光纤光栅技术在崇明过江输气管道 应力监测系统的应用研究 口中国市政工程西南设计研究总院有限公司（６１ ００８１）申建波宋玉银 摘 要： 针对高压输气管道应变的监测传统方法受条件限制精度低，本应用研究是依托实Ｉ％ｘ－，ｆｌ 条件，借鉴光纤光栅传感技术在大型土建方面的应用经验，为光纤光栅技术在上海崇明 过江输气管道上的应用提供技术支持，通过工程实践验证光纤光栅技术的优点，提高工 程安全监测水平。 关键词： 光纤光栅崇明过江管应变监测 １ 引言 上海天然气主干管网已敷设６００多ｋｍ，崇明过江 特定设计的机械件上，通过特殊的封装工艺制成传 感器，当被测物体的温度、应力应变、振动速度等 物理量发生变化时，传递到光纤光栅上，光栅的栅格 发生变化，通过解调仪测量出变化量，并解调出所需 的数值。 光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折 输气管工程是主干管网重要的组成部分。崇明过江输 气管工程是将上海五号沟ＬＮＧ气源和江苏天然气气源 连通，为长兴岛、崇明岛供气增加了可靠的保障，也 为上海和江苏气源互联互通创造了条件。崇明过江天 然气管道通过长距离小直径隧道方式穿过长江，工程 射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种 无源滤波器件。由于光栅光纤具有体积小、熔接损耗 小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其 谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的 变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广 泛的应用。 难度大，安全等级高，需要可靠、先进的监测技术。 本文将介绍先进的光纤光栅传感技术在崇明过江输气 管道应力变形监测方面的应用研究，为工程建设提供 有力的技术支持。 崇明过江输气管道工程全长２４．５ｋｉｎ，管径为Ｏ８１３， 钢级为Ｌ４１５优质管线钢，过江管通过两条隧道穿越长 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外 光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤 芒＝ 内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永 久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤 ¨：内形成 一江，隧道两端设置沉井，井深２５ｍ～２７ｍ，过江高压天 然气管道通过弯管与陆地埋地管线连接，弯管处应力 集中，通过监测，确保工程安全受控。 个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。当一束 宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件 ２ 光纤光栅传感技术原理 光纤光栅传感器是将裸光栅通过某种技术固定在 的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传 输。见图１。 光纤光栅传感器是目前国际上新一代光纤传感 ２０ ｌ城市燃气２０１８／０５总第５１９期 申建波等·光纤光栅技术在崇明过江输气管道应力监测系统的应用研究 ，！ｌ仃小顷防爆、抗 ＩＵ磁｝：扰、防ｍ 、 比较 ｌ 瞍、 ：｝ 车 、ｆ小干｝｛小，能力‘他地使川波分 川技术 ）匕纤 ｆＩ¨讨受多个光纤ｊ匕栅分布Ｊ． 洲 等优点特 乡ｒ传感 监测技术永川全 ｒ ｆ 感ｆＩ１他 输，现场／ｆ 。 供电，Ｉｌ仃小顷发令的特点．川『Ｉ１ｆ比 圳适合ｒ建筑、桥 、人 、公路、隧道等大 建筑 物心 、 光纤玎 、 纤传感技术一ｑ－以殳持长ｊ！ 离的信Ｉ Ｉ传输．此缆小ｆ ｝ 仃良好的Ｉ 水 Ｉｑ￣ｋ＂－：，光纤 感 ＪＩ＝三｝ｌ 删４￡术 个＝满 水下发 求，『Ｊ＜ｌ；Ｉｔ：（１ｉ＂．Ｊ 过 输 Ｌ ”Ｉ；：线陂选川刈Ｊ、 、振动 多参 的实ＩＩ、川ＩＩＩＬ、‘ Ｉ『Ｉ－ｌ０ ，—————————司 · ＿＿ ＿ 力变形进仃 测 ／： 弋 图１光纤结构简图 ３．２监测断面确定和传感器布置 崇…过 输气㈠ Ｉ１：分 Ｉ ，ｉ ４个过 Ｊ 包括 ｆＪＩＪ １’：站过ｆ Ｊ Ｊｌ：、ｉ ｚ“ ￣ ｛Ｉ Ｊ Ｉ Ｉ： ０ ， ，』 ｒ Ｊｆ 、【 过汀 、 路过汀” ７：ｆ１＼过汀” 燃 １ ：线发 Ｉ ３ 纤）匕栅传感技术 ：崇ｆ１ＪＪ过汀符ｆｒｊｊ，：￣Ｊｔｔ￣）ｆ究 个弯 Ｉｆ【Ｊ 处』 ，Ｊ受，Ｊ策－ｌ ｔ， １＼： 没ＩＬ３个 …￣Ｊｒ，－＇．ｌ，ｌ、１０ 船洲断ｆｎ 汁８个： 头， ＂ ｒＬ２－｜１＼Ｈ 测断ｍ ． ３．１传感器技术选型 传感 Ｉ￣１．２ 『ｉＪ】过ｆｌ 隧道ｌＪ、Ｊ 允水环境，』 ＩｉＩ仃４个 测断 ｌｍ淹没Ｊ 水Ｉ 监测系统： 前端传感 及 输线路Ｋ』ｆＪＪ ｒ 要求 作 水』１：境ＩｌＩＩ尢法维修、维护币ｎ 箭 验等ｎ Ｊｌ 、、、、、 —二———————————— — 图２燃气管线弯头应力传感器布置示意图 （Ｉ） 防Ｉ，ｌ 级Ｉ 之持 水』１ 境『Ｉ１长期运ｆ ； （２） 作稳定Ｊ ¨ ，心为免维护、维修，饱校 验） ； （３）隧道ｌＪ、Ｊ为爆炸 险 环境，’ 求没箭选 、 发 ｆＩ１｝Ｕ缆煅 满 防 ‘ 水； （４）迎受『 溯、Ｉ 磁卜扰慨串小； （５）系统Ｉ 作也定．’ 求没汁他川ｆ 大丁２０＇，ｔ－ ｌ１ ｌＩＪ‘采川的 ，Ｊ Ｊ 躲测传感器技术包括电 、住 个： 接 ｆ 选收３个 测哉Ｉ（Ｉ ．７：』＿个 断 布 ４个传感器（）Ｇ，ｒ－圯栅ｆ 坐汁）， Ｌ）（）。分 ｉ 虚 汁的 ＩＡ－＂则方『 ｌｆｌ １ ：道的 … ７：ｆ，＼： ｛爱 需 布 Ｉ２个比纤光 、 比纤光栅心 汁 ．８＂９： ｛崖 ．９６个 ＩＵ感』ｌ＝、ｆ乜容Ｊ 、Ｊ Ｉｉ，Ｉｚ式等传统ｆ々感器技术干¨Ｊ 乡ｒｆ Ｉ，Ｊ）‘乙 ｒ）【［＝栅技术 ＩＷ币｝传感Ｐ，￣Ｌｆｉ【成的： ｌ；则系统 表１传感器技术方案比选表 序号 １ 一 ’ 比选性能 ｆ 感 １ ｆ，Ｊ ｊ ｌＵ泺 传统技术 定１ｔＪｃＪｆ， 】定 供｝Ｕ 光纤技术 儿 ＾ ；ｊ 九 ＾ ＩＵ泺 ３ ４ ５ ６ ７ ８ 足｛０ ｆ ｆ０输川 高 迎 述啐： 防 一Ｉ！ｌ－ｉｆ￣ 防｛Ｊ、 ｒ１．Ｚ．，一Ｇ ＩＵ ＩＩｊ、电磁Ｉ：扰 他ＪＩｌ＇ｑｑ￣１４ １．２ｋｌ１１以卜 ＩＯＭＩ）Ｉ 随通ｆ １ ｆ≈艇减 ｒ，］￣１４－ｌＴ，，ｉＪ：ｑ：Ｊ７３ 求 定 Ｊ 一 黼水桃 炎Ｊ ２０ｋｌＩＩ ＩＯＭｈｉ’ｓ～１ＯＯＭｈｐｓ 采川ｔ比 ｒ介质，小 奠个 Ｉ 踏．ｆ艾 桃会扎！坏 采ＪＩＩ 玎介脏，儿 １Ｉｌ】＝ Ｉ ＥＬ．趔水 陡Ｉ 卅施 川‘宋川防电涌和Ｉ ５＇ｑ－ ／．、 宋ＪＩＪ）匕玎介Ｊ，矗， ｌ ＩＩｊ、Ｉ 融Ｉ：｛＿Ｊｃ ＪＪ曲 ！（）｛ 搜ｌ’』Ｉ ９ ｆ々感Ｐ，￣ｆＪｌＩＵ ｆＪｌＩＵ，水卜施１ 《１ Ｊ ｛ 人 几 ｆＪＩｌ 城市燃气２０１８／０５总第５１９期 ２１ 崇明清管站 路过江外站 长兴过汀 站 图３系统组成示意图 ３．３远程通信和后台监控 化，因此，传感器本身外护套和内部结构之间有一定 间隙，采用双重０形圈进行密封； （２）传感器上的缝隙采用不锈钢波纹管跨接， 用激光焊接进行永久密封； 后台监控设在有人值守的场站中，集中采集各监 控点应力数据，在统一平台下进行人机界面显示、数 据存储和应用、预警、警告、报警等。 各监控点与后台监控中心需实时远程通信，实 现数据远程采集 利用随管线敷设的通信光缆，在 各站点与长兴清管站之间建立通信局域网．实现数 据通信。 ３．４系统组成 （３）传感器光纤出纤采用毛细孑Ｌ的设计，孔只 允许裸光纤经过，孔的两侧填充防水密封胶水。 ３．５．３光缆接续点防水 接续点长期工作于水下，为确保正常一Ｉ 作，施丁 时应采取可靠的防水措施。 （１）采用特殊定制的半剖不锈钢无缝钢管，将 熔接点放在钢管上，涂防水环氧树脂密封； （２）出纤采用热缩管密封； 过江管输气管道应力监测系统以长兴清管站为监 控ｒ ，利用随管线敷设的通信光缆传输数据，实时 监测崇明清管站、长兴清管站、长兴过江井站、曹路 过汀井站竖井内管道的应力值。系统组成见图３。 ３．５工程实施难点 （３）热缩管外壁采用Ｐｕ管防水，并注人防水硅胶。 ３．５．１）匕纤光栅应变计安装 （１）监测断面选择应能真实反映管线应变，传 感器安装点应能真实反映管线应变值； （２）传感器底座要求与管线可靠焊接。施 【中 不应对钢管结构和强度产生影响，并应对焊接点进行 防腐处理。 ３．５．２传感器防水 每个过江井站有一个弯头淹没于水下，光纤光栅 应变计长期＿Ｔ作于水下，为确保正常工作，应采取可 靠的防水措施。 ４ 结论 本次应用通过应变数据模型，真实反映应变与应 力关系，把现场实时的应变监测数据作为输入量，输 出分析结果．最终在后台设备上呈现弯头处应力，和 管材的最大许用应力进行对比，从而监测管道的运行 状态，实时掌握管线安全工况。光纤光栅应变计监测 系统作为在水环境下能正常工作、支持长距离通信、 传感器无需定期校验、防护性能优良、本安型的实 时监测系统，是保障燃气管线长期安全运行的理想监 控系统。 （１）应变传感器由于需要感应微小的应变变 ２２｛城市燃气２０１８／０５总第５１９期