陳 亮

(中國(guó)石化銷售有限公司華東分公司，南京 210011)

慣性陀螺定位技術(shù)與可視化驗(yàn)管工藝在管線探測(cè)中的應(yīng)用

陳 亮

(中國(guó)石化銷售有限公司華東分公司，南京 210011)

穿越鋪管技術(shù)(HDD)因具有埋深大、路由呈曲線狀的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地下油氣管道的鋪設(shè)。HDD對(duì)鉆進(jìn)軌跡的控制主要依靠隨鉆測(cè)量技術(shù)(MWD)，受電磁干擾影響，管道工程竣工圖與實(shí)際位置存在較大誤差，而傳統(tǒng)的地下管線探測(cè)技術(shù)受管道材料物性的約束，無(wú)法準(zhǔn)確探測(cè)該類管道。自主研發(fā)的慣性陀螺定位系統(tǒng)依靠航向和姿態(tài)傳感器在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，可以精準(zhǔn)測(cè)算出管道的三維坐標(biāo)。為驗(yàn)證慣性陀螺定位技術(shù)的探測(cè)效果，在點(diǎn)探機(jī)負(fù)壓成孔后插入PVC管，利用超聲成像儀實(shí)現(xiàn)可視化驗(yàn)管。二個(gè)深部油氣管線精確探測(cè)實(shí)例表明，慣性陀螺定位系統(tǒng)與可視化驗(yàn)管工藝在油氣管道鋪設(shè)工程及管線檢測(cè)效果顯著，具有廣闊的應(yīng)用前景。

穿越鋪管技術(shù)；慣性陀螺儀定位；可視化驗(yàn)管工藝；真空負(fù)壓點(diǎn)探機(jī)

0 引言

近年來(lái)，許多地下管線受損重大事故發(fā)生均因管道竣工資料不準(zhǔn)及物探成果誤差大導(dǎo)致，如青島112重大事故、大連油氣管道被損重大事故、寧波北侖頂管工程事故，等等。深部管道精確探測(cè)問(wèn)題，已嚴(yán)重阻礙了后續(xù)穿越工程的施工。

隨著西氣東輸、川氣東送等國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)高速發(fā)展，穿越鋪管技術(shù)(水平定向鉆HDD施工技術(shù))已得到廣泛應(yīng)用，其對(duì)鉆進(jìn)軌跡的控制主要依靠隨鉆測(cè)量(MWD)技術(shù)。由于HDD穿越技術(shù)鋪設(shè)的管道一般埋深較大(5～30m)、路由曲線，在電磁干擾強(qiáng)烈區(qū)域，其定向和控向儀器易受電磁干擾，管道工程竣工圖與實(shí)際位置存在較大誤差(10%～20%)[1-2]。

本文將介紹自主研發(fā)的慣性陀螺精確探管技術(shù)及其在精確測(cè)定深部油氣管道的應(yīng)用效果，并采用可視化驗(yàn)管工藝，對(duì)其探測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 慣性陀螺定位系統(tǒng)

1.1 測(cè)量原理

①航跡推算原理。把載有航向和姿態(tài)傳感器的管內(nèi)測(cè)量單元放入管道并使之沿管道運(yùn)動(dòng)，測(cè)出管道各個(gè)位置的航向和俯仰角。根據(jù)航向、姿態(tài)信息與里程信息推算出管道的三維坐標(biāo)。

②多傳感器融合技術(shù)。系統(tǒng)航向和姿態(tài)信息測(cè)量采用磁羅盤、微型姿態(tài)系統(tǒng)和陀螺儀等多種傳感器。其中磁羅盤具有靜態(tài)精度高、無(wú)累積誤差的優(yōu)點(diǎn)，但易受鐵磁體干擾；微型姿態(tài)系統(tǒng)的俯仰、滾轉(zhuǎn)角靜態(tài)測(cè)量精度高，但動(dòng)態(tài)精度低，航向數(shù)據(jù)在運(yùn)動(dòng)速度不高時(shí)較差；而陀螺儀具有動(dòng)態(tài)精度高，抗電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，但存在漂移現(xiàn)象。本系統(tǒng)將各個(gè)傳感器的有效信息進(jìn)行融合，在靜態(tài)測(cè)量時(shí)利用磁羅盤和微型姿態(tài)系統(tǒng)測(cè)姿，在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)利用陀螺儀角速率信號(hào)積分得到動(dòng)態(tài)航向角信息，對(duì)靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，從而確保管內(nèi)測(cè)量單元姿態(tài)角的測(cè)量精度和抗干擾能力。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由軟件與硬件兩大部分組成。

1.2.1 硬件構(gòu)成

硬件部分包括管內(nèi)測(cè)量單元、外部里程計(jì)、外部控制單元、PC機(jī)和直流穩(wěn)壓電源(圖1)。

①管內(nèi)測(cè)量單元由鋼纜牽引在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，用于探測(cè)管道各個(gè)位置的姿態(tài)信息。該儀器內(nèi)含微型姿態(tài)系統(tǒng)和一個(gè)高精度光纖陀螺以及磁羅盤，其數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)高性能單片機(jī)電路進(jìn)行A/D采集和RS-485轉(zhuǎn)換，以確保測(cè)量精度和信號(hào)傳輸能力。其中滾轉(zhuǎn)角和俯仰角信息主要通過(guò)加速度計(jì)得到，而航向角測(cè)量中融入了磁羅盤和陀螺儀信息，具有很高的精度和自主性。管內(nèi)測(cè)量單元外殼用硬鋁材料加工而成，尺寸小，具有良好的抗沖擊和防水性能，確保內(nèi)部傳感器和電路安全工作。

②外部里程計(jì)用于讀取測(cè)量?jī)x所走過(guò)的長(zhǎng)度，測(cè)量?jī)x尾部的牽引鋼纜帶動(dòng)里程計(jì)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，里程計(jì)的光碼盤將輸出脈沖計(jì)數(shù)，通過(guò)外部控制單元送至PC并轉(zhuǎn)換為里程信息。

③外部控制單元內(nèi)含高性能單片機(jī)電路，用于采集外部里程計(jì)數(shù)據(jù)并與PC通訊。該單元還包括兩個(gè)有源RS-485/232信號(hào)轉(zhuǎn)換器，用于管內(nèi)測(cè)量單元和PC之間的通訊。該單元連接直流穩(wěn)壓電源，負(fù)責(zé)管內(nèi)測(cè)量單元的電源供給。

④PC用于控制和讀取各傳感器的姿態(tài)和里程信息，進(jìn)行融合計(jì)算，得到管道準(zhǔn)確位置和形狀并在監(jiān)視器上實(shí)時(shí)顯示。

1.2.1 軟件構(gòu)成

系統(tǒng)配套軟件包括控制-通訊、計(jì)算、顯示和數(shù)據(jù)管理四個(gè)功能模塊。①控制-通訊模塊用于實(shí)時(shí)采集各傳感器數(shù)據(jù)并對(duì)各硬件模塊進(jìn)行控制。②計(jì)算模塊負(fù)責(zé)用獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)前的管道位置信息。計(jì)算時(shí)充分考慮到不同環(huán)境下各傳感器數(shù)據(jù)的有效程度，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，確保系統(tǒng)的測(cè)量精度和抗干擾能力。③顯示模塊包括數(shù)據(jù)顯示和圖形顯示兩種方式，數(shù)據(jù)顯示部分包括了傳感器姿態(tài)、里程和通訊狀態(tài)等必要信息；圖形顯示分為平面和三維立體兩種方式，其中三維顯示方式能直觀形象地反映管道形狀，支持用鍵盤進(jìn)行視角旋轉(zhuǎn)；平面顯示方式包括主視圖、俯視圖和側(cè)視圖三種角度。在平面視圖中操作人員可以用鼠標(biāo)方便地捕捉各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)。三種平面視圖和立體視圖之間可以自由切換。④數(shù)據(jù)管理模塊包括數(shù)據(jù)的打開、存儲(chǔ)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的對(duì)比功能。特別設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式確保了各種有用信息都得以保留， 便于存檔和后續(xù)研究。軟件界面和流程圖如圖2、圖3。

直流穩(wěn)壓電源 外部控制單元圖1 慣性陀螺儀硬件構(gòu)成Figure 1 Inertial gyroscope hardware configuration

圖2 慣性陀螺技術(shù)數(shù)據(jù)處理三維顯示Figure 2 Inertial gyroscope technique data processing 3D display

圖3 慣性陀螺技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程Figure 3 Inertial gyroscope technical data processing flow chart

陀螺儀管道定位系統(tǒng)具有自主性強(qiáng)、控干擾、精度高等特點(diǎn)，可用于各種材質(zhì)(鋼管、塑料管、水泥管等)、不同口徑及深度的管道測(cè)量。

2 可視化驗(yàn)管工藝

慣性陀螺管道定位是一種間接地探管手段，為驗(yàn)證物探成果，需要研究深部管道探測(cè)驗(yàn)證工藝。

在長(zhǎng)期的管道工程管理和監(jiān)護(hù)工作中，可視化驗(yàn)管工藝應(yīng)用效果比較顯著，已成為國(guó)內(nèi)油氣管道運(yùn)營(yíng)管理中重要的技術(shù)管理手段。

首先利用真空負(fù)壓點(diǎn)探機(jī)的的真空泵吸抽空氣，形成一定負(fù)壓，將其抽吸管插入淺孔中，在氣流的作用下把泥土從吸管吸出，從而實(shí)現(xiàn)“軟開挖”。在實(shí)際工作中，對(duì)于松軟土層，直接采用抽吸方式進(jìn)行挖掘；在土層硬度較大，或硬度黏性都比較大時(shí)，運(yùn)用高壓水流對(duì)硬土層破碎成松泥，然后再吸走。通過(guò)對(duì)該技術(shù)及真空負(fù)壓設(shè)備反復(fù)改進(jìn)，目前點(diǎn)探深度可達(dá)到15m。

圖4 真空負(fù)壓點(diǎn)探機(jī)Figure 4 Vacuum negative pressure point finder

針對(duì)美國(guó)MALAFULUN點(diǎn)探機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，在負(fù)壓點(diǎn)探機(jī)成孔后，插入PVC管(圖5)，在PVC放入超深成像儀對(duì)深部油氣管線(<20m)(圖6)掃描，該驗(yàn)證深部管線狀態(tài)。

圖5 PVC 管中放入成像探頭Figure 5 Imaging probe insert into PVC pipe

圖6 深部管道圖像Figure 6 Deep part pipeline image

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 南京某公路天然氣管道探測(cè)實(shí)例

3.1.1 工程概況

南京某公路改擴(kuò)建工程是市重點(diǎn)工程，工程采用高架橋+地面道路同步改造建設(shè)方案。主線高架快速路及匝道樁基工程涉及西氣東輸、川氣東送、成品油等重要地下管線。而這些重要的管線在過(guò)河過(guò)路段為定向鉆穿越鋪設(shè)，埋深大于9m，且施工區(qū)域電磁干擾強(qiáng)烈(通訊基站、高壓線等)，常規(guī)的物探方法無(wú)法準(zhǔn)確探測(cè)。

3.1.2 探測(cè)方法

我單位與某物探單位合作，通過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)踏勘、采集了現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾強(qiáng)度、地層土力學(xué)特征等地球物理參數(shù)。 確定了慣性陀螺技術(shù)探測(cè)，點(diǎn)探成像驗(yàn)證的技術(shù)路線。

首先通過(guò)與天然氣公司等管道權(quán)屬單位工作人員交流，明確探測(cè)目標(biāo)；在確定天然氣管道停氣的情況下，在定向穿越管道的出入點(diǎn)開口并充氮；微型機(jī)器人將牽引繩穿入管道中；牽引陀螺定位儀從管道一端勻速到另一段(圖7)；

陀螺定位儀自動(dòng)采集定位數(shù)據(jù)；定位數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)資料處理、分析，得到管道空間位置(三維坐標(biāo))；在關(guān)鍵點(diǎn)位，開小孔，采用點(diǎn)探成像驗(yàn)證探測(cè)成果。

圖7 管道陀螺定位測(cè)量示意圖Figure 7 A schematic diagram of pipeline gyroscope positioning

3.1.3 探測(cè)成果

圖8為七鄉(xiāng)河大道高壓天然氣管道的精探成果圖。該處的高壓管道為高密度塑料管，而且埋深大于10m。精確探測(cè)成果(陀螺定位探測(cè))與原竣工資料差距較大(平面位置相差25m)。根據(jù)管道權(quán)屬單位及業(yè)主單位的要求，在32、33號(hào)點(diǎn)布置點(diǎn)探成像孔。成像驗(yàn)證結(jié)果表明，在32、33號(hào)點(diǎn)下埋深15m處為高壓管道，其慣性陀螺定位的平面誤差僅為20cm，驗(yàn)證了探測(cè)成果的準(zhǔn)確性。

圖8 南京某公路七鄉(xiāng)河下管線精探成果圖Figure 8 Precise positioning result of pipeline under a Nanjing highway Qixiang River

3.2 蘇州成品管道精確探測(cè)

3.2.1 工程概況

2016年，蘇州某熱電公司在繞城60km管道建設(shè)中，設(shè)計(jì)采用定向鉆進(jìn)鋪管技術(shù)。該管道施工項(xiàng)目多處與DN325成品油管道(鋼管)相交。在過(guò)河段的成品油管道均為定向穿越管道，埋深大。熱電公司委托了多家管線探測(cè)單位探測(cè)成品油管道。但因成品油管道口徑小、埋深大，探測(cè)成果誤差大，無(wú)法滿足安全生產(chǎn)要求。熱電公司繞城管道建設(shè)工程進(jìn)展緩慢。

3.2.2 精確探測(cè)方法及成果

經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及試驗(yàn)，采用以慣性陀螺定位技術(shù)為主的綜合物探方法探測(cè)過(guò)河段成品油管道。

首先在明確探測(cè)目標(biāo)的前提下，利用電磁感應(yīng)法追蹤天然氣管線的大致位置，并對(duì)河兩岸穿越管道出入點(diǎn)開口處進(jìn)行有效保護(hù)；然后利用微型機(jī)器人牽引陀螺定位儀在管道內(nèi)勻速運(yùn)動(dòng)以采集數(shù)據(jù)，通過(guò)處理分析得到河道下油氣管道的三維坐標(biāo)(圖9)。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)(熱電管道與成品油管道交叉點(diǎn))采用點(diǎn)探成像法驗(yàn)證，平面及深度誤差小于0.75m(管道埋深12.5m)。

圖9 運(yùn)河下油氣管道陀螺定位圖Figure 9 Gyroscope positioning of oil and gas pipeline under canal

4 結(jié)語(yǔ)

慣性陀螺儀定位系統(tǒng)和可視化驗(yàn)管工藝是精確探測(cè)深部油氣管線的有效探測(cè)方法和驗(yàn)證手段，該探測(cè)技術(shù)精確高，適用于各種材質(zhì)及口徑的深部油氣管道探測(cè)，具有廣泛的適用性和廣闊的應(yīng)用前景，特別適用于過(guò)河越江等深部油氣管道的竣工測(cè)量。目前慣性陀螺定位技術(shù)在管道內(nèi)部測(cè)量，需停氣開口，探測(cè)前期準(zhǔn)備工作比較復(fù)雜，需要在帶氣探測(cè)方面進(jìn)一步研究。另陀螺定位儀在微型化方面需改進(jìn)，以適應(yīng)于小口徑(直徑小于30 cm)深部管線的精確探測(cè)。

致謝：北京航空航天大學(xué)宋華教授、上海市地質(zhì)調(diào)查研究院王永高工、杭州市城鄉(xiāng)建設(shè)設(shè)計(jì)院有限公司王勝炎總工、上海非開挖信息工程技術(shù)有限公司李大海高工為本文提供了基礎(chǔ)資料。

[1]余志明.淺談非開挖管道的探測(cè)技術(shù)方法[J].廣東建材，2008(8)：160.

[2]李大海，楊智浩，陸建衛(wèi)，李嘯.非開挖管道定位系統(tǒng)的研制與應(yīng)用初探[C]//第一屆中國(guó)城市地下工程非開挖技術(shù)研討會(huì)論文集.北京：中國(guó)非開挖技術(shù)協(xié)會(huì)，2004.

Application of Inertial Gyroscope Positioning and Visual Pipe Inspection Process in Pipeline Detection

Chen Liang

(EastChina Branch, Marketing Co. Ltd., SINOPEC, Nanjing, Jiangsu 210011)

The horizontal directional drilling (HDD) pipe laying technique has features of deep buried depth and curve-shaped route, widely used in underground oil and gas pipelines laying. The HDD controlling on drilling trace is mainly relying on measurement while drilling technique (MWD). Since impact from electromagnetic interference, the pipeline project completion plan has rather large error in comparison with actual pipeline position. While traditional underground pipeline detection technology is restricted by pipe material physical properties, unable to detect some types of pipeline accurately. A self-developed inertial gyroscope positioning system relying on the heading and attitude transducer movement in pipeline can detect 3D coordinates of those kind pipelines accurately. To verify inertial gyroscope positioning technique effect, after the point finder negative pressure hole-forming to insert a PVC pipe, using ultrasonic imaging device can realize visual pipe inspection. The precise detection of two deep oil and gas pipelines have shown that the distinct effects of inertial gyroscope positioning system and visual pipe inspection process have illustrated the wide application prospect in oil and gas pipelines laying project and pipeline inspection.

HDD pipe laying technique; inertial gyroscope positioning; visual pipe inspection process; vacuum negative pressure point finder

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.07.17

1674-1803(2017)07-0075-05

陳亮(1984—)，男，工程師，，長(zhǎng)期從事油氣管道的管理和探測(cè)技術(shù)研究。

2017-06-10

責(zé)任編輯：孫常長(zhǎng)

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