李建輝 劉武廣

北京天下圖數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司， 北京 101300

0 前言

管道運(yùn)輸是石油天然氣的主要運(yùn)輸方式，是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大動脈，管道安全對經(jīng)濟(jì)的發(fā)展非常重要。運(yùn)輸過程中，管道受運(yùn)輸介質(zhì)和自然環(huán)境的影響會腐蝕和形變。管道投產(chǎn)時間越長，管道安全問題日益突出。同時，由于城市建設(shè)步伐的加快，管道沿線施工活動頻繁，嚴(yán)重威脅管道的安全運(yùn)營。獲取準(zhǔn)確的油氣管道中線坐標(biāo)是管道安全運(yùn)營的基礎(chǔ)，對管道維護(hù)及政府用地規(guī)劃具有重要的意義。

1 管道內(nèi)檢測

管道內(nèi)檢測技術(shù)可保證在管道正常運(yùn)行狀態(tài)下定量檢測出管道存在的缺陷。該技術(shù)的應(yīng)用可為管道事故的預(yù)防和合理維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，對保證管道尤其是長輸管道安全運(yùn)行具有重要作用［1］。

管道內(nèi)檢測是利用在管道內(nèi)運(yùn)行的可實(shí)時采集并記錄管道信息的檢測器所完成的檢測［2］。管道內(nèi)檢測可以確定管道內(nèi)外腐蝕程度、面積大小、周向位置及軸向位置;確定管道環(huán)向及螺旋焊縫形狀、缺陷及分布位置，以及管道附件(如彎頭、三通、閥門、法蘭、環(huán)焊縫等)的位置［3］。通過管道內(nèi)檢測得到的彎頭、三通、閥門、法蘭及焊縫等管道設(shè)施的坐標(biāo)，即是應(yīng)用于油氣管道保護(hù)的管道中線坐標(biāo)。

2 油氣管道中線坐標(biāo)獲取現(xiàn)狀

我國油氣行業(yè)發(fā)展迅速，但數(shù)字化管道技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展卻較緩慢。數(shù)字化管道技術(shù)就是將沿線輸送管道上的數(shù)據(jù)、圖片、記錄等信息記錄下來，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析處理后建立一個能夠?qū)崿F(xiàn)信息化動態(tài)管理的真實(shí)可靠的管道數(shù)據(jù)庫，以促進(jìn)輸送管道的正常運(yùn)營和智能化管理，實(shí)現(xiàn)輸送管道的自動化［4］，如西氣東輸冀寧支線工程，是我國第一條數(shù)字化管道［5］。早期建設(shè)的許多油氣管道沒有進(jìn)行管道數(shù)據(jù)采集，管道施工單位未嚴(yán)格按照管道設(shè)計(jì)圖紙施工，實(shí)際埋設(shè)的管道位置與設(shè)計(jì)位置存在一定偏差，竣工資料不能提供準(zhǔn)確的油氣管道中線坐標(biāo)，給運(yùn)營期油氣管道安全帶來隱患。

采用地面管線探測與現(xiàn)場測量相結(jié)合的方法，可以獲取油氣管道中線坐標(biāo)，但需探測很多管線點(diǎn)才能得到準(zhǔn)確的地下管道路由，探測與測量的工作量大。地下管線探測儀的精度隨著管道埋深的增加而降低，穿越管道、定向鉆管道很難準(zhǔn)確探測出來。如果管線附近有金屬物干擾，管線探測的定位精度就無法達(dá)到管道保護(hù)的要求。

根據(jù)實(shí)測部分已知管線點(diǎn)比對竣工資料，對竣工資料里的油氣管道中線坐標(biāo)進(jìn)行處理也可以獲取地下管道中線坐標(biāo)，實(shí)施的工作量雖不大，但由于竣工資料里管道路由與實(shí)際管道偏差無規(guī)律性以及不確定性，這種方法獲取油氣管道中線坐標(biāo)的效果也不理想。

為了保證油氣管道的安全運(yùn)營，每隔一段時間要對油氣管道進(jìn)行內(nèi)檢測，以掌握油氣管道的缺陷情況。管道內(nèi)檢測除了能檢測油氣管道的缺陷情況，還可以確定彎頭、三通、閥門、法蘭及焊縫等管道附件的坐標(biāo)。對于施工期間沒有實(shí)施數(shù)字化建設(shè)的管道，通常采用管道內(nèi)檢測獲取油氣管道中線坐標(biāo)。

管道內(nèi)檢測是通過對檢測載體轉(zhuǎn)動角度和加速度的綜合處理獲得位移［6］，實(shí)現(xiàn)在封閉環(huán)境下對整個管道坐標(biāo)的測量，定位精度隨時間與距離的增加而降低，所以利用磁標(biāo)記的已知坐標(biāo)來減少內(nèi)檢測傳感器定位的積累誤差。由于受磁標(biāo)記設(shè)置密度與位置、內(nèi)檢測傳感器本身定位精度及檢測器運(yùn)行速度等因素影響，管道內(nèi)檢測得到的油氣管道中線坐標(biāo)與實(shí)際管道位置存在偏差，不能滿足管道保護(hù)對管道坐標(biāo)精度的要求。為獲取精確的油氣管道中線坐標(biāo)，需要一種修正油氣管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的方法。

3 油氣管道中線坐標(biāo)修正方法

以珠江支線管道內(nèi)檢測中線坐標(biāo)修正為例，闡述基于內(nèi)檢測的油氣管道中線坐標(biāo)修正方法。根據(jù)管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)選取特征點(diǎn)，現(xiàn)場進(jìn)行放樣，指導(dǎo)土建開挖，并對特征點(diǎn)進(jìn)行測量，形成油氣管道中線坐標(biāo)修正參考點(diǎn)對。根據(jù)修正參考點(diǎn)對，利用坐標(biāo)修正軟件對管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行重新擬合處理，經(jīng)過一系列修正后產(chǎn)生新油氣管道中線坐標(biāo)，結(jié)合管線探測以及現(xiàn)場開挖驗(yàn)證等手段對新油氣管道中線坐標(biāo)精度進(jìn)行檢驗(yàn)。對超出偏差范圍的管段，采用增加修正參考點(diǎn)的方法進(jìn)行重新修正。油氣管道中線坐標(biāo)修正流程見圖1。

圖1 油氣管道中線坐標(biāo)修正流程

3.1 修正參考點(diǎn)選取

修正參考點(diǎn)選取是管道內(nèi)檢測坐標(biāo)修正工作的關(guān)鍵，包括內(nèi)業(yè)初步選點(diǎn)與現(xiàn)場踏勘定點(diǎn)，內(nèi)業(yè)初步選點(diǎn)應(yīng)充分考慮管道的埋深及測繪作業(yè)條件等因素。將管道內(nèi)檢測坐標(biāo)導(dǎo)入到地理信息系統(tǒng)軟件中，結(jié)合管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)屬性信息，優(yōu)先選取管道水平或豎直方向變化較大的彎頭下游焊縫作為修正參考點(diǎn)，其設(shè)置距離不宜過長。珠江支線全長8.7 km，其管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)中選取修正參考點(diǎn)信息見表1。

表1 選取修正參考點(diǎn)信息

把內(nèi)業(yè)選定的修正參考點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入到測量儀器里，現(xiàn)場進(jìn)行放樣，由于管道內(nèi)檢測坐標(biāo)存在一定偏差，要采用管線探測的方法輔助確定修正參考點(diǎn)的開挖位置。為了提高管道內(nèi)檢測坐標(biāo)修正精度，宜將管道沿線的三通、法蘭及閥門作為參考點(diǎn)應(yīng)用于油氣管道中線坐標(biāo)修正中。

3.2 修正參考點(diǎn)測量

三通、閥門及法蘭可以直接進(jìn)行測量，磁力盒是管道內(nèi)檢測前已埋設(shè)且測量的，所以開挖測量的修正參考點(diǎn)是焊縫。土建承包商根據(jù)現(xiàn)場踏勘確定的焊縫位置進(jìn)行人工開挖，開挖過程中應(yīng)避免損傷管道防腐層。開挖完成后，相關(guān)技術(shù)人員對焊縫進(jìn)行識別，然后采用高精度的RTK 測量方法對修正參考點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程進(jìn)行測量。開挖基坑一般大于1.2 m，為了提高測量精度，必須配備足夠長的對中桿觀測儀器，并且移除遮蔽物，保證良好的觀測條件。

表2 實(shí)測修正參考點(diǎn)信息

為了避免GPS 衛(wèi)星信號不穩(wěn)定造成測量粗差現(xiàn)象，必須初始化測量儀器后重新測量修正參考點(diǎn)，對比2 次測量坐標(biāo)，確保數(shù)據(jù)正確無誤方可結(jié)束對該點(diǎn)的測量任務(wù)。如果修正參考點(diǎn)所在位置GPS 衛(wèi)星信號較差，RTK無法正常使用，就必須使用全站儀進(jìn)行測量，RTK 圖根控制點(diǎn)測量應(yīng)符合測量規(guī)范要求。RTK 平面控制點(diǎn)測量流動站觀測時應(yīng)采用三角架對中、整平，每次觀測歷元數(shù)應(yīng)不少于20 個，采樣間隔2 ～5 s，各次測量的平面坐標(biāo)較差應(yīng)不大于4 cm［7］。儀器架設(shè)完成后必須利用另外1 個圖根控制點(diǎn)進(jìn)行檢核，避免全站儀測量錯誤。對珠江支線選取的1 個閥門、1 個三通、7 個焊縫進(jìn)行測量，實(shí)測修正參考點(diǎn)信息見表2。

經(jīng)過實(shí)測發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)檢測管道得到的管線點(diǎn)坐標(biāo)與測量坐標(biāo)存在一定偏差，具體情況見表3。

表3 管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)偏差表

3.3 內(nèi)檢測坐標(biāo)修正

仔細(xì)檢查現(xiàn)場測量的修正參考點(diǎn)數(shù)據(jù)，分析測量數(shù)據(jù)與管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的偏差是否與現(xiàn)場一致，現(xiàn)場測量的參考點(diǎn)屬性是否與管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)屬性表一一對應(yīng)，使用管道內(nèi)檢測里程建立修正參考點(diǎn)與管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)之間的匹配關(guān)系，修正參考點(diǎn)包括三通、閥門、法蘭、焊縫及磁力盒。

檢查無誤后開始進(jìn)行管道內(nèi)檢測坐標(biāo)修正工作，根據(jù)修正參考點(diǎn)的分布位置，盡量縮短修正管段距離，提高修正精度。內(nèi)檢測坐標(biāo)修正采用七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，七參數(shù)包括3 個旋轉(zhuǎn)參數(shù)、3 個平移參數(shù)和1 個尺度參數(shù)［8］。把表1 選取的14 個修正參考點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入到坐標(biāo)修正軟件中建立數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型，將該管段的內(nèi)檢測數(shù)據(jù)導(dǎo)入到坐標(biāo)修正軟件中進(jìn)行模擬整合，消除內(nèi)檢測器定位的積累誤差，形成新的管道內(nèi)檢測油氣管道中線坐標(biāo)。

3.4 油氣管道中線坐標(biāo)驗(yàn)證

把新的管道內(nèi)檢測油氣管道中線坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到地理信息系統(tǒng)軟件中，疊加修正參考點(diǎn)進(jìn)行分析，判斷油氣管道中線坐標(biāo)是否已修正。采用油氣管道中線坐標(biāo)放樣與現(xiàn)場管線探測相結(jié)合的方法，對修正的油氣管道中線坐標(biāo)精度進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證點(diǎn)優(yōu)先選擇在管道水平或豎直方向變化處的焊縫。確定驗(yàn)證點(diǎn)后把驗(yàn)證點(diǎn)的坐標(biāo)錄入到儀器里，可通過軟件直接將放樣點(diǎn)坐標(biāo)傳輸?shù)紾PS 手薄和手工錄入方式進(jìn)行錄入［9］。

現(xiàn)場先使用測量儀器把驗(yàn)證點(diǎn)的位置放樣出來，再利用管線探測儀進(jìn)行探測驗(yàn)證。GPS 手薄屏幕上的圖形顯示出實(shí)地待定點(diǎn)相對于目標(biāo)點(diǎn)所偏移的距離，按照指示移動流動站，直到精度滿足要求。如果放樣位置與探管位置的偏差在允許范圍內(nèi)，說明油氣管道中線坐標(biāo)準(zhǔn)確，否則應(yīng)進(jìn)行開挖驗(yàn)證。如果驗(yàn)證點(diǎn)附近存在其他金屬物體或者管道埋設(shè)較深影響了管線探測儀的正常使用，該驗(yàn)證點(diǎn)也應(yīng)進(jìn)行開挖驗(yàn)證。把實(shí)測的開挖驗(yàn)證點(diǎn)與修正后的管道內(nèi)檢測驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行比對分析，若偏差超出限差，則要把該驗(yàn)證點(diǎn)作為修正參考點(diǎn)，對該區(qū)域進(jìn)行再次修正，以此獲取準(zhǔn)確的油氣管道中線坐標(biāo)。珠江支線一共選取6 個點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證，具體驗(yàn)證情況見表4。

表4 修正油氣管道中線坐標(biāo)驗(yàn)證表

某公司全部油氣管道中線坐標(biāo)經(jīng)過修正后，偏差均在±1 m以內(nèi)，其中92偏差在±0.5 m 以內(nèi)，成功獲取了準(zhǔn)確的油氣管道中線坐標(biāo)。

4 結(jié)論

通過修正參考點(diǎn)選取、修正參考點(diǎn)測量、內(nèi)檢測坐標(biāo)修正及管道中線坐標(biāo)驗(yàn)證這4 個步驟對油氣管道內(nèi)檢測中線坐標(biāo)進(jìn)行修正，可以使油氣管道中線坐標(biāo)的精度達(dá)到±1 m 以內(nèi)，滿足管道保護(hù)及管道完整性管理的要求，油氣管道中線坐標(biāo)的準(zhǔn)確獲取對油氣管道的安全運(yùn)營產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)價值和社會意義。

［1］石永春，劉劍鋒，王文娟.管道內(nèi)檢測技術(shù)及發(fā)展趨勢［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2006，32(8):46－48.Shi Yongchun，Liu Jianfeng，Wang Wenjuan. Inner Examination Technology on Pipeline and the Development Trend［J］.Industrial Safety and Environmental Protection，2006，32(8):46－48.

［2］SY/T 6597－2004，鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測技術(shù)規(guī)范［S］.SY/T 6597－2004，Technical Standard of Intelligent Pigging on Steel Pispeline［S］.

［3］張玉平.管道內(nèi)檢測技術(shù)在魯寧線上的應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011，(7):77.Zhang Yuping. Application of Inner Examination Technology on Pipeline in the Luning Pipeline［J］.Science and Technology Innovation Herald，2011，(7):77.

［4］許金苓.在役長輸管道上數(shù)字化管道技術(shù)實(shí)踐分析［J］.中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012，(7):59.Xu Jinling. Digital Pipeline Technology Practices Analyzer in the In-service Long-distance Pipeline［J］. China Petroleum and Chemical Standard and Quality，2012，(7):59.

［5］劉 欣，田長林，張亮亮.數(shù)字化管道技術(shù)在榆林－濟(jì)南長輸管道中的應(yīng)用［J］.石油工程建設(shè)，2010，36(1):62－65.Liu Xin，Tian Changlin，Zhang Liangliang.Digital Pipeline Technology Application in Yulin-Jinan Long-distance Pipeline［J］.Petroleum Engineering Construction，2010，36(1):62－65.

［6］羅會久，孫 斌，陳 彬. 管道內(nèi)檢測定位準(zhǔn)確性的研究［J］.科技信息，2013，(6):455－456.Luo Huijiu，Sun Bin，Chen Bin. Pipe Inner Examination Positioning Accuracy Study［J］. Science and Technology Information，2013，(6):455－456.

［7］CH/T 2009－2010，全球定位系統(tǒng)實(shí)時動態(tài)測量(RTK)技術(shù)規(guī)范［S］.CH/T 2009－2010，Specifications for Global Position System Real-time Kinematic(RTK)Survey［S］.

［8］蘇宗躍，趙晉睿，郭興平.兩種七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法［J］.價值工程，2013，(27):69－70.Su Zongyue，Zhao Jinrui，Guo Xingping. Two Seven-parameter Coordinate Transformation Methods［J］. Value Engineering，2013，(27):69－70.

［9］楊善文. GPS-RTK 技術(shù)在油氣管道中線樁放樣上的應(yīng)用［J］.天然氣與石油，2010，28(1):33－36.Yang Shanwen. Application of GPS-RTK Technology to Centerline Stake Lofting in Oil and Gas Pipeline Project［J］.Natural Gas and Oil，2010，28(1):33－36.