王少平，劉金海，高 丁，曲 杰，唐建華

（1.中海油能源發(fā)展油田建設(shè)工程公司，天津 300452；2.東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110004）

管道內(nèi)檢測技術(shù)是一種重要的海底管道故障診斷方法，對海底管道的安全運行起到重要的保障作用。但在采用管道內(nèi)檢測方法時，需要實時確定內(nèi)檢測器在管道中的位置，尤其是當內(nèi)檢測器卡堵在管道中時，更需要及時精確地確定內(nèi)檢器在管道中的位置，以便采取相應(yīng)措施?，F(xiàn)有管道內(nèi)檢測器定位技術(shù)有：傳統(tǒng)里程輪定位法［1］、定點磁標法［2］、靜磁場定位法［3］、放射性射線定位法［4－5］、GPS／INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)定位法［6］。但這些方法通常只能應(yīng)用于陸地管道，難以對海底管道內(nèi)檢測器進行跟蹤，無法解決海底管道內(nèi)檢測器的實時跟蹤與定位問題。

利用負壓波方法實時跟蹤管道內(nèi)檢測器，筆者通過OLGA軟件搭建模型對此方法的可行性進行了仿真驗證。由于負壓波定位誤差較大，難以實現(xiàn)精確定位，所以負壓波只用來實時跟蹤和粗略定位；當內(nèi)檢測器卡堵在管道中時，結(jié)合實時跟蹤到的內(nèi)檢測器在管道中的粗略位置，將超低頻電磁波發(fā)射源作為示蹤源，利用其產(chǎn)生磁場的磁感應(yīng)強度滿足雙峰對稱分布的規(guī)律，對內(nèi)檢測器進行精確定位。

1 實時跟蹤與精確定位方法

1.1 實時跟蹤方法及原理

利用負壓波跟蹤管道內(nèi)檢測器通過三個步驟實現(xiàn)。

步驟一：壓力信號發(fā)生。首先利用安裝在內(nèi)檢測器兩端的兩個壓力波發(fā)生器，同時產(chǎn)生兩個大小相同的壓力波。

步驟二：壓力信號采集。通過管道首末兩端高精度壓力傳感器采集壓力數(shù)據(jù)，并利用GPS對數(shù)據(jù)采集時間精確同步。

步驟三：壓力信號分析。將采集到的帶有時間標簽的壓力數(shù)據(jù)進行分析，尋找壓力波傳播到管道首末兩端的時刻，得到時間差。根據(jù)負壓波時間差、負壓波傳播速度以及管道長度，確定內(nèi)檢測器在管道中的位置。

在短時間內(nèi)重復(fù)上述3個步驟，即可實現(xiàn)對管道內(nèi)檢測器的實時跟蹤，管道內(nèi)檢測器的實時跟蹤的原理圖如圖1所示。

圖1 管道內(nèi)檢測器實時跟蹤示意圖

根據(jù)圖1所示的管道內(nèi)檢測器的實時跟蹤的原理圖，可以得到管道內(nèi)檢測器的實時跟蹤的數(shù)學(xué)模型：

式中：L0為管道首端與末端間的距離，m；Lx為內(nèi)檢測器距離管道末端的距離，m；t0為安裝在內(nèi)檢測器兩端的壓力波發(fā)生器產(chǎn)生壓力波的時刻，s；t1為壓力波發(fā)生器在t0時刻產(chǎn)生的壓力波傳播到管道首端的時刻，s；t2為壓力波發(fā)生器在t0時刻產(chǎn)生的壓力波傳播到管道末端的時刻，s；vy為距離管道首端y處壓力波傳播的速度，m／s。

在常溫管道中，壓力波傳播速度近似為一個定值v。令壓力波傳播到管道首端和末端的時間差Δt＝t1－t2，代入到式（1）和（2）中可以得到：

式（3）即為管道內(nèi)檢測器實時跟蹤的原理公式。從式（3）中可以看出，只要知道管道首端與末端間的距離L0（即管道長度），壓力波傳播速度v，便可以求得內(nèi)檢測器距離管道末端的距離Lx，由Lx即可確定內(nèi)檢測器當前時刻在管道中的位置。

1.2 精確定位方案設(shè)計

1.2.1 精確定位方法及原理

利用兩個壓力波發(fā)生裝置產(chǎn)生的壓力波達到時刻難以精確定位，因此在內(nèi)檢測器卡堵在管道中時，需要用另外的方法對內(nèi)檢測器進行精確定位。

利用超低頻電磁波來精確定位管道內(nèi)檢測器［7］。超低頻電磁波頻率較低（頻率范圍為30～300Hz，波長為106～107m），若以傳統(tǒng)電磁波的電偶極子為模型，其發(fā)射天線應(yīng)與波長處于相同數(shù)量級，長度將達到幾千千米，不適合實際應(yīng)用［8］，而超低頻電磁波的磁偶極子模型是一種新的模型，能夠描述超低頻電磁波的規(guī)律，并且方便實際的工程應(yīng)用。

超低頻電磁波發(fā)射裝置中螺線管（即發(fā)射天線）的半徑R應(yīng)遠小于螺線管的長度l，此時將螺線管產(chǎn)生的磁場等效為由磁偶極子所產(chǎn)生的磁場，磁偶極子是由一對等量異號的點磁荷＋qm和－qm組成［9］，超低頻電磁波的磁偶極子模型如圖2所示。

圖2 超低頻電磁波的磁偶極子模型

螺線管水平放置，z方向即是水平方向，x方向是與z方向相垂直的豎直方向。場點D上的磁場由磁荷＋qm、－qm所產(chǎn)生的磁場矢量疊加而形成。磁偶極子在場點D處的磁感應(yīng)強度B在x方向上的分量絕對值為：

式中：I為螺線管上的電流；R為螺線管的半徑；l為螺線管長度；n為螺線管單位長度匝數(shù)；μ0為空氣磁導(dǎo)率；x，z分別為磁荷的磁場矢量在x軸方向的值和在z軸方向的值。

根據(jù)式（4），可以得到螺線管產(chǎn)生磁場的磁感應(yīng)強度B在x方向上的分量絕對值隨z的變化曲線如圖3所示。

圖3 磁感應(yīng)強度隨著距離z的變化情況

超低頻電磁波在空間分布的幅值與電磁場場點的位置密切相關(guān)，即隨著超低頻電磁波接收天線與發(fā)射天線位置（發(fā)射源的位置）的相對變化，接收天線上信號強度也相應(yīng)地變化，所以利用超低頻電磁波在空間上磁場強度的分布規(guī)律，即可以確定超低頻電磁發(fā)射源的位置。當內(nèi)檢測器卡堵在海底管道中時，利用超低頻電磁波可以實現(xiàn)管道內(nèi)檢測器的精確定位。

1.2.2 精確定位模塊設(shè)計

管道內(nèi)檢測器精確定位模塊主要包括：安裝在內(nèi)檢測器一端的超低頻電磁波發(fā)射裝置、電磁波探測裝置、精確定位的上位機這三部分。

管道鋪設(shè)在近海的海底，安裝在內(nèi)檢測器一端的超低頻電磁波發(fā)射裝置隨內(nèi)檢測器一同在管道內(nèi)部移動，當這個連接體在管道內(nèi)部發(fā)生卡堵停止移動時，超低頻電磁波發(fā)射裝置作為示蹤源，開始發(fā)射超低頻電磁波。電磁波探測裝置懸掛在海面作業(yè)船下方，位于管道上方10m的海水中，探測超低頻電磁波發(fā)射裝置發(fā)射的電磁波。

電磁波探測裝置處在管道上方10m的海水中的優(yōu)點是：① 超低頻電磁波接收裝置距離管道比較近，超低頻電磁波發(fā)射裝置以較小的發(fā)射功率發(fā)射超低頻電磁波，超低頻電磁波接收裝置便可以探測到；② 電磁波在海水與空氣的交界面會有折射和反射，如果超低頻電磁波接收裝置放置在海面上，不利于探測超低頻電磁波發(fā)射裝置發(fā)出的電磁波；③ 超低頻電磁波接收裝置距離海面作業(yè)船比較遠，可以減弱作業(yè)船上發(fā)出的電磁波對其的影響。

超低頻電磁波接收裝置將接受到的電磁信號處理為數(shù)字信號后，通過RS485總線電纜以手牽手的方式將數(shù)據(jù)傳送給上位機，上位機主要用來顯示探測到的電磁波數(shù)值大小和語音提示是否探測到超低頻電磁波發(fā)射裝置與內(nèi)檢測器這個連接體。

在該設(shè)計中，電磁波探測裝置處在管道上方10m的海水中，能夠接收到的電磁波為原電磁波的77.79%，如果電磁波探測裝置與管道的距離過大，電磁波衰減后的值會很小，難以探測；反之，則會對電磁波探測裝置和上位機的通信產(chǎn)生影響，以及容易碰觸到管道。

（1）超低頻電磁波發(fā)射裝置

超低頻電磁波發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 超低頻電磁波發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)

由圖4可知，超低頻電磁波發(fā)射裝置包括有鐵芯、螺線圈、骨架、外壁、控制單元、電池、通孔，其中鐵芯、螺線圈和骨架構(gòu)成發(fā)射天線，放置在超低頻電磁波發(fā)射裝置的上方，鐵芯兩端向上彎曲。其連接方式為：鐵芯從骨架中間穿過，螺線圈纏繞在骨架上，螺線圈的兩端連接控制單元的接線端子上，電池與控制單元通過電源線連接，內(nèi)檢測器輸出端經(jīng)外壁上的通孔連接控制單元脈沖信號輸入端。

（2）電磁波探測裝置

根據(jù)超低頻電磁波發(fā)射裝置發(fā)射的超低頻電磁波具有的雙峰對稱規(guī)律，設(shè)計了十字架結(jié)構(gòu)的電磁波探測裝置。

圖5 電磁波探測裝置結(jié)構(gòu)

如圖5所示電磁波探測裝置包括有線圈、骨架、天線架、天線盒、數(shù)據(jù)采集盒、信號輸入線、信號輸出線。線圈纏繞在骨架上，放置在天線盒里，天線盒通過卡扣的形式安裝在天線架上，天線盒上下兩端不封閉，天線架成十字狀（由橫軸與縱軸垂直交叉形成），使用玻璃鋼制成，共有五個天線盒，在天線架中央放置一個天線盒（里面放置三號線圈），另外四個安裝在天線架四端，數(shù)據(jù)采集盒放置在天線架四端中的一個天線盒與天線架中央的天線盒之間，線圈通過信號輸入線與數(shù)據(jù)采集盒連接，數(shù)據(jù)采集盒中包括有超低頻電磁波信號采集和數(shù)據(jù)處理電路。在橫軸與縱軸的四個交叉點處各引出一條纜繩，用于固定于海面作業(yè)船底部，信號輸出線連接到作業(yè)船里面的上位機。

利用電磁波探測裝置沿著管道方向探測管道上方的電磁信號，對5個天線線圈（包括在橫軸兩端設(shè)置有1號和2號天線線圈，在縱軸兩端設(shè)置有4號和5號天線線圈，中心設(shè)置有3號天線線圈）輸出的模擬信號進行信號調(diào)理和A／D轉(zhuǎn)換得到電磁波數(shù)據(jù)，利用快速傅里葉變換（FFT）對這些數(shù)據(jù)進行頻譜分析，提取出30電磁波的幅值，需要向上位機發(fā)送，若接收5個天線線圈中任何一個線圈輸出的模擬信號值均未超過設(shè)定值5（判斷是否探測到超低頻電磁波發(fā)射裝置與內(nèi)檢測器的連接體時所需要的設(shè)定值，該設(shè)計中設(shè)定值取值為5mV），則說明沒有探測到超低頻電磁波發(fā)射裝置發(fā)射的超低頻電磁波，繼續(xù)探測；如果其中任何一個天線線圈輸出的模擬信號值超過設(shè)定值5，則說明探測到超低頻電磁波發(fā)射裝置發(fā)射的超低頻電磁波，產(chǎn)生報警提示信息向上位機發(fā)送。比較這5個天線線圈輸出的30Hz電磁波的幅值大小，1號與2號天線線圈輸出的幅值大小相近，并且大于3號線圈輸出的幅值，或者4號與5號天線線圈輸出的幅值大小相近，并且大于3號線圈輸出的幅值，那么超低頻接收裝置的正下方就是超低頻電磁波發(fā)射裝置，即可精確確定內(nèi)檢測器的位置，產(chǎn)生精確定位信息也發(fā)送給上位機。

電磁波探測裝置的探測流程如圖6所示。

2 實時跟蹤與精確定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

管道內(nèi)檢測器實時跟蹤與精確定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為管道內(nèi)檢測器上的定位裝置、管道外實時跟蹤模塊和管道外精確定位模塊這三個部分。管道內(nèi)檢測器的實時跟蹤與精確定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

由圖7可知管道內(nèi)檢測器的實時跟蹤與精確定位系統(tǒng)的硬件裝置包括：兩個壓力波發(fā)生裝置、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、GPS校時裝置、內(nèi)檢測器位置監(jiān)控平臺、超低頻電磁波發(fā)射裝置、電磁波探測裝置和精確定位部分的上位機。其中，兩個壓力波發(fā)生裝置、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、GPS校時裝置和內(nèi)檢測器位置監(jiān)控平臺用來實現(xiàn)對管道內(nèi)檢測器的實時跟蹤；超低頻電磁波發(fā)射裝置、電磁波探測裝置和用于定位分析的上位機。

實時跟蹤與精確定位系統(tǒng)的硬件連接順序為：壓力波發(fā)生裝置1——超低頻電磁波發(fā)射裝置——內(nèi)檢測器——壓力波發(fā)生裝置2。

管道首端與末端分別安裝有高精度壓力傳感器。管道首端與末端分別設(shè)有數(shù)據(jù)采集裝置，用來采集高精度壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)和GPS校時裝置時間信息，并將采集的壓力和時間數(shù)據(jù)打包后，通過網(wǎng)絡(luò)傳動給相應(yīng)的內(nèi)檢測器位置監(jiān)控平臺。在監(jiān)控平臺對壓力數(shù)據(jù)和時間信息進行分析處理，實時確定內(nèi)檢測器在管道中的位置，并在位置監(jiān)控界面上顯示。

電磁波探測裝置探測超低頻電磁波發(fā)射裝置發(fā)射的電磁波，并作數(shù)據(jù)的處理后傳送給上位機，在上位機顯示電磁波數(shù)值大小，提示是否探測到超低頻電磁波發(fā)射源，電磁波探測裝置和精確定位部分的上位機通過RS－485總線進行通訊。

3 仿真試驗

使用OLGA6.0軟件對所提出的基于壓力波的管道內(nèi)檢測器實時跟蹤的方法進行仿真，試驗此方法的可行性，在OLGA6.0軟件中搭建的管道內(nèi)檢測器的實時跟蹤仿真模型如圖8所示。

圖8 管道內(nèi)檢測器的實時跟蹤仿真模型

在圖8中，INLET和OUTLET是兩個節(jié)點（NODE），分別代表管道（PIPELINE）的入口端點和出口端點，SOURCE－1模擬管道首端注入的原油，SOURCE－2模擬產(chǎn)生向管道兩端傳播的壓力波。在本仿真中，由SOURCE－2在第23s時，0.2s時間內(nèi)向管道內(nèi)注入0.0113m3原油，注入0.0113m3原油的原因是每個壓力波發(fā)生裝置允許伸縮范圍是150mm，管道內(nèi)徑219mm。

OLGA6.0軟件將管道分為9段，每一段的長度為5.56km，如圖9所示。

圖9 管道內(nèi)檢測器的實時跟蹤仿真示意圖

原油注入管道的一端SOURCE－1，即管道首端設(shè)定在1號端點，同時管道首端壓力傳感器也放置在1號端點，模擬壓力波產(chǎn)生的SOURCE－2設(shè)定在6號端點，即壓力波的波源在6號端點，管道末端壓力傳感器放置在10號端點。管道內(nèi)檢測器的實時跟蹤仿真結(jié)果圖如圖10所示。

圖10 管道內(nèi)檢測器的實時跟蹤仿真結(jié)果

在本仿真中設(shè)定SOURCE－2在第23s時產(chǎn)生壓力波，從圖10中可以看出在第41s時，PIPELINE.PIPE－1.10Pressure曲線，即管道末端壓力曲線開始出現(xiàn)SOURCE－2產(chǎn)生的壓力波，而PIPELINE.PIPE－1.1Pressure曲線，即管道首端壓力曲線在第46s開始出現(xiàn)壓力波，兩個波峰與波前壓力差大約都是10kPa，使用0.05%的高精度壓力傳感器是完全可以檢測出來的。壓力波波源（6號端點）與管道首端（1號端點）的距離為27.78km，壓力波傳播時間為23s，經(jīng)計算波速為1208m／s，壓力波波源與管道末端（10號端點）的距離為22.22km，壓力波傳播時間為18s，經(jīng)計算波速為1234m／s，將兩波速值取平均值為1222m／s，時間差為5s，管道長度為50km，將這三個數(shù)值代入到公式（3），計算得到壓力波波源距離管道末端的距離為21.95km，對內(nèi)檢測器定位的絕對誤差為270m，絕對誤差為0.54%。

通過對所提出的基于壓力波的管道內(nèi)檢測器實時跟蹤的方法進行仿真，驗證了壓力波可以傳播到管道首端和末端，并且使用現(xiàn)有精度的壓力傳感器可以檢測到壓力波。同時也發(fā)現(xiàn)對壓力波到達時刻的確定存在困難，壓力波達到時刻不能精確確定也就影響了對內(nèi)檢測器實時跟蹤的精度，因此在內(nèi)檢測器卡堵在管道中時，需要利用上文提到的超低頻電磁波來精確定位管道內(nèi)檢測器。

4 結(jié)論

基于壓力波和電磁波的特點，提出了基于負壓波和超低頻電磁波的海底管道內(nèi)檢測器實時跟蹤與精確定位方法，該方法解決了海底管道內(nèi)檢測器無法實時跟蹤定位的國際難題，仿真結(jié)果間接證明本方法的有效性。

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