李孟杰

中石化石油工程建設有限公司（北京 100020）

0 引言

海洋油氣通過海底管道集輸，具有經(jīng)濟、高效的特點，但是運行一段時間后，管道內(nèi)可能會出現(xiàn)腐蝕、結(jié)垢等問題，另外由于地基變化、海流沖淘、意外機械損傷等原因，管道也會發(fā)生變形或內(nèi)徑變化，管道機器人在清管或檢測[1]工作過程中可能出現(xiàn)卡堵[2]，解堵[3]、管道缺陷的評估和修復等工作都需要對管道機器人在管道內(nèi)的位置進行精確定位。

低頻電磁波由于其頻率較低，信號能夠穿透海水、泥土甚至金屬管道，得到了廣泛的應用[4]，也可應用于管道內(nèi)機器人的示蹤定位[5]。在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學[6]、沈陽工業(yè)大學[7]、清華大學[8-10]等高校開展了相關(guān)的定位工作，在國際上也有較為成熟的產(chǎn)品。但這些研究和應用主要集中在單層輸油管道上，針對雙層金屬管道低頻電磁定位的報道比較少見。

低頻電磁定位方法能否應用于雙層金屬管道中，首先要解決的是其能否穿透對電磁信號具有強屏蔽特性的雙層鐵磁管道；其次在確定能穿透的情況下，確定信號的強度以及能夠辨識的穿透距離[11]。本文設計了低頻電磁信號發(fā)射機和接收機，并對DN150 壁厚14 mm 雙層金屬管道、海水、空氣等3 種介質(zhì)條件下進行了穿透性能實驗。結(jié)果表明，設計的低頻磁信號發(fā)射機發(fā)射的信號能夠穿透雙層管道，具有較強的辨識度，有效接收距離可達6.4 m，可通過低頻電磁信號幅值的大小實現(xiàn)對管道機器人的定位。

1 雙層海底管道機器人低頻電磁定位方法

低頻電磁信號由于其頻率較低的特點，信號可穿透鐵磁管道等導磁導電介質(zhì)，因此，可通過低頻電磁信號對雙層金屬管道內(nèi)機器人進行定位，系統(tǒng)由安裝在管道內(nèi)機器人上的發(fā)射器和管道外的接收器組成，如圖1所示。

圖1 電磁定位示意圖

低頻電磁信號通過發(fā)射器發(fā)射線圈產(chǎn)生低頻交變磁場來發(fā)射信號，如圖2所示。

圖2 螺線管發(fā)射天線及坐標系

在直角坐標系下，當接收天線與地面垂直時，其測量磁感應強度x 方向的分量Bx；當接收天線與管道平行時，其測量磁感應強度z方向的分量Bz，螺線管在x和z方向的磁感應強度表達式見式（1）[10]。

式中：Bx為磁感應強度x方向的分量，T；Bz為磁感應強度z 方向的分量，T；μ 為環(huán)境的磁導率，H/m；n 為線圈的匝數(shù)；Im為線圈通電電流值，A；p為線圈的長度，m；a為螺線管線圈半徑，m；x，y，z 為接收線圈的坐標值，m。

根據(jù)式（1），對發(fā)射線圈的磁感應強度進行了數(shù)值分析計算，磁感應強度在x方向的絕對值|Bx|分布示意如圖3所示。

圖3 |Bx|隨距離z變化曲線

由圖3仿真分布計算可知，磁感應強度在x方向上的分量|Bx|呈雙峰分布，當接收天線位于發(fā)射天線正上方時，信號強度最小。

在定位過程中，接收天線垂直于發(fā)射天線，兩者相對移動，當信號位于雙峰極小值處接收天線所在位置即為管道內(nèi)發(fā)射天線所在位置，即實現(xiàn)管道機器人定位。

2 低頻電磁信號發(fā)射器與接收器

由于鐵磁管道對磁場的較強屏蔽性，且目前文獻報道中定位技術(shù)主要針對單層管道，為了驗證該定位方法能否應用于雙層輸油管道，本文設計了基于低頻電磁信號的雙層輸油管道的實驗裝置。實驗裝置由低頻電磁信號發(fā)射器、接收耦合天線以及接收信號處理器等幾部分組成（圖4）。

圖4 發(fā)射線圈諧振等效電路

2.1 低頻電磁信號發(fā)射器

低頻電磁發(fā)射器由單片機產(chǎn)生23 Hz的信號經(jīng)由功率放大電路驅(qū)動發(fā)射線圈，從而產(chǎn)生23 Hz 低頻電磁信號。為了提高發(fā)射磁感應強度，發(fā)射器通過LC串聯(lián)諧振，提高發(fā)射線圈上的電壓。

發(fā)射線圈諧振電路的頻率可由式（2）計算：

式中：f 為諧振頻率，Hz；L 為線圈電感值，H；C 為諧振電容，F(xiàn)。

諧振線圈的品質(zhì)因數(shù)Q值為：

式中：Q 為諧振線圈的品質(zhì)因數(shù)；R 為線圈直流電阻，Ω。

為提高諧振線圈上的電壓，需盡可能提高發(fā)射線圈的Q值，根據(jù)式（3），應該減少發(fā)射線圈的內(nèi)阻，因此在發(fā)射線圈的繞制過程中應盡可能采用較粗的漆包線。

發(fā)射線圈如圖5 所示，低頻電磁信號發(fā)射器的主要參數(shù)見表1。

圖5 發(fā)射線圈

表1 低頻電磁發(fā)射器主要參數(shù)

2.2 低頻電磁信號接收器

根據(jù)法拉第電磁感應定律，變化的磁場產(chǎn)生變化的電場，本設計采用多匝線圈作為接收天線。接收天線接收到的磁場示意圖如圖6所示。

圖6 接收天線在檢測磁場中示意圖

由圖6 可知，線圈檢測穿過磁芯的磁通量的變化，從而檢測磁場信號；從圖6 也可看出，穿過線圈磁芯的磁通量與磁芯鐵芯的體積、形狀密切相關(guān)，為了更好地減少磁芯鐵芯長度對測量磁通的平均值帶來的影響，在本設計中，盡可能地減小磁芯的長度，以更準確地測量線圈所在點的磁感應強度。接收線圈的等效電路如圖7所示。

圖7 接收線圈諧振等效電路

假設線圈的匝數(shù)為n，則接收線圈的感應電動勢ε可由式（4）計算。

由式（4）可知，相同尺寸、相同磁感應強度條件下，選用的漆包線直徑越小，匝數(shù)越多，感應出的電動勢越大，接收天線輸出信號越強。實際接收線圈的主要參數(shù)見表2。

表2 接收線圈主要參數(shù)

3 實驗研究

管道機器人工作的環(huán)境是雙層海底石油管道，因此，其真實的工作環(huán)境在實驗室中較難搭建，本實驗研究低頻地磁信號在雙層金屬管道、海水以及空氣等不同介質(zhì)中強度的衰減規(guī)律。

低頻電磁發(fā)射器和接收器的實物如圖8 所示，接收器可直接顯示接收信號的幅值、相位等信息。

圖8 發(fā)射器和接收器實物圖

3.1 實驗方法

實驗過程中，發(fā)射器與接收器軸向平行，改變兩者的平行距離；發(fā)射器位置固定，改變接收器在y方向上的位置，并記錄信號強度。

3.2 不同介質(zhì)衰減特性實驗

在本次實驗中，針對DN150 雙層管道（壁厚14 mm）、海水、空氣等3 種介質(zhì)做了傳輸實驗，實驗現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 實驗現(xiàn)場照片

每組實驗中，發(fā)射器功率保持不變且接收器參數(shù)完全相同，保持發(fā)射器位置不變，位于坐標原點；接收器x、z坐標為0不變，改變接收器的相對位置y；當接收器輸出穩(wěn)定后，記錄接收器輸出的電壓以及位置y。實驗數(shù)據(jù)見表3～表5。

表3 DN150雙層金屬管道接收信號

表5 空氣接收信號

表4 海水接收信號

將數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖10 所示。由圖10 可知，發(fā)射器處于雙層金屬管道內(nèi)信號衰減最快，海水中次之，空氣中衰減最少。

圖10 3種介質(zhì)的信號曲線

根據(jù)式（1），在本試驗中由于x=0，y=0，僅僅改變z，Bz退化為式（5）：

通過接收傳感器及接收電路信號處理，磁感應強度Bz轉(zhuǎn)化為電壓信號，結(jié)合式（1），接收器的輸出電壓u和距離z之間的關(guān)系見式（6）：

式中:u為輸出電壓，V；A為等效折算系數(shù)，V/m3。

等效折算系數(shù)A與介質(zhì)、接收器、發(fā)射器參數(shù)相關(guān)，若介質(zhì)、發(fā)射器參數(shù)及接收器所在位置的磁感應強度確定，其為常數(shù)。對3種介質(zhì)（DN150、海水、空氣）的傳輸數(shù)據(jù)進行擬合，A 系數(shù)擬合結(jié)果依次為：0.5、228.2、982.4 V/m3。由擬合結(jié)果可知，相對于空氣中的傳播，當發(fā)射器置于DN150 雙層管道內(nèi)，信號強度約為空氣中的1/1 965；海水中的信號強度約為空氣中的1/5。在實際定位過程中，接收器靠近管道，海水的影響可以忽略，因此，影響信號傳輸距離的是雙層金屬管道。

在空氣介質(zhì)中，增大發(fā)射器的功率后，實際檢測距離可達80 m；通過參數(shù)擬合等效系數(shù)A折算，穿透雙層管道后的可檢測距離約為6.4 m，可以用于管道機器人的定位。

4 結(jié)束語

為了驗證低頻電磁信號能否應用于雙層海底輸油管道，設計了低頻電磁定位發(fā)射器與接收器，并針對雙層金屬管道、海水、空氣等3種介質(zhì)開展了傳輸實驗，并進行了參數(shù)擬合等效折算。當空氣中能傳播80 m時，信號穿透雙層金屬管道后有效傳播距離可達6.4 m，低頻電磁信號可應用于海底雙層輸油管道內(nèi)管道機器人的定位。