发生泄漏或破损，舷外海水将会通过泄漏口涌进舱内，直接影响船舶的生命 力。现阶段，船舶管路泄漏的判断主要是依赖人工或相对简陋的工具，这不仅不利于掌 握管路的工作状态，也不利于及时处理损管事故。建立管道泄漏检测系统，可以实时监 测管路状态，及时地判断泄漏的范围和程度，便于及时采取补救措施，防止泄漏事故扩 大，减少不必要的损失。现有石油、天然气和城市用水等长距离管道泄漏检测技术主要有负压波法、流 量平衡法和压力梯形法等，近年来，随着光纤传感技术的发展，长距离分布式光纤传感 技术也开始应用于管道泄漏检测。中国发明专利申请200610113044.0提出了一种基于分 布式光纤传感技术的双直线型管道泄漏检测装置，它的主要特点是通过一套装置形成两 个Sagnac干涉仪，可同时将两个干涉仪的传感光纤布放于管道的不同母线上，实现沿管 道周向的泄漏检测，且此装置的检测灵敏度高、漏报率底，光功率损耗小、能实现管道 长距离、小泄漏检测与定位。这种传感技术主要适用于大通径、长距离、背景噪声比较 单一以及管路流态较稳定的管道泄漏检测。当检测直径较小且支路多的管路时，在一根 管道上采用两个Ssgnac干涉仪使检测系统复杂化，且不便于布置，系统可靠性降低；同 时，当检测管道的背景噪声和管道内流噪声复杂时，系统的误报警率升高。
发明内容
本发明目的在于，针对船舶管路距离短、管网复杂、支路多、管路流态不稳 定、舱室背景噪声复杂、管路内流噪声工况复杂等特点，提出了一种基于分布式光纤与 流量压力值的管路泄漏联合检测方法。本方法是通过技术改进，在一根管道上同时采用分布式光纤传感法和流量_压 力法两种方法进行检测以做出决策，本技术方案描述如下在船舶管路中采用基于Sagnac干涉仪原理的分布式光纤管道泄漏检测方法， 在其中的光源出口处采用光开关替代光纤耦合器，对各管路上的光纤传感器进行分时检 测，以有效扩大在船舶系统中针对众多支路而设置的光纤传感器数量。在管路末端设置 完全回光设备，替代基于Sagnac干涉仪原理的分布式光纤管道泄漏检测方法中的光纤环
3结构，用于解决系统的互易性问题。光纤传感器在船舶管道沿线布置，除管路法兰外，其余均布置于管路底部，并 紧贴管路。光纤传感器在管路法兰上的布置方式为沿法兰外径贴近密封面处缠绕布置。进一步地，应对敷设于管路上的光纤传感器进行铠装或安装非金属套筒进行保 护。进一步地，应选用对高频信号灵敏度高、抗弯曲损耗小、不易折断的光纤传感器。
在每段管路进口处分别设置1个流量传感器和1个压力传感器，出口处设置1个 压力传感器，用于实时检测每段管路的进口流量、进口-出口压力差；根据管路系统的 正常工况，检测并分析管路在出现破损情况下的进口流量和进口 -出口压力变化情况， 分别设置进口流量阈值、以及进口-出口压力差阈值；当检测到的每段管路的进口流 量、进口-出口压力差超过相应的阈值时，认为该段管路已发生破损并发生泄漏。将管路上光纤传感器产生的相位差特征信号，以及相应管路的流量传感器和压 力传感器的信号同时采集至计算机并分析处理，当相位差特征信号以及进口流量、进 口-出口压力差信号均表明发生泄漏时，则确定该段管路已经发生泄漏；而仅当相位差 特征信号，或者进口流量和进口-出口压力差信号表明发生泄漏时表明发生泄漏时，则 通过人工对系统工况进行现场勘察，以判断是否确实发生泄露，进而报警。根据船舶振动噪声复杂，管路环境潮湿的特点，系统中光电设备除光纤传感器 布置于管路上外，其它设备进行一体化封装并采取减震和抗干扰隔离措施。对比现有技术，本发明技术方案提出了一种基于分布式光纤与流量压力联合管 路泄漏检测法，其有益效果在于，由于采用光开关替代光纤耦合器对各光纤传感器进行 分时检测，有效扩大在船舶系统中针对众多支路设置的光纤传感器数量。在管路末端设 置完全回光设备，替代基于Sagnac干涉仪原理的分布式光纤管道泄漏检测方法中的光纤 环结构，解决了系统的互易性问题。本方法简单可靠；联合检测实现报警的综合决策， 互补性强，不易误报、漏报；可同时对多管道进行监测，检测管道数量越多，经济性越 显著。特别适用于船舶系统。
图1为本发明中改进的sagnac光纤管道泄漏检测系统结构示意图；图2为现有的sagnac光纤管道泄漏检测系统结构示意图；图3为流量-压力管道泄漏检测系统原理示意图；其中1-进口舷侧阀；2-进口 流量传感器；3-进口压力传感器；4-支管截止阀；5-出口压力传感器；6-减震软管； 7-驱动泵；图4为本发明的扰动事件分类模块化组合表；图5为本发明实施例中分布式光纤管道泄漏检测界面；图6为本发明实施例中流量压力检测界面。
具体实施例方式以下结合技术方案和
本发明的具体实施方式
。本发明中用到的改进的 基于Sagnac干涉仪原理的分布式光纤管道泄漏检测方法部分的实施例，如附图1所示。本发明的原理是分布式光纤传感法是采用一种基于Sagnac干涉仪原理的分布式光纤管道泄漏检 测方法。该方法的管路泄漏检测原理是将光纤传感器在管道沿线布置，当管道某处有 泄漏发生时，泄漏流体与泄漏孔壁产生摩擦，在管壁上激发出应力波(即泄漏声发射信 号)，当光纤贴于管壁时，此应力波作用于光纤上，光纤的长度和折射率都发生变化， 使光纤产生轴向应变，导致光纤的伸长或缩短，从而使传输光的光程发生变化，由于干 涉仪中顺时针和逆时针传输的两束光到达泄漏点的时间不同，因此两束光的光程变化不 同，这样两束光间就存在一个光程差，此光程差就是由泄漏信号引起，并包含有泄漏信 号的相关信息，而这个光程差在干涉信号中反应为光的相位差，因此解调出此相位差， 就可得到泄漏信号的相关信息，通过实时检测干涉信号的变化，可实现管道泄漏检测。图1所示实施例中，分布式光纤检测仪通过光开关对传输线路中的光信号进行 相互转换或逻辑操作，可形成以下三种传播路径的Sagnac干涉仪，以实现对3根被测管 道的分时检测1)对管道1的光纤泄漏检测a) A-B1 -C 1-E1 -F 1-E1-D1 -B 1-Ab)A-Bl-Dl-El-Fl-El-Cl-Bl-A2)对管道2的光纤泄漏检测a) A-B2-C2-E2-F2-E2-D2-B2-Ab) A-B2-D2-E2-F2-E2-C2-B2-A
2)对管道3的光纤泄漏检测a) A-B3-C3-E3-F3-E3-D3-B3-Ab) A-B3-D3-E3-F3-E3-C3-B3-A而现有的Sagnac光纤管道泄漏检测系统主要由光源、耦合器、延迟光纤、传感 光纤、偏振控制器以及光电转换器等元件组成。其结构框图如图2所示。各部件的主要作用a)光源光功率输出设备。b)传感光纤是通过测量光纤中传输光波的物理特征参数，如强度(功率)、相 位、频率、波长和偏振态等的变化，以接收外界声波等物理场信息的敏感元件，仅一部 分敷设在管道上，通过设计传感光纤的长度可以调整零点频率的频率值。其余传感光纤 封装于一体化设备内。c)光纤耦合器指图2的耦合器1和2，主要作用是分光。d)偏振控制器能将任意输入偏振态转换为任意期望输出偏振态的偏振态控制 器件，通过调整偏振态可提高系统检测的灵敏度。e)光电转换器将光强信号转变为电信号(电压或电流)的器件。f)法拉第旋转镜由透镜、法拉第旋转器和反射镜组成。可将入射光的偏振态 旋转90度。
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g)相位调制器利用逆压电效应，在外加径向电压(函数发生器)作用下，调 制器发生膨胀收缩，导致缠绕在调制器上的光纤随之伸长或缩短，即产生轴向应变，从 而调制光纤中传输光的相位。h)延迟光纤是实现干涉的关键因素，它用来调节顺逆两束光到达泄漏点的时 间差，使干涉仪不会出现互易效应。流量-压力管道泄漏检测法是管道检漏最直接的方式之一。它的原理是当 运行管道上的流体发生泄漏时，会引起泄漏点上游流量的激增，而由于舷外水压保持不 变，泄漏点上游的压降很小或基本保持不变，而泄漏点下游的压力将有一定的下降，这 样泄漏点上游和下游的将存在一定的压差。泄漏引起的压降在泄漏点最大，从泄漏点往 管道两端逐渐减小。通过研究发现，当管路进口的流量差或管段两端的压力差瞬间发生 较大变化，且满足进口的流量激增，压力有较小的变化或基本不变，而出口的压力值变 化较大时，可表明管道发生泄漏。因此本技术方案中根据管路系统的正常工况，分析系 统管路在出现破损情况下的流量和压力变化情况，分别设置进口流量阈值和进口 -出口 压力差阈值，超过这个阈值，就可判断管路已发生破损。流量-压力管道泄漏检测原理示意图见附图3。组成进口流量传感器、进口压力传感器、出口压力传感器、信号采集和处理 系统。流量-压力判断法的硬件包括高精度的流量传感器和压力传感器，其数量应根 据检测管路的长度情况来确定。当一段管路距离很长时，可能出现管路的泄漏点离管路 的一端或两端也很长，发生破损时，流量或压力的变化情况不能迅速地或无法传送到传 感器上，因此，必须在该管路的流体进、出口各设置一个流量传感器和压力传感器，或 者将该管路分成数段，中间设置多个流量和压力传感器进行分段检测；而在船舶应用背 景下，即管路较短的情况下，仅在管路进口处分别设置一个流量传感器和压力传感器， 出口处设置一个压力传感器就能满足检测需求。当采用本发明所述的布设方式的船舶管线中来自Sagnac方法的干涉信号与流 量压力传感器的进口流量值和进口-出口压力差均产生持续的泄漏报警时，系统立即报 警；而当来自Sagnac方法的干涉信号与流量压力传感器法中仅有一种方法产生泄漏报警 时，可参考另一种方法的监测情况，并通过人工勘察现场工况确定是否出现泄漏。本发明所述的基于分布式光纤与流量压力联合管路泄漏检测法的主要特点是能有 效地排除舱室背景噪声和管路内流噪声的干扰以及支管路分流的影响。具体分析如下分布式光纤传感器作为新兴的一种传感器，它的主要特点是反应灵敏，具有很 宽的响应带宽，可以检测出压力较低、泄漏孔径较小的管道泄漏。另外，它的电绝缘性 好，抗海水环境腐蚀性能好，安装方便，并具有独特的抗信号衰减和抗干扰性能，能满 足船舶复杂、恶劣的工作环境要求。另外，由于光纤传感器采用在管道附近并沿管道并 排铺设，或将光缆直接缠绕敷设在管道上的方式，占用的体积和空间都非常小，满足船 舶布置空间有限的要求，因此，是非常适合在船舶上应用的。流量_压力法虽然检测精度较低，但流量和压力是反映管路系统的两个最重要 的参数，当系统管路出现泄漏时，管路的压力和流量变化量与泄漏孔的大小、位置等直 接相关，并有规律可循，因此，检测管路泄漏不能缺少流量和压力这两个参数。
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下面通过实施例说明本发明方法的具体实施方式
和有益效果，其中信号分析与 处理均采用LABVIEW的虚拟仪器技术。见附图4。基于Sagnac干涉光纤泄漏检测法可采用相位生成载波的被动零压解调或外差 和合成外差解调算法，通过设计相应的解调电路，有效地解调出干涉信号的相位变化情 况。流量-压力法根据管路系统的正常工况，分析系统管路在出现破损情况下的流 量和压力变化情况，分别设置进口流量和进口出口-压力差阈值，超过这个阈值，就可 判断管路已发生破损。当Sagnac法和流量-压力法这两种方法均有持续的泄漏报警时， 系统立即报警；而当仅有一种方法泄漏报警时，可参考另一种方法的监测情况，通过人 工确定是否出现泄漏报警。图4中的多通道管路泄漏检测试验方案如下模拟泄漏管路为泵的进口管路，进口管路分三个不同通径支管路，每个布置进 口流量传感器和进口压力传感器和出口压力传感器，并在三个支路检测管路上缠绕敷设 光纤传感器。在各检测管路中间处分别设置三个通径为φ3，φ10，φ15的泄放试验管路， 以模拟管路泄漏。水罐1可模拟不同的进口管路压力，水罐1和水罐2连通，可保证水 的循环使用。分布式光纤管道泄漏检测采用基于Sagnac干涉仪原理，设计了三种不同管路 泄漏检测的系统，光纤干涉仪主要由以下仪器及光学元件组成光源、光开关、单模光 纤、偏振控制器以及光电转换器。系统中，使用一只大功率光源，此光源经光开关进行 逻辑转换，为三条管道泄漏检测系统分时提供输入光，而三个检测系统的输出光信号分 别经三个光电转换器转换为电信号，然后通过数据采集卡进入上位机的信号处理系统。 可以看出，对于每一路管道泄漏检测系统，都是一个基于sagnac干涉仪的分布式光纤管 道泄漏检测系统。信号处理系统同时接收并处理七路信号，分别是三路光电转换的信号，一路由 函数发生器产生的参考信号，两路压力信号，一路流量信号。采集到的信号经解调、 FFT、滤波等处理后，实时显示信号的时域波形及频域波形，并显示管道流量和压力值， 判断管道有无泄漏。采用LABVIEW的虚拟仪器技术设计的管道泄漏监测界面如附图5和附图6。试
验结果a)在管道压力超过0.2MPa时，报警成功率达到90%以上，报警时间《30s ；b)可对法兰泄漏进行有效的检测；c)某支路管道发生泄漏时，不会对相邻检测管路造成误报警影响。d)阀的节流、泵汽蚀等产生系统流噪声工况，由于同样会产生高频声发射信 号，可能会产生使分布式光纤检测方法产生泄漏误报警，而流量_压力法可做出正确判 断，降低误报警。e)舱室背景噪声可能会产生使分布式光纤检测方法产生泄漏误报警，而流 量-压力法可做出正确判断，降低误报警。以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细 说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的
7保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应 包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.基于分布式光纤与流量压力值的管路泄漏联合检测方法，其特征在于，在船舶管路中采用基于Sagnac干涉仪原理的分布式光纤管道泄漏检测方法，但是在 其中的光源出口处采用光开关替代光纤耦合器对各管路上的光纤传感器进行分时检测； 在管路末端采用完全回光设备替代光纤环结构；所述光纤传感器在船舶管道沿线布置，除管路法兰外，其余均布置于管路底部，并 紧贴管路；光纤传感器在管路法兰上的布置方式为沿法兰外径贴近密封面处缠绕布置； 在每段管路进口处分别设置1个流量传感器和1个压力传感器，出口处设置1个压力 传感器；用于实时检测每段管路的进口流量、进口-出口压力差；根据管路系统的正常工况，检测并分析管路在出现破损情况下的进口流量和进 口-出口压力变化情况，分别设置进口流量阈值、以及进口-出口压力差阈值；当检测到的每段管路的进口流量、进口-出口压力差超过相应的阈值时，认为该段 管路已发生破损并发生泄漏；将管路上光纤传感器产生的相位差特征信号，以及相应管路的流量传感器和压力传 感器的信号同时采集至计算机并分析处理，当相位差特征信号以及进口流量、进口-出 口压力差信号均表明发生泄漏时，则确定该段管路已经发生泄漏；而仅当相位差特征信 号，或者进口流量和进口-出口压力差信号表明发生泄漏时表明发生泄漏时，则通过人 工对系统工况进行现场勘察，以判断是否确实发生泄露，进而报警。
2.根据权利要求1所述一种基于分布式光纤与流量压力值的管路泄漏联合检测方法， 其特征在于，应对敷设于管路上的光纤传感器进行铠装或安装非金属套筒进行保护。
3.根据权利要求1所述一种基于分布式光纤与流量压力值的管路泄漏联合检测方法， 其特征在于，选用对高频信号灵敏度高、抗弯曲损耗小、不易折断的光纤传感器。
4.根据权利要求1所述一种基于分布式光纤与流量压力值的管路泄漏联合检测方法， 其特征在于，系统中的光电设备除光纤传感器布置于管路上外，其它设备进行一体化封 装并采取减震和抗干扰隔离措施。
全文摘要
本发明公开了一种基于分布式光纤与流量压力值的管路泄漏联合检测方法，属于管道泄漏监测领域。在船舶管路中采用基于Sagnac干涉仪原理的分布式光纤管道泄漏检测方法，在光源出口处采用光开关替代光纤耦合器；在管路末端采用完全回光设备替代光纤环结构；在每段管路进口处分别设置一个流量传感器和压力传感器，出口处设置一个压力传感器；设置每段管路的进口流量阈值、以及进口-出口压力差阈值；将光纤传感器产生的相位差特征信号和流量及压力变化信号采集至计算机并分析处理，当二者均表明发生泄漏时，则确定该段管路已经发生泄漏；而仅当其中一个表明发生泄漏时，继续通过人工对系统工况进行现场勘察，以判断是否泄露。适于应用在船舶管路上。
文档编号F17D5/02GK102011940SQ20101051064
公开日2011年4月13日 申请日期2010年10月19日 优先权日2010年10月19日
发明者王晓东, 蔡标华, 谢江辉, 马士虎 申请人:中国船舶重工集团公司第七一九研究所