用于常温输送管线泄漏检测的特种感温光缆材料特性研究

来源:用户上传      作者:徐红 冯维一 赵霞 黄晓炜 刘礼华

　　摘  要：该文提出了一种用于常温介质泄漏检测的被动加热感温特种光缆，分析了特种光缆结构中反应物材料的温升特性。通过在光缆结构中添加反应物的方式，使管道泄漏点处的常温介质与反应物产生化学反应而被动加热，从而利用分布式光纤测温技术来检测泄漏点，实现常温介质输送管道健康状态的实时监。实验结果表明，特种光缆结构中反应层在2mm厚度时效果最佳，能够达到泄漏点温度检测的要求。
　　关键词：管道泄漏  分布式光纤传感  加热光缆  常温介质  光纤测温
　　中图分类号：TE832           文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）07（c）-0071-04
　　Study on Material Characteristics of Special Temperature Sensing Optical Cable Used for Leakage Detection of Normal
　　Temperature Transmission Pipeline
　　XU Hong1，2  FENG Weiyi2  ZHAO Xia1，2  HUANG Xiaowei1  LIU Lihua2
　　（1.Jiangsu Fasheng Optical Communication Technology Co.， Ltd.;2.Jiangsu Fasheng Photoelectric Technology Co.， Ltd.， Wuxi， Jiangsu Province， 214433 China）
　　Abstract： In this paper， a kind of passive heating temperature sensing special optical cable used for the detection of medium leakage at room temperature is proposed， and the temperature rise characteristics of reactant materials in the structure of special optical cable are analyzed. By adding reactant in the structure of optical cable， the normal temperature medium and reactant at the leakage point of the pipeline will react passively and heat up， so that the distributed optical fiber temperature measurement technology can be used to detect the leakage point and realize the real-time monitoring of the healthy state of the normal temperature medium transmission pipeline. The experimental results show that the effect of the reaction layer is the best when the thickness of the reaction layer is 2mm， which can meet the requirements of the temperature detection of the leakage point.
　　Key Words： Pipeline leakage; Distributed optical fiber sensing; Heating optical cable; Normal temperature medium; Optical fiber temperature measurement
　　分布式光纖测温技术（Distributed Temperature Sensing，DTS）以其高空间分辨率、高测量精度和传感距离长等优点，已被广泛研究和应用于实际工程中，尤其是管道泄露监测领域，但是对于常温介质输送管道，如供水管道，传统光纤测温技术可能难以识别泄漏点的发生，需要一种特殊结构的光缆。
　　针对常温管道泄漏监测难题，南京理工大学、大连理工大学等高校进行了主动加热光纤法管道泄漏监测实验，提高了常温管道泄漏的监测精度。但采用主动加热方法制成的光缆需要供电，不适合在长距离管道监测中应用。在中国专利文献中公开了一种用于常温输送管线分布式光纤测温装置及测温方法，这是一种将感温光缆、加热包密封在输送管道外部，然后将感温光缆与DTS主机连接，加热包作为被动热源。当有常温介质泄漏时，会触发加热包升温，从而检测出泄漏点。这种被动加热光纤的方法在实施起来需要将加热包、光缆和管道密闭处理，工序复杂，不便于大规模应用。该文提出了一种新型的被动加热光缆结构，能够适合长距离管道监测，且敷设简单，并且对于光缆材料中被动加热材料的使用量进行了实验分析。
　　2  特种感温光缆结构
　　为解决常温下供水管道泄漏检测的难题，该文提出了一种被动加热感温特种光缆结构，如图1所示。该结构从外向里主要分为开槽的PE护套、并带树脂薄膜、反应物、束管和光纤，其中并带树脂薄膜起到一定的阻水作用，防止内部反应物受雨水溅射等微小水量引起误报。反应物成分为氧化钙，遇水能发生化学中和反应迅速放热，使管道泄漏点处的光缆加热升温，并由内部多模光纤感知温度变化，从而判断常温供水管道是否发生泄漏事件。光缆不仅不需要供电，且内部反应物得到很好的保护，解决了长距离常温管道泄漏监测和预警的工程化应用问题，提升了管道数字智能化安全监测水平。 　　3  氧化钙反应温度特性实验与分析
　　为使光缆内部反应物能够产生最佳的反应效果，该文研究了氧化钙与无机盐水、弱酸、弱碱接触后的升温速率，确定达到最佳升温反应时的氧化钙和3种溶液的配比，评估反应放热效果。实验中氧化钙主要涉及的化学反应有3种：（1）氧化钙与水反应：CaO+H2O=Ca（OH）2;（2）氧化钙与盐酸反应：CaO+2HCl=CaCl2+H2O;（3）氢氧化钙与盐酸反应：Ca（OH）2+HCl=CaCl2+H2O。化学中和反应带有热量产生，实验在室温27℃下进行，并采用红外电子温枪来探测温度随时间的变化情况。
　　首先配置了一定浓度的NaCl水溶液（质量比2.5%，ph=7）、稀盐酸溶液（质量比0.025%，ph=2）和氢氧化钠溶液（质量比0.1%，ph=10），并将1g、1.5g、2g、2.5g这4种质量的氧化钙粉末分别放置在4个培养皿中（培养皿直径35mm，4种质量在培养皿中均匀铺开后对应厚度分别为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm），共12个培养皿，如图2所示。
　　3.1 不同溶液与不同质量的氧化钙反应情况
　　将相同体积（0.5mL）的3种溶液分别滴入不同质量的氧化钙粉末上，使其吸收反应，并利用红外测温枪每隔1min分别记录下各自的温度变化情况，其反应升温曲线如图3所示。
　　从图3（a）中可以看出，不同质量的CaO与NaCl溶液反应的剧烈程度不同，其中2.5g的CaO与0.5mL的NaCl溶液反应最剧烈，升温最高，产生的热量使培养皿发生变形，如图3（d）所示。不同质量的放热反应从第2分钟开始变得明显，7min以后，所有放热反应基本结束，开始降温。从图3（b）中可以看出，不同质量的CaO与HCl反应的剧烈程度不同，其中2g和2.5g的CaO与0.5mL的HCl溶液反应最剧烈，升温最高，产生的热量使培养皿发生变形。不同质量的放热反应从第3分钟开始变得明显，8min以后，所有放热反应基本结束，开始降温。从图3（c）中可以看出，不同质量的CaO与NaOH溶液反应的剧烈程度不同，其中2g和2.5g的CaO与0.5mL的NaOH溶液反应最剧烈，升温最高，产生的热量使培养皿发生变形。不同质量的放热反应从第4分钟开始变得明显，9min以后，所有放热反应基本结束，开始降温。
　　从反应放热的程度来看，3种溶液的反应速度大小顺序依次为：稀盐酸、水、NaOH，即CaO与水反应放热比较快，从第2分钟后就开始升温，酸和碱溶液与CaO反应放热相对滞后，所有反应的放热时间基本在5min之内结束。由此可以看出，在体积相同的溶液情况下，CaO的质量越多，反应放热越明显，无机盐水、弱酸和弱碱和CaO接触后放热情况基本相似。
　　3.2 不同体积的溶液与氧化钙的反应情况
　　从3.1节的结果来看，质量为1.5g和2g的CaO与溶液反应升温效果比较理想，而且不是异常剧烈。因此该文还进行了不同体积的NaCl溶液与这两种质量的CaO的反应。将0.5mL、1mL和1.5mL的NaCl溶液分别滴入1.5g和2g这两种质量的氧化钙粉末表面，使其吸收反应，每隔1min记录下滴液中心温度变化情况，绘制不同体积溶液与两种质量的氧化钙反应后的温度变化曲线如图4所示。
　　从图4中可以看出，不同体积的NaCl溶液与CaO反应的剧烈程度不同，溶液过多或过少均会影响反应时温升情况。当CaO量比较少时，不同体积的溶液反应后温度变化趋势比较一致，而当氧化钙较多时，不同体积的溶液反应后温度持续时间不一致。
　　从CaO和水化学反应式的摩尔质量比（54：18）也可以看出，CaO和水充分反应的质量比大约3：1。实验中，由于CaO放置在培养皿中，不同质量厚度不同，且与水接触面不均匀，因此该实验得到的比较理想的情况是1mL水与2g氧化钙接触，反应放热情况较好，即光缆中CaO粉末层最佳情况在2mm。
　　4  结语
　　该文针对常温供水管道泄漏问题提出了一种被动加热的特种感温光缆结构，并对结构中反应物CaO与常温介质的反应情况进行了实验，实验结果表明，当光缆中反应层CaO粉末在2mm厚度时效果最好。目前设计的光缆结构可以起到阻隔少量水、检测常温介质泄漏的作用，为长距离常温管线的泄漏监测应用提供借鉴意义，后续将会对相应的特种光缆产品做进一步验证。
　　參考文献
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