摘要深水复合输送软管的服役过程中，诸多因素会诱发管道事故，对复合软管在位安全监测提出了更高的要求。本文介绍了国外应用于复合软管的监测技术的优缺点，分析了光纤技术在复合软管监测中的优势；简述了光纤传感技术及其技术原理，并提出光纤的选型原则与监测方案；分析了光纤传感技术的国外应用现状。
关键词复合软管；在位监测；光纤；监测方案
0 引 言
海洋石油输送管道一般有钢制管道、复合软管两大类，前者是由金属材料制成，后者由金属和聚合物复合而成[1]。随着深海油气开采范围的日益扩大，复合软管的可设计性、易弯曲、易铺设、可回收性等优点使其得到越来越多的应用，尤其是在边际油田开发中采用复合软管，可以显著降低工程建设及运营成本[2，3]。
在复合软管的服役过程中，由于外部干扰、金属层腐蚀失效、聚合物层老化失效以及自然灾害等诸多因素，可能会诱发管道事故[4]。因此，对复合软管进行在位安全监测，可对软管运行阶段的失效风险从源头上进行防控，提升软管的可靠性与安全性。
复合软管在国内的起步较晚，现有的常规监检测手段存在成本高、响应慢、无法实时监测等局限性。目前国外多用于复合软管的监(检)测方法有声发射、远场涡流、声呐、光纤传感等技术手段[5]。声发射技术成本较高，涉及大量的水下操作，操作难度大。远场涡流技术只能实现铠装层腐蚀的检测，而声呐技术只能实现管道泄漏的检测，具有一定的局限性。同时，声发射、远场涡流、声呐等技术不能实现复合软管的在位实时监测。相比之下，光纤传感技术覆盖的监(检)测项目较全面，囊括了温度、变形、泄漏以及气体浓度的监(检)测，可在复合软管中进行预埋设，仅需对软管生产工艺进行调整而无需更改管线结构与铺设工艺，实现难度较小。
1 光纤传感技术
光纤传感器(optical fiber sensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器，具有灵敏度高、精度高、可靠性高、复用性强，尤其是抗干扰能力强等独特优点[6]。硅光纤的典型结构及其反射原理如图1所示，纤芯与包层为玻璃材质，光在其界面反射传播，护套起到对光纤的保护作用。目前硅光纤的弹性应变极限可以达到6%，耐受温度可以达到-200℃～700℃。
图1 光纤典型结构及反射原理图
2 光纤选型
用于复合输送软管监测的光纤通常铺设与抗拉铠装层外侧，其选型受到的影响因素较多，主要包括耐温性、弯曲性能、延伸性、光衰减和氢损耗等方面。
(1) 耐温性。
光纤铺设后，其外侧将挤塑一层聚合物作为软管的外包覆层，挤塑温度一般为200℃～240℃，持续8～10 min。因此光纤及其外面的包层、涂覆层以及保护套等不只要满足其长期监测温度，还应能短期适应外包覆层的挤塑温度。
(2) 弯曲。
光纤随抗拉铠装层发生弯曲变形时，光信号的衰减会增大，当弯曲半径过小时，会显著影响其监测的有效覆盖距离，故光纤的设计最小弯曲半径应尽可能地小。
(3) 延伸性。
复合软管铺设和施工过程中由于受到外力的拉伸，会导致光纤处于拉伸状态下。例如当复合软管的设计延伸为2%，同时复合软管在受到外界温度变化会由于热膨胀而引起延伸(例如若复合软管从零度升温至100℃，延伸为1.2%)，所以光纤总的延伸率应不小于3.2%，取1.2倍安全系数，则光纤延伸率应不小于4%。
(4) 光衰减。
光衰减会直接影响信号传输距离，光纤服役期间由于老化、氢损伤、拉伸以及挤压等均会导致光衰减上升，导致服役或是服役后期监测距离缩短、监测精度降低。
(5) 氢损伤。
当氢气或水中氢离子扩散入光纤玻璃之中时，会与光纤玻璃中的缺陷发生反应,在一些特征波长上造成光纤衰减增加。服役中后期管线在氢损伤的影响下，光纤的监测精度与距离有可能发生大幅下降，所以保证光纤较好的抗氢损特性至关重要。
3 光纤监测方案
3.1 光纤监测系统
图2 光纤监测系统
应用于复合软管的光纤监测系统的组成形式可设计为如图2所示。显示器、光纤解调集成工控机、信号传输光纤、信号耦合器安装在平台或陆地段的中控室，在复合软管输送介质期间，由光纤解调集成工控机发射光信号，光信号经传输光纤及信号耦合器传输至预埋入复合软管内的各条传感光纤，当传感光纤受到温度等参数的影响，传输至其中的光信号会发生相应的变化，变化的光信号会通过传感光纤及传输光纤反馈至光纤解调集成工控机，通过解调设备对反馈信号的解调处理，最终由显示器中的开发软件界面予以显示，从而实现复合软管温度、应力等参数的实时监测。
3.2 温度监测
光纤纤芯中的光在传播过程中，光学光子和光学声子产生非弹性碰撞，产生漫散射，分子振动的振幅和散射信号会受到环境温度的影响，这即是拉曼散射型光纤[7-9]。拉曼散射光纤仅对温度信号敏感，温度分辨率可到达0.1℃，监测距离最大范围60 km，成本相对最低。当拉曼散射光纤与抗拉铠装层共同缠绕在复合软管上，传输光纤本身可以起到传感器的功能，同时在正常情况下，以复合软管中心为零点径向等位等温，故而可以达到软管全距离无覆盖监测。
3.3 变形监测
在光沿纤芯传输过程中，光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声，当这种声学噪声在光纤中传播时，其压力差将引起光纤材料折射率的变化，从而对传输光产生自发散射作用，同时声波在材料中的传播将使压力差及折射率变化呈现周期性，导致散射光频率相对于传输光有一个多普勒频移，这即是布里渊型散射光纤[10，11]。
布里渊散射光纤对温度与应变敏感，精度可达到10个微应变与0.1℃，监测距离最大值可达到100 km。对于复合软管的软管变形监测，10微应变对应到铠装层应力为2.1 MPa，即最低可以监测到铠装层应力增长步长为2.1 MPa。
3.4 泄露监测
光纤应用于泄露监测主要利用管内外流体温度差进行监测，也采用的是拉曼散射型光纤。目前该技术已应用于柏林55 km的陆地天然气管道以及阿拉斯加油田等[12]，该技术通常在泄露点直径3 mm时，定位精度优于1 m，响应时间小于10 min。
3.5 气体监测
直接吸收光谱是以波长为函数记录被测气体对入射光吸收的原始吸收线。通过调整合适的激光波长使之扫描过气体特定的吸收波长，获得气体的吸收线形、展宽系数和吸收强度，进而计算出被测气体的浓度、温度、压力等参数，因此是一种不需定标的直接测量技术。其对于二氧化碳气体测量精度1%，硫化氢气体测量精度5×10-6。
4 应用现状
复合软管光纤在线监测技术目前主要掌握在国外三大厂家中，分别为Technip、 Wellstream和NKT，三家均具备独立的设计、制造、试验和施工能力，且根据现有资料，三家产品技术均较成熟，并有实际的工程施工成功案例。
Technip在2015年发表专利[13]，将碳纤维材料与光纤包裹束缚于热塑性或是挤塑型高分子材料内部，形成铠装光纤(见图3)，其中光纤至少包含1根。铠装光纤与抗拉铠装层扁钢一起螺旋缠绕，形成抗拉铠装层。铠装光纤内的光纤与光源和监测系统连接，从而实现实时在线监测应变、温度等参数。
图3 铠装光纤(Technip)
NKT公司早于2006年即进行光纤在线检测复合软管的研究[14]，将抗拉铠装层扁钢表面预制凹槽(凹槽宽度0.5～5 mm，深度0.5～5 mm，形状为U型)，并将凹槽内填充胶体，例如环氧类型胶体，通过对光纤施加压力将光纤压入预制凹槽内，并将胶水固化(见图4)，然后将埋有光纤的扁钢作为抗拉铠装层缠绕在复合软管中，进而时间对软管温度、泄漏、应变、震动、弯曲、环形域充水、软管隆起与埋设状态、环形域气体浓度的实时监测。该方法布置光纤传感器由两层组成，两层之间可以相对滑动，可避免光纤受到外界损伤。
图4 埋有光纤的扁钢(NKT)
Wellstream公司也于2013—2014年间发表多篇专利，介绍光纤传感技术在复合软管检测中的应用。US2013/0192707中提出一种方案[15]，将裸纤嵌入一金属管内，并将其他多根裸纤沿该金属管布设，并通过环氧树脂固定于抗压溃护管内部。将含有多根光纤的抗压溃护管与扁钢一同螺旋缠绕形成抗拉铠装层。该方法适用于温度、应变的监测，其中光纤金属管内的光纤处于自由状态不受应变影响，用于温度监测。金属管外布设的光纤纤由于通过树脂与抗压溃护管固化为一个整体，应变同步，从而进行应变监测(见图5)。
图5 铠装光纤及其布设方式(Wellstream)
5 结 语
基于成熟的光纤技术，将光纤应用于软管的在位监测，相比其他软管监测技术具有巨大的优势，开发成本与风险很低，可促进软管监检测技术逐步向全面化、智能化、精确化发展，提升海洋能源行业长/短距离油、气、水输送的安全性、可靠性与经济性，保证能源生产与输送的效率，同时为海洋石油的开采与生产提供可靠的安全保证，提高石油开采效率，减少因事故对生产产生的影响，可以带来相当可观的社会与经济效益。国外已有多个光纤应用于软管监测的成功案例，但国内对光纤在位监测的研究较少，与国外软管厂家的差距很大，可在吸收国外光纤监测技术的基础上进行再创新，实现复合软管光纤在位监测的国产化。
