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        地下金屬管道位移監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用

        2021-03-08 08:17:20張維軍
        中國金屬通報(bào) 2021年21期
        關(guān)鍵詞:中心線慣性探測器

        張維軍

        (甘肅省建筑科學(xué)研究院(集團(tuán))有限公司,甘肅 蘭州 730070)

        隨著地下金屬管道鋪設(shè)范圍逐漸擴(kuò)大,管道在地下狀態(tài)也在隨時(shí)發(fā)生變化。地下金屬管道不可避免地要經(jīng)過微震、地震等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū),在發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害時(shí),由于管道管身受到自身重力和來自地面的巨大壓力導(dǎo)致彎曲變形,更嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致管道完全破損,管道中的液體溢出,一方面會(huì)造成極大地環(huán)境污染,另一方面也會(huì)造成資源的浪費(fèi)。因此,對地下金屬管道的狀況進(jìn)行定期檢查是非常必要的[1]。在檢查過程當(dāng)中,針對管道出現(xiàn)的問題應(yīng)及時(shí)做好記錄,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)判斷管道是否完整并找出管道當(dāng)前的最大問題,比如當(dāng)金屬管道出現(xiàn)了變形,則需要找到變形程度最大的部位進(jìn)行重點(diǎn)評估,借此避免在輸送過程中管道因變形而失效。

        傳統(tǒng)地下金屬管道位移的檢測方法是在地震高發(fā)區(qū)安裝監(jiān)控或探測儀來判斷該地區(qū)的金屬管道是否會(huì)發(fā)生位移。在進(jìn)行具體操作的時(shí)候,需要挖開檢測區(qū)域的管道,大大局限了監(jiān)測管道的范圍,效果微弱,效率低下[2]。為提高地下金屬管道監(jiān)測的質(zhì)量,設(shè)計(jì)一種麻醉測量單元(anaesthetist Measurement Unit)進(jìn)行地下金屬管道位移檢測。相比于傳統(tǒng)方法的監(jiān)測局限性,該方法可以高效快速地發(fā)現(xiàn)地下金屬管道發(fā)生位移的位置以及距離,根據(jù)金屬管道特征點(diǎn)的位置通過信息測繪判斷出管道是否發(fā)生了形變,為地下金屬管道的完整性和安全運(yùn)行提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

        1 地下金屬管道位移監(jiān)測設(shè)備結(jié)構(gòu)組成及工作原理

        1.1 結(jié)構(gòu)組成

        管道中心線和應(yīng)變檢測系統(tǒng)包括內(nèi)部檢測器、地面校準(zhǔn)箱和變送器。受設(shè)備檢測和空間條件的影響,將檢測的核心單元設(shè)定為IMU慣性單元,該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)快速連接檢測儀器。通過對測繪系統(tǒng)的控制,探測器主要由三路陀螺儀和陀螺儀構(gòu)成,監(jiān)測設(shè)備根據(jù)已經(jīng)調(diào)整好的頻率和速度對底線金屬管道進(jìn)行探測,并自動(dòng)生成并采集金屬管道在發(fā)生位移時(shí)的速度和里程表數(shù)據(jù)。當(dāng)金屬管道位移結(jié)束后,該探測器則會(huì)將地下金屬管道在位移過程中的所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)到系統(tǒng)存儲(chǔ)器中。

        當(dāng)然任何機(jī)器都存在一定的誤差,為了避免這種誤差影響到探測器的正常運(yùn)行,在進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)的同時(shí),該探測器還自帶低頻信號發(fā)射機(jī)。探測器工作原理主要是通過自動(dòng)定位系統(tǒng)對探測器測得的管道位移距離進(jìn)行檢測和控制,當(dāng)出現(xiàn)位移偏差較大時(shí),該發(fā)射機(jī)會(huì)自動(dòng)更正探測器的位置誤差,從而得到高精度的位移距離,避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)錯(cuò)誤現(xiàn)象。

        1.2 工作原理

        對地下金屬管線進(jìn)行定位需應(yīng)用到管道自身位移所產(chǎn)生的慣性和探測器自帶的數(shù)據(jù)處理功能相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對地下金屬管道的實(shí)時(shí)位移距離的測量和矯正。其中慣性測量單元是根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)提供的行程和相關(guān)彎曲度信息,利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航計(jì)算和導(dǎo)航卡爾曼濾波模型來測量地下金屬管道位移路徑,如圖1所示。此外,在整個(gè)地下金屬管道檢測完成后,根據(jù)IMU采集到的數(shù)據(jù)內(nèi)容對地下金屬管道破損程度進(jìn)行分析得到一個(gè)確定參數(shù),將參數(shù)與地面標(biāo)準(zhǔn)定位器采集到的信息相結(jié)合,最終得到高精度的地下金屬管道位移監(jiān)測數(shù)據(jù)。

        圖1 管道中心線數(shù)據(jù)處理原理示意圖

        為了進(jìn)一步提高定位精度,選取可用的特征定位點(diǎn),與設(shè)備測試到數(shù)據(jù)進(jìn)行比對,對存在誤差之處進(jìn)行更改,以確保對地下金屬管道位移位置的準(zhǔn)確測量。

        2 金屬管道位移彎曲應(yīng)變計(jì)算

        2.1 位移計(jì)算

        金屬管道在地下所處位置的位移角度測量需要應(yīng)用陀螺儀進(jìn)行測定,在得到角速度確定值的情況下,對陀螺儀本身的檢測裝置進(jìn)行檢查,確保檢測得出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。在更新矩陣的同時(shí),也要將之前得到的角速度值納入其中,通過采用積分算法對加速度值的增量進(jìn)行計(jì)算,從而得出地下金屬管道在進(jìn)行位移的同時(shí)慣性裝置在時(shí)間上與探測器的誤差量是多少,并借此得出慣性裝置的具體位置。

        操作方式主要是采用低頻信號發(fā)射機(jī),校正數(shù)據(jù)信息,此時(shí)得到的數(shù)據(jù)是沒有受到探測器自身重力以及地心引力的加速度干擾的標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。此時(shí)探測器顯示屏?xí)@示出一組慣性裝置在標(biāo)準(zhǔn)無干擾情況下的具體數(shù)值以及位移移動(dòng)位置,并計(jì)算出慣性裝置的位置矢量。要想得到具體位置可根據(jù)之前得出的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)將管道最初的坐標(biāo)帶入,即可得出此時(shí)地下金屬管道所處位置。第一步對中心線的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,對比解碼后獲取的數(shù)據(jù)和管道中心反演數(shù)據(jù)結(jié)果,對管道位移過程進(jìn)行模擬,再利用過程求解方式推測出載體在管道中的位置,最后得出的結(jié)果為正負(fù)計(jì)算結(jié)果。采用最優(yōu)濾波平滑算法,得到矢量,將矢量進(jìn)行標(biāo)定計(jì)算即可實(shí)現(xiàn)對管道位置的精確測量,具體操作過程見圖2。

        圖2 地下金屬管道中心線位置測量過程圖

        慣性測量單元的慣性裝置固定在運(yùn)動(dòng)載體上,根據(jù)其特有的算法來測定管道具體位置。該種方法雖然保證了地下金屬管道內(nèi)部不確定性因素的減少,但是未能避免外部由于惡劣環(huán)境帶來的影響,因?yàn)楦蓴_因素造成的誤差會(huì)隨著時(shí)間的推移而累積,因此在遠(yuǎn)距離檢測時(shí),不能完全依靠慣性裝置,而是需要探測器對外部干擾因素進(jìn)行測定和排除。通常將管線上坐標(biāo)已知的點(diǎn)設(shè)置為誤差校正的校正點(diǎn)。由于中心線探測器的檢測數(shù)據(jù)和實(shí)際現(xiàn)場測的數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生較大差異,因此在進(jìn)行位移測定時(shí)通常選用管道作為校正點(diǎn),確定好管道坐標(biāo)后可以通過低頻信號發(fā)射機(jī)進(jìn)行定位,得到修正過后的管道坐標(biāo)。

        2.2 彎曲應(yīng)變計(jì)算

        在地下金屬管道可承受彎曲的規(guī)定數(shù)值內(nèi),管道的彎曲應(yīng)變與曲率的變化成正比金屬管道的彎曲率隨彎曲應(yīng)變而發(fā)生改變,由此可以得出金屬管道的曲率[3]。進(jìn)行管計(jì)算管道位移數(shù)據(jù)時(shí),既可以得到管道在未經(jīng)過修正前的原坐標(biāo),也可以得到經(jīng)過發(fā)射器修正過后的現(xiàn)坐標(biāo)。探測器發(fā)生的俯仰變化表示管道在發(fā)生位移時(shí)傾斜角度變化,由于管道在發(fā)生位移時(shí)探測器的航向也會(huì)發(fā)生變化,因此管的曲率與內(nèi)部探測器的姿態(tài)存在轉(zhuǎn)換關(guān)系。

        管道垂直位移vk為:

        式(1)中,φ為俯仰角;s為固定管段的長度。

        水平方向的曲率為:

        式(2)中,α△ 為角度變化。

        則管道總曲率變化hk 為:

        通過式(3)得到管道的總曲率變化,對比設(shè)計(jì)參數(shù),即可發(fā)現(xiàn)管道的變形是否處于可接受范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)對地下金屬管道的非接觸式監(jiān)測。

        3 試驗(yàn)測試

        為了驗(yàn)證探測器內(nèi)置偏移量所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,本次實(shí)驗(yàn)通過改變地下金屬管道在沉降過程中的偏移量進(jìn)行測量,具體數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 IMU內(nèi)檢測器不同沉降量下的檢測數(shù)據(jù)對比

        根據(jù)表1可知,IMU 內(nèi)檢測器偏移量檢測的準(zhǔn)確性較好,偏差值最大沒有超過3。

        此外為了檢驗(yàn)內(nèi)置檢測器的結(jié)果是否準(zhǔn)確,本實(shí)驗(yàn)還安裝了低頻信號發(fā)射器,通過將應(yīng)變計(jì)與IMU的測量值進(jìn)行對,發(fā)現(xiàn)測量值上的差異,具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

        表2 應(yīng)變計(jì)測量值與IMU計(jì)算應(yīng)變值結(jié)果對比

        由表2可看出當(dāng)測量方位發(fā)生改變時(shí),應(yīng)變器測量值與IMU計(jì)算值分別發(fā)生相應(yīng)變化,且二者之間測量值誤差較小。

        4 結(jié)語

        本文研究的地下金屬管道位移監(jiān)測方法,可應(yīng)用在地下長距離管道的彎曲應(yīng)變測試中,得到的中心線位置坐標(biāo)準(zhǔn)確,不僅可以有效監(jiān)測管道,管道風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)變和位移點(diǎn)及時(shí),并能準(zhǔn)確固定地下金屬管道。通過試驗(yàn)確定了該方法的可行性和有效性,在進(jìn)行地下金屬管道位移監(jiān)測時(shí),該方法也可用在地面塌陷、溫度載荷發(fā)生變化而導(dǎo)致的地下金屬管道位移監(jiān)測。

        通過試驗(yàn)確定了地下金屬管道位移檢測技術(shù)的新方法的有效性和準(zhǔn)確性,在進(jìn)行具體位置探測時(shí)可以根據(jù)此種方法進(jìn)行地下金屬管道坐標(biāo)的確定,希望該方法的提出能夠?yàn)槌鞘泄艿朗┕さ拈_展帶來一定幫助。

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