李強(qiáng)林 張保存 袁洪軍

1. 山東省天然氣管道有限責(zé)任公司, 山東 濟(jì)南 250000;2. 山東省國實(shí)管道天然氣有限公司, 山東 濟(jì)南 250000

0 前言

目前,清管技術(shù)已經(jīng)在中國石油、中國石化、中國海洋石油以及地方近10萬km的油氣管道及其他介質(zhì)管道中得到了廣泛應(yīng)用[1],清管作業(yè)也成為了保證管道輸送效率、介質(zhì)質(zhì)量和了解管道基本情況的重要手段。而清管器準(zhǔn)確跟蹤定位是清管作業(yè)順利進(jìn)行的保障[2-3]。

在清管器跟蹤定位方面,當(dāng)前較為普遍的方法是電磁脈沖法,通過接收機(jī)在清管器附近地面上接收信號(hào)跟蹤位置和定位。李博等人[4]創(chuàng)新使用了一種基于GPS和GSM的清管器智能跟蹤技術(shù);王海明等人[5]論述了基于差壓法的清管器遠(yuǎn)程在線跟蹤定位。目前普遍應(yīng)用的電磁脈沖法可靠方便且能準(zhǔn)確定位,但缺點(diǎn)是主要依靠人力、跳點(diǎn)跟蹤,受限于信號(hào)接收距離,無法實(shí)時(shí)跟蹤定位。周琰等人[6]提出的光纖振動(dòng)檢測方法無論在實(shí)時(shí)跟蹤和準(zhǔn)確定位上都較其他方法具有明顯的優(yōu)勢,但主要停留在理論實(shí)驗(yàn)階段,尚需探討廣泛的適用性。

因此,在清管器跟蹤定位現(xiàn)有方法基礎(chǔ)上,提出了分布式光纖振動(dòng)傳感實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤定位。經(jīng)宣寧線齊河至長清至泰安段管道清管作業(yè)實(shí)測,定位性能良好,驗(yàn)證了方法的有效性。

1 光纖振動(dòng)傳感測量原理

分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)(DVS)是基于相位敏感光時(shí)域反射原理開發(fā)的[7]。相位敏感光時(shí)域反射儀(φ-OTDR)注入到光纖的光在傳播過程中保持著相同的相位差,具有相同的頻率。系統(tǒng)輸出脈沖寬度區(qū)域內(nèi)探測光是光線中產(chǎn)生的后向瑞利散射光的干涉結(jié)果[8]。當(dāng)光纖某個(gè)部位收到擾動(dòng)時(shí),光相位的變化將引起后向瑞利散射光強(qiáng)度的改變,通過對攜帶了擾動(dòng)信息的后向瑞利散射光信號(hào)進(jìn)行分析處理后,即可探測和定位外界擾動(dòng)[9]。

1.1 振動(dòng)傳感定位

在φ-OTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)中,當(dāng)光纖某處收到振動(dòng)時(shí),由于彈光效應(yīng),該處折射率發(fā)生變化,導(dǎo)致該處相位改變[10],由于干涉作用,光相位的變化將導(dǎo)致后向瑞利散射光強(qiáng)度發(fā)生變化,將兩個(gè)時(shí)刻的后向瑞利散射曲線相減即可定位外界擾動(dòng)信號(hào)[11-13],原理見式(1),示意圖見圖1。

(1)

分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)(DVS)主要由監(jiān)測主機(jī)、振動(dòng)傳感光纜和監(jiān)測軟件三部分組成。方案實(shí)施階段,主要經(jīng)歷安裝系統(tǒng)、光纜探測、光纜標(biāo)定、清管實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析監(jiān)測數(shù)據(jù)五個(gè)步驟。管道和光纜同溝敷設(shè)可提高定位精度,現(xiàn)場敷設(shè)照片見圖2。清管器運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)主要功能有:清管器運(yùn)行軌跡展示、實(shí)時(shí)曲線展示、清管器信息展示、曲線坐標(biāo)軸設(shè)置、參數(shù)設(shè)置與回放。

圖1 清管器振動(dòng)引發(fā)激光干涉突變定位示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser interferometer mutation location caused by pig vibration

圖2 管道和光纜同溝敷設(shè)照片F(xiàn)ig.2 Pictures of the same trench laying of pipelines and cables

2 光纖振動(dòng)傳感現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)安裝與光纜探測,泰安站北連接長清站,將DVS監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)安裝在泰安站。其中,泰安至長清光纜長度44.2 km,光纜8芯中有4芯已經(jīng)使用,其余4芯光纖狀況良好,無明顯單點(diǎn)衰減,有利于實(shí)現(xiàn)長距離測量。通過現(xiàn)場對擾動(dòng)信號(hào)的觀察記錄,發(fā)現(xiàn)整條線路總體噪聲很少,只有極少數(shù)固定位置存在擾動(dòng),這種安靜的環(huán)境非常有利于有效信號(hào)的發(fā)現(xiàn),減少誤判的可能。

2.1 皮碗測徑清管器實(shí)時(shí)監(jiān)測分析

2017年2月14日,設(shè)備安裝于泰安站，采用機(jī)械清管器進(jìn)行清管作業(yè),可有效跟蹤清管器運(yùn)行軌跡,并計(jì)算清管器在不同管段的運(yùn)行速度。皮碗測徑清管器實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測分析記錄見表1。

表1 長清至泰安清管跟蹤記錄表

通過數(shù)據(jù)分析可得到,19.0～21.0 km段、35.0～37.0 km段以及40.0～42.0 km區(qū)間段速率接近0,對應(yīng)清管器該段運(yùn)行緩慢乃至停球的位置,清管器運(yùn)行速率有較大不均衡性。

長清至泰安測徑清管器運(yùn)行軌跡圖見圖3。2月15日16：30到20：37,清管器第一次停滯,位置20 240 m,停滯時(shí)長4 h7 min;通過數(shù)據(jù)分析,可以準(zhǔn)確對清管器在管道內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行描述,為排查停球、卡堵點(diǎn)和管道變形提供了準(zhǔn)確依據(jù)。為及時(shí)找到停球點(diǎn),判斷停球原因是管道變形卡堵還是清管自身停球[14-15],采取了人工錘擊制造較強(qiáng)振動(dòng)信號(hào)標(biāo)定位置的方法,同時(shí)利用電磁脈沖跟蹤儀的定位模式,準(zhǔn)確定位停球點(diǎn)[16-17],錘擊和定位標(biāo)定記錄見表2。

圖3 測徑清管器運(yùn)行軌跡圖Fig.3 Operation track diagram of caliper pig

表2 光纖振動(dòng)標(biāo)定定位記錄表

通過近10次人工錘擊地面,獲取監(jiān)測到的振動(dòng)信號(hào)位置里程,同停球點(diǎn)位置里程20 240 m進(jìn)行比對,據(jù)此找到了停球位置,開挖發(fā)現(xiàn)該處屬于管道變形卡堵,在 4 h 內(nèi)釋放管道形變后,清管器順利通過該點(diǎn)。利用該方法,清管過程中又相繼找到了測91下游、測102下游等5處卡堵點(diǎn)。

2.2 適用效果分析

光纖振動(dòng)監(jiān)測手段用于清管器運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)測能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確定位清管器運(yùn)行情況,更關(guān)鍵的是能夠第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)清管器卡堵位置,借助該技術(shù)成功找到了宣寧線測80-100管道變形、測91下游、測102下游等5處卡堵點(diǎn)。停球卡堵點(diǎn)現(xiàn)場照片見圖4。

圖4 停球卡堵點(diǎn)現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.4 Picture of stoppage jam

在宣寧線第一次漏磁檢測作業(yè)中,全程運(yùn)行中呈現(xiàn)出極低速運(yùn)行的特征,傳統(tǒng)通過監(jiān)聽坑來判定設(shè)備位置的方法的盲區(qū)時(shí)間會(huì)大大增加[18]。而分布式光纖傳感在線監(jiān)測技術(shù)即使在極低速率下仍可實(shí)現(xiàn)監(jiān)視,體現(xiàn)了光纖傳感在實(shí)時(shí)監(jiān)測和定位方面的優(yōu)勢,為清管作業(yè)的順利開展帶來了很大的方便[19-20]。

3 結(jié)論

提出一套更加可靠、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的清管器跟蹤定位組合方案,可以實(shí)現(xiàn)全程跟蹤監(jiān)測清管器運(yùn)行狀態(tài)的目標(biāo),清管作業(yè)完成后,利用智能清管器數(shù)據(jù)記錄分析清管器整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)和管道特征點(diǎn),可以對特征點(diǎn)二次驗(yàn)證。下一步,借助搭載在智能清管器(PDL)的定位芯片和采集到的流速、壓力分布數(shù)據(jù),開展仿真和實(shí)例驗(yàn)證,以期提高定位精度。