李葉斌 姚國斌 郭志宏 雷繼鵬

（華新燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司）

在長(zhǎng)輸油氣管道投產(chǎn)和服役運(yùn)行過程中，清管作業(yè)是一項(xiàng)非常重要的工作。 新建管道投產(chǎn)前，管道內(nèi)遺留物和打壓試驗(yàn)遺留水較多，清管作業(yè)能夠有效清除管道內(nèi)的水和施工遺留物［1～4］。在管道服役運(yùn)行過程中，通過清管作業(yè)清掃管內(nèi)雜物、積液和積污，可以提高管道輸送效率、減少摩阻損失、減輕管道內(nèi)壁腐蝕，實(shí)現(xiàn)在線管內(nèi)檢測(cè)，延長(zhǎng)管道使用壽命［5］。 但是，在長(zhǎng)輸油氣管道清管作業(yè)過程中，清管器的卡堵現(xiàn)象一直困擾著工程技術(shù)人員，尤其是長(zhǎng)輸管道，距離長(zhǎng)，管線周邊地區(qū)環(huán)境條件差，發(fā)生卡堵后清管器不能準(zhǔn)確定位，導(dǎo)致管道輸送停止的問題時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)甚至危及管道安全。 因此，對(duì)清管器進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤定位是保障清管作業(yè)順利進(jìn)行的強(qiáng)有力措施，對(duì)于保證長(zhǎng)輸管道的正常穩(wěn)定運(yùn)行、提高輸送效率和保障安全生產(chǎn)十分重要。

傳統(tǒng)清管器跟蹤定位方法按工作原理大致可分為放射性同位素法、機(jī)械法、聲學(xué)法、壓力法和電磁法5類， 具體又可以細(xì)分為若干種定位方法［6，7］。 但由于存在管道自身、土壤和外界其他干擾因素， 使得清管器的跟蹤定位存在各種困難，傳統(tǒng)方法各有優(yōu)點(diǎn)但又有各自的局限性，如跟蹤方法復(fù)雜、抗干擾能力弱、無法全程連續(xù)跟蹤及需要大量的人力物力保障等。 為此，設(shè)計(jì)具有實(shí)時(shí)性、能連續(xù)采集數(shù)據(jù)、穩(wěn)定可靠、使用簡(jiǎn)便且運(yùn)行維護(hù)成本低的清管器跟蹤定位方法十分必要。

1 技術(shù)方案結(jié)構(gòu)

在長(zhǎng)輸油氣管道清管作業(yè)過程中，清管器在管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)會(huì)與管道內(nèi)壁摩擦并與管道接口處的環(huán)焊縫、 螺旋焊縫等碰撞產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)［8，9］，該類信號(hào)會(huì)對(duì)長(zhǎng)輸油氣管道沿線同溝敷設(shè)的通信光纖中的光信號(hào)產(chǎn)生擾動(dòng)作用。 由光纖的泊松效應(yīng)、應(yīng)變效應(yīng)和彈光效應(yīng)可明確，管道中的摩擦、撞擊等振動(dòng)信號(hào)作用于光纖上，會(huì)令光纖振動(dòng)位置處的折射率發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致光纖內(nèi)光的相位發(fā)生變化［10，11］。根據(jù)此原理，并利用長(zhǎng)輸油氣管道沿線同溝伴隨敷設(shè)的通信光纜搭建光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，對(duì)管道內(nèi)作業(yè)運(yùn)行的清管器進(jìn)行在線實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的跟蹤定位，可有效解決長(zhǎng)輸管道清管作業(yè)過程中發(fā)生卡堵后無法準(zhǔn)確定位清管器的問題。

現(xiàn)以燃?xì)夤艿罏槔O(shè)計(jì)的基于光纖振動(dòng)傳感的長(zhǎng)輸燃?xì)夤艿狼骞芷鞲櫠ㄎ幌到y(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)包括光源模塊、兩種類型的耦合器、傳感部分、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)采集及信號(hào)解析上位機(jī)系統(tǒng)等模塊。 圖1中，S表示延遲光纖臂的長(zhǎng)度；L表示振動(dòng)信號(hào)發(fā)生位置與傳感光纖起始端的距離；H表示振動(dòng)信號(hào)發(fā)生位置與傳感光纖末端的距離，則L+H表示傳感光纖的總長(zhǎng)度。

圖1 燃?xì)夤艿狼骞芷鞲櫠ㄎ幌到y(tǒng)總體架構(gòu)

光源模塊。 在光纖傳感系統(tǒng)中，產(chǎn)生光源的激光器的選擇至關(guān)重要。 本方案中，搭建的直線型振動(dòng)傳感系統(tǒng)采用光的干涉原理，光源模塊選擇干涉型寬帶光源激光器，在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中提供連續(xù)穩(wěn)定的干涉光源。

光電探測(cè)器。 光電探測(cè)器在結(jié)構(gòu)上采用平衡探測(cè)器， 能夠有效抑制系統(tǒng)中的共模噪聲干擾。光電探測(cè)器能探測(cè)到光信號(hào)的變化情況，并將光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化，輸出的模擬電信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集卡。 結(jié)構(gòu)連接如圖1所示，其雙端口的一端連接3×3耦合器的端口2，另一端連接3×3耦合器的端口3。 光電探測(cè)器采用雙端口輸入方式，能有效提高其靈敏度。

數(shù)據(jù)采集卡。 數(shù)據(jù)采集卡將變化的模擬電信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并高速采集， 其采集結(jié)果經(jīng)由通信模塊實(shí)時(shí)傳輸至信號(hào)解析上位機(jī)系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集卡搭載的通信模塊集無線通信與有線通信于一體。 無線通信支持4G和WiFi網(wǎng)絡(luò)傳輸；有線通信方式為RJ45接口，適用于就地?cái)?shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景。

信號(hào)解析上位機(jī)系統(tǒng)。 由于數(shù)據(jù)采集卡具有方便靈活的數(shù)據(jù)傳輸方式，信號(hào)解析上位機(jī)系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，既可以部署在數(shù)據(jù)中心的虛擬化云服務(wù)平臺(tái)上， 也可以部署在就地工作的PC機(jī)上。在云端部署時(shí)，可以將跟蹤定位結(jié)果以服務(wù)方式發(fā)布，方便其他工程師在移動(dòng)端或工作站上遠(yuǎn)程監(jiān)控。

耦合器。 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上共使用兩種類型耦合器，耦合器輸出端的光信號(hào)在各項(xiàng)參數(shù)上具有一致性。 如圖1所示，系統(tǒng)中傳感光纖起始端的耦合器用于將兩束入射光耦合成一束光，當(dāng)傳感光纖中的入射光經(jīng)末端耦合器反射后，再次進(jìn)入起始端耦合器，此時(shí)傳感光纖起始端耦合器將一束光分為兩束光。 然后3×3耦合器的端口4和端口6處分別接收兩束反射光，此時(shí)3×3耦合器處實(shí)現(xiàn)兩束反射光的干涉，將干涉結(jié)果的光信號(hào)傳輸至光電探測(cè)器。

傳感光纖與延遲光纖。 在傳感光纖的選擇上，使用長(zhǎng)輸管道同溝敷設(shè)的通信光纖中的一芯作為傳感光纖即可，對(duì)它按技術(shù)要求進(jìn)行改裝即可實(shí)現(xiàn)其傳感功能。 系統(tǒng)中的延遲光纖在光程上提供一個(gè)時(shí)間差，限制系統(tǒng)4條光路中僅有2條光路滿足光的干涉條件。

2 技術(shù)方案原理

2.1 干涉光路設(shè)計(jì)

圖1所示的清管器跟蹤定位方法在結(jié)構(gòu)上可形成4條光路，分別如下：

a. 光路1， 端口6→延遲光纖→2×1耦合器→1×2耦合器→2×1耦合器→延遲光纖→端口6。 激光器的干涉光源從3×3耦合器的端口1射入、端口6射出，進(jìn)入一段延遲光纖，然后進(jìn)入傳感光纖起始端的2×1耦合器，射出進(jìn)入傳感光纖，在傳感光纖的末端經(jīng)1×2耦合器反射后， 再次經(jīng)由傳感光纖進(jìn)入起始端的2×1耦合器， 然后原路經(jīng)由延遲光纖返回到3×3耦合器的端口6。

b. 光路2， 端口6→延遲光纖→2×1耦合器→1×2耦合器→2×1耦合器→端口4。 與光路1不同的是，傳感光纖中的反射光經(jīng)由傳感光纖進(jìn)入起始端的2×1耦合器后，未經(jīng)過延遲光纖，而是直接進(jìn)入3×3耦合器的端口4。

c. 光路3，端口4→2×1耦合器→1×2耦合器→2×1耦合器→延遲光纖→端口6。 激光器的干涉光源從3×3耦合器的端口1射入、 端口4射出后未經(jīng)延遲光纖， 直接進(jìn)入傳感光纖起始端的2×1耦合器射出進(jìn)入傳感光纖， 在傳感光纖的末端經(jīng)1×2耦合器反射后，再次經(jīng)由傳感光纖進(jìn)入起始端的2×1耦合器，然后經(jīng)由延遲光纖返回到3×3耦合器的端口6。

d. 光路4，端口4→2×1耦合器→1×2耦合器→2×1耦合器→端口4。 與光路3不同的是，傳感光纖中的反射光經(jīng)由傳感光纖進(jìn)入起始端的2×1耦合器后， 未經(jīng)延遲光纖直接進(jìn)入3×3耦合器的端口4。

在4條光路中，顯然光路1的光程最大，光路2、3的光程一致，光路4的光程最小。 由光形成干涉所需的條件分析可知，系統(tǒng)中有且僅有光路2、3滿足所需的干涉條件， 能夠且發(fā)生干涉的位置在3×3耦合器， 所以光電探測(cè)器探測(cè)到的光信號(hào)變化是光路2、3的光信號(hào)在3×3耦合器干涉后的光信號(hào)變化。

2.2 定位原理

如圖1所示，在光路2、3中，當(dāng)沒有振動(dòng)信號(hào)擾動(dòng)傳感光纖時(shí)， 光信號(hào)在光路中穩(wěn)定傳輸，此時(shí)的干涉結(jié)果是一個(gè)保持不變的穩(wěn)定狀態(tài)。 當(dāng)有振動(dòng)信號(hào)擾動(dòng)傳感光纖時(shí)， 根據(jù)彈光效應(yīng)可知，在振動(dòng)信號(hào)的擾動(dòng)作用下，光纖的折射率發(fā)生改變從而引起光信號(hào)的相位發(fā)生變化，其中光信號(hào)的相位變化信息中含有振動(dòng)信號(hào)的位置信息，筆者的目的是通過檢測(cè)光信號(hào)的變化情況，解析出振動(dòng)信號(hào)發(fā)生的位置信息。

首先， 將實(shí)時(shí)檢測(cè)到的時(shí)域振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)傅里葉變換，經(jīng)過傅里葉級(jí)數(shù)展開后，得到多個(gè)具有不同幅值、 頻率、 相位的正弦波的組合， 用一個(gè)正弦函數(shù)來表達(dá)展開結(jié)果組合中的正弦波：

其中，f（t）為振動(dòng)信號(hào)引起的光相位變化的傅里葉展開結(jié)果，可以有N個(gè)正弦波；N為正整數(shù)，是光相位變化經(jīng)傅里葉級(jí)數(shù)展開后得到的正弦波數(shù)量；Ax、ωx、φx分別為第x個(gè)正弦波的幅值、頻率和相位；t為傳感光纖上振動(dòng)信號(hào)發(fā)生所持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度。

用振動(dòng)信號(hào)的發(fā)生位置將光路2、3分別分為前、后兩段光路，共4段光路。令光路2的前半程與后半程中光的傳輸時(shí)間分別為t1、t2，光路3的前半程與后半程中光的傳輸時(shí)間分別為t3、t4，假設(shè)f1（t）為振動(dòng)信號(hào)引起的光路2中的相位變化，f2（t）為振動(dòng)信號(hào)引起的光路3中的相位變化，則有：

設(shè)光在真空中的傳播速度為c， 系統(tǒng)中所用光纖的折射率為n， 則由光纖中光的傳輸關(guān)系可得t1、t2、t3、t4：

令Δf（t）為光路2、3的相位差，則有：

將t1、t2、t3、t4代入上述計(jì)算式， 并用三角函數(shù)和差化積公式得到光路2、3的相位差Δf（t）：

振動(dòng)信號(hào)頻率f滿足以下關(guān)系式：

信號(hào)解析上位機(jī)系統(tǒng)中，對(duì)傳輸回來的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)傅里葉變換， 得到其頻域頻譜數(shù)據(jù)，對(duì)頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析找到零頻點(diǎn)，然后用有限數(shù)量的零頻點(diǎn)解析出振動(dòng)信號(hào)發(fā)生的實(shí)時(shí)位置，即為清管器的實(shí)時(shí)位置，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)管道中運(yùn)行的清管器的實(shí)時(shí)跟蹤定位。

3 試驗(yàn)管段測(cè)試驗(yàn)證

選擇在華新燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司的晉城市沁水縣“南大閥室-郭家?guī)X”城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿拦こ添?xiàng)目中，對(duì)燃?xì)夤艿拦饫w傳感預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行工程示范建設(shè)，其中基于光纖振動(dòng)傳感的清管器跟蹤定位方法測(cè)試監(jiān)測(cè)對(duì)象為“南大閥室-郭家?guī)X”管段，長(zhǎng)度10.805 km、管徑DN355.6 mm、設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa。項(xiàng)目中除沿線敷設(shè)通信光纖外，另外同溝敷設(shè)傳感光纜4根，共計(jì)13芯，其中單模7芯、多模6芯，單根長(zhǎng)度約10 km。 選擇其中一芯單模光纖，使用光纖跳線及其他輔材搭建光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，用于對(duì)清管器與管道焊縫和管壁摩擦碰撞產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)清管器的跟蹤定位。 另外3根分別用于溫度檢測(cè)、應(yīng)變檢測(cè)和冗余備用。項(xiàng)目對(duì)管道的振動(dòng)檢測(cè)、應(yīng)變檢測(cè)、溫度檢測(cè)結(jié)果融合分析應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道上多種危險(xiǎn)源的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)識(shí)別。

3.1 時(shí)域信號(hào)測(cè)試結(jié)果分析

管道工程建設(shè)中， 管道沿線同溝敷設(shè)光纖，由于施工及其他外部環(huán)境因素干擾，在先期測(cè)試中，主要對(duì)傳感光纖中的大衰減點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)測(cè)與排除，并對(duì)光纖存在的斷點(diǎn)進(jìn)行熔接修復(fù)，保證它在功能上滿足傳感測(cè)試需求。 系統(tǒng)主機(jī)安裝在南大閥室，在管道投產(chǎn)前委托第三方中油管道檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司對(duì)投產(chǎn)管道進(jìn)行清管作業(yè)。在本次清管作業(yè)過程中，項(xiàng)目組對(duì)該清管器跟蹤定位系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)測(cè)。 信號(hào)解析上位機(jī)系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集卡獲取實(shí)時(shí)電壓信號(hào)，并截取其中約30 s的數(shù)據(jù)（圖2）進(jìn)行分析，可以看出，每隔5～7 s，實(shí)時(shí)信號(hào)中會(huì)有一次明顯的擾動(dòng)，其余時(shí)間內(nèi)振動(dòng)信號(hào)處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，波動(dòng)幅度較小。

圖2 采集到的實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)

查閱項(xiàng)目施工資料得到管道最小焊接單元是每節(jié)12 m的無縫鋼管， 這樣一節(jié)一節(jié)焊接起來，經(jīng)分析得知，每隔5～7 s產(chǎn)生的明顯的擾動(dòng)信號(hào)主要來自清管器與管道環(huán)焊縫的碰撞，其余波動(dòng)幅度較小的振動(dòng)信號(hào)是清管器與管道內(nèi)壁相互摩擦產(chǎn)生的或者管線周邊的其他背景噪聲。 分析時(shí)域振動(dòng)信號(hào)可以得到清管器在管道中的運(yùn)行速度約2 m/s。

本次清管作業(yè)后，中油管道檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司在該段管道的內(nèi)檢測(cè)報(bào)告中給出的清管器在該段管道中的運(yùn)行速度曲線如圖3所示。 對(duì)比分析圖2、3可知， 兩組不同的數(shù)據(jù)在對(duì)清管器的運(yùn)行速度計(jì)算結(jié)果上是吻合的，這證明了實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)采集結(jié)果是準(zhǔn)確的，即該系統(tǒng)能夠?qū)艿乐羞\(yùn)行的清管器與管道相互作用產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

圖3 清管器在管道中的運(yùn)行速度

3.2 信號(hào)解析結(jié)果

數(shù)據(jù)采集卡對(duì)光電探測(cè)器的輸出電壓信號(hào)進(jìn)行高速采集，并將采集結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸至信號(hào)解析上位機(jī)系統(tǒng)。 在上位機(jī)軟件系統(tǒng)中，對(duì)時(shí)域的實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到實(shí)時(shí)信號(hào)的頻譜數(shù)據(jù)。

在算法上，通過對(duì)頻譜分析和各頻率信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行比較，獲得所需的零頻點(diǎn)頻率值。 由定位原理的推導(dǎo)結(jié)果可知，零頻點(diǎn)有多個(gè)，且其頻率值關(guān)系為奇數(shù)倍等差排列，每一個(gè)零頻點(diǎn)可解析出一次實(shí)時(shí)振動(dòng)位置參數(shù)。 對(duì)求出的多個(gè)振動(dòng)信號(hào)位置參數(shù)求算術(shù)平均值，將算術(shù)平均值結(jié)果作為振動(dòng)信號(hào)發(fā)生的理論位置，并將它呈現(xiàn)在人機(jī)界面上供工程人員實(shí)際作業(yè)參考用，如圖4所示。

圖4 清管器在線實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)定位結(jié)果人機(jī)界面

由圖4可以得到系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果是15:44:20～15:44:28這段時(shí)間里，清管器所在位置約為9 460 m，且存在后一時(shí)刻的清管器位置在前一時(shí)刻的位置之前的錯(cuò)誤結(jié)果，這是由于在算法上獲得的零頻點(diǎn)數(shù)量不一致，導(dǎo)致最終解析得到的位置信息有一定的誤差。 但在工程實(shí)際應(yīng)用中，10 m以內(nèi)的定位誤差是可以接受的。

4 結(jié)束語

將基于光纖傳感的長(zhǎng)輸管道清管器跟蹤定位方法， 在10 km城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿拦こ掏懂a(chǎn)清管作業(yè)中進(jìn)行了工程示范測(cè)試驗(yàn)證， 定位結(jié)果表明，該方法具有工程應(yīng)用價(jià)值，可實(shí)現(xiàn)對(duì)管道中運(yùn)行的清管器進(jìn)行在線實(shí)時(shí)跟蹤定位，解決了長(zhǎng)輸管道在清管器發(fā)生卡堵問題后不能進(jìn)行準(zhǔn)確定位的工程問題。

在未來的應(yīng)用中， 可與燃?xì)夤艿繱CADA系統(tǒng)、燃?xì)夤艿繥IS系統(tǒng)集成，在SCADA系統(tǒng)或GIS系統(tǒng)中實(shí)時(shí)標(biāo)識(shí)清管器在管道中的位置。 另外，還可以利用實(shí)時(shí)定位信息，分析清管器在管道中的運(yùn)行速度，并對(duì)可能出現(xiàn)卡堵的位置做出預(yù)警報(bào)警，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員實(shí)時(shí)調(diào)整清管器的運(yùn)行參數(shù)，從根本上杜絕卡堵問題的發(fā)生。