通徑檢測器里程定位技術(shù)研究

李曉龍，張仕民，焦 泉，張 康，廖寧生

（中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京102249）

通徑檢測器里程定位技術(shù)研究

李曉龍，張仕民，焦 泉，張 康，廖寧生

（中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京102249）

通徑檢測器廣泛應(yīng)用于管道內(nèi)檢測作業(yè)中，其里程定位技術(shù)研究具有重要意義。通過對國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的總結(jié)，就目前常用的內(nèi)檢測器及缺陷定位技術(shù)進(jìn)行了歸納，并分析了不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)；基于通徑檢測器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和檢測原理提出了一種新型的焊縫定位方法，并提出了里程輪短距離打滑系數(shù)，對短距離的里程修正具有指導(dǎo)意義；提出了通徑檢測器因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的里程誤差的修正方法，提高了短距離里程定位精度；針對同一條管線包含多種不同長度管道的實(shí)際情況，提出了一種可以判斷管道長度的新型焊縫修正算法，進(jìn)一步提高了長距離里程輪定位精度。

通徑檢測器；里程定位技術(shù)；打滑系數(shù)；誤差修正

管道完整性是衡量一條管線合格與否的重要指標(biāo)。由于管道的腐蝕、大變形、泄漏等造成的管道事故不計(jì)其數(shù)，不僅帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且造成了環(huán)境的污染，因此對于管道完整性的檢測具有重要的意義。目前進(jìn)行管道完整性檢測的方法有很多，包括管道外檢測、內(nèi)檢測等。傳統(tǒng)的外檢測技術(shù)，不僅效率低下，而且對于大部分管線埋藏在土層以下幾米甚至幾十米深，以及現(xiàn)在應(yīng)用范圍越來越廣泛的海洋管道檢測已無法滿足要求［1-7］。因此，目前國際上主流和應(yīng)用性最廣的管道完整性檢測方式為采用一種特殊的設(shè)備，即管道內(nèi)檢測器。

管道內(nèi)檢測器的種類有很多，根據(jù)檢測目標(biāo)的不同可以將內(nèi)檢測器分為普通清管器、測徑檢測器、通徑檢測器和智能清管器檢測4種類型。普通清管和測徑清管器檢測所用的管道機(jī)器人相對簡單、發(fā)展也都比較成熟。通徑檢測器和智能檢測器的技術(shù)含量比較高，涉及到傳感及檢測、計(jì)算機(jī)、信號處理與分析等多技術(shù)的融合［7］。隨著內(nèi)檢測智能化的發(fā)展趨勢，對于缺陷的檢測效率和準(zhǔn)確性大幅提高，通過以上的內(nèi)檢測方式將管道缺陷檢測出以后，如何精確地實(shí)現(xiàn)對缺陷定位成了管道內(nèi)檢測研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。檢測缺陷定位不準(zhǔn)確給管道的維護(hù)、檢修帶來了很大的不便。此外，盲目開挖產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失同樣巨大。所以，盡可能地提高管道內(nèi)檢測定位的準(zhǔn)確性具有很重要的意義［8-13］。總結(jié)目前國內(nèi)外現(xiàn)有的里程定位技術(shù)，各自都有其局限性，每一種管道狀況適應(yīng)的定位技術(shù)也不完全相同。在未來的里程定位技術(shù)研究中，如何更加精確地實(shí)現(xiàn)里程定位成為了研究的重點(diǎn)，與此同時(shí)，筆者認(rèn)為建立一套針對不同管道狀況的里程定位技術(shù)規(guī)范也是下一步研究的熱點(diǎn)。

1 里程定位研究進(jìn)展

目前國內(nèi)外對管道內(nèi)檢測器定位技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。根據(jù)檢測方式的不同可以分為單一定位方法和修正定位法2大類。其中，單一定位方法定位精度相對較低，累計(jì)誤差較大；修正定位法是在單一定位法的基礎(chǔ)上進(jìn)行的定長里程修正方法。

1.1 單一定位法

單一定位法根據(jù)定位原理的不同可以分為里程輪定位法、加速度定位法、視覺傳感器定位法、慣性導(dǎo)航定位法、基于光纖光柵空間曲率傳感器定位法等［11-13］。里程輪法定位原理簡單，數(shù)據(jù)處理方便快捷，其缺點(diǎn)是檢測精度受加工精度、管道內(nèi)部狀況影響（結(jié)蠟、油污、缺陷、焊縫等），易產(chǎn)生彈跳和打滑現(xiàn)象。此外，內(nèi)檢測器的旋轉(zhuǎn)也會引起里程增加等。從定位原理可以看出，里程輪定位法具有誤差累計(jì)效應(yīng)，定位精度隨著測量距離的增加而不斷降低，誤差也越來越大［8，14-15］。加速度定位法的優(yōu)點(diǎn)是短距離定位準(zhǔn)確，受內(nèi)檢測器旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)等外在因素影響小。缺點(diǎn)是由于加速度計(jì)的讀數(shù)值存在誤差，同時(shí)其遞推特性造成誤差累計(jì)現(xiàn)象產(chǎn)生，且以時(shí)間的二次方遞增。此外，由于管道傾斜，加速度計(jì)在管道內(nèi)行進(jìn)時(shí)受到重力沿斜坡方向的分力作用，計(jì)算距離時(shí)需引入重力加速度分量。因此，加速度定位法并不適應(yīng)于長距離內(nèi)檢測缺陷定位，而只適應(yīng)于短距離的精確定位［16-18］。視覺傳感器法定位精度高，但檢測器運(yùn)行速度受圖像處理速度的影響，行走速度太快將會影響CCD視覺定位而造成定位誤差增大，而且檢測定位效率也較低。此外，對于沾滿油污的管道，定位精度大幅降低［11～13］。慣性導(dǎo)航定位法優(yōu)點(diǎn)是隱蔽性好，不受外界電磁干擾的影響；可全天候、全時(shí)間地工作于空中、地球表面乃至水下；能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的導(dǎo)航信息連續(xù)性好而且噪聲低；數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好等。其缺點(diǎn)是導(dǎo)航信息經(jīng)過積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時(shí)間而增大，長期精度差；使用前需要較長初始對準(zhǔn)時(shí)間；設(shè)備價(jià)格較昂貴且不能給出時(shí)間信息［19-21］。光纖光柵空間曲率傳感器定位法的優(yōu)點(diǎn)是只要給定初始測量點(diǎn)的空間位置、曲率、切向矢量方向和密切平面，就可以實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人的全程定位。其缺點(diǎn)是對傳感器檢測精度要求高，且定位算法復(fù)雜，較適應(yīng)于多曲率管段的定位，對于長距離直管段定位精度較差［22］。

1.2 輔助定位法

內(nèi)檢測器定位的輔助方法主要有：地面標(biāo)記系統(tǒng)法、焊縫定位法、GPS定位法、定點(diǎn)磁標(biāo)法等。輔助方法不能獨(dú)立應(yīng)用于管道內(nèi)缺陷的定位，只能配合單一定位法一起工作，可以有效地降低單一定位法的定位誤差，提高單一定位法的精度。

地面標(biāo)記系統(tǒng)法、定點(diǎn)磁標(biāo)法以及GPS定位法原理基本相同，即在管線固定位置處設(shè)置一個(gè)地面標(biāo)記器（marker）或者電磁接受裝置和GPS接收裝置，每一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的位置坐標(biāo)為已知，當(dāng)內(nèi)檢測器通過標(biāo)記點(diǎn)時(shí)對其里程進(jìn)行修正，以此來提高里程定位精度［23～29］。特別指出，地面標(biāo)記系統(tǒng)需要在新建管道時(shí)進(jìn)行安置，但對于大部分舊管道未考慮后期的檢測和維護(hù)等問題，所以并未提前安置標(biāo)記系統(tǒng)，所以此方法的應(yīng)用具有局限性。定點(diǎn)標(biāo)磁法以及GPS定位法受管道鋪設(shè)環(huán)境影響較大，有的管道鋪設(shè)在地下幾米甚至幾十米的位置，GPS信號以及電磁信號有時(shí)會產(chǎn)生丟失現(xiàn)象，造成定位誤差，因此同樣具有一定的局限性。焊縫定位法是通過對焊縫的識別來對管道里程進(jìn)行修正，此方法同樣具有一定的局限性，僅適應(yīng)于圓焊縫管道和管段長度已知的管道定位［30］。

2 通徑檢測器里程定位原理

2.1 通徑檢測器結(jié)構(gòu)

通徑檢測器主要由檢測單元、數(shù)據(jù)處理單元、里程輪、發(fā)射機(jī)、防撞頭、骨架以及皮碗等組成［7］，如圖1所示。其中，檢測單元主要由檢測臂和檢測傳感器構(gòu)成，其檢測臂均勻的布置于內(nèi)檢測骨架周圍，根據(jù)周向檢測精度的要求可布置多排，用于管道內(nèi)表面的檢測；數(shù)據(jù)處理單元包括數(shù)據(jù)采集器和處理器，用于對檢測數(shù)據(jù)的在線簡單處理；里程輪用于粗略里程記錄；皮碗為檢測器運(yùn)行提供動(dòng)力。通徑檢測器根據(jù)檢測臂的不同可以分為多種類型，但其檢測原理基本相同。以下結(jié)合通徑檢測器里程定位技術(shù)研究來對通徑檢測原理進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖1 通徑檢測器結(jié)構(gòu)示意

2.2 通徑檢測器定位原理

通徑檢測器采用里程輪結(jié)合焊縫的方式來對其進(jìn)行里程定位。根據(jù)通徑檢測器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及檢測原理，提出1種新型的焊縫檢測方法，以此來彌補(bǔ)里程輪長距離檢測產(chǎn)生累積誤差的缺點(diǎn)［31～32］。并提出1種新型的算法來對通徑檢測器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正，進(jìn)一步提高了短距離里程輪定位的精度。

實(shí)際檢測運(yùn)行過程中，通徑檢測器檢測臂在彈簧預(yù)緊力的作用下與管壁緊貼，當(dāng)內(nèi)檢測器運(yùn)行至管道大變形或者缺陷區(qū)域時(shí)，檢測臂會發(fā)生相應(yīng)的角度擺動(dòng)，通過檢測傳感器可以將擺動(dòng)角度值記錄下來。圖2為管道內(nèi)檢測器原理示意圖，根據(jù)幾何關(guān)系可知其變形高度值如式（1）所示。

式中：H為檢測臂距管壁的垂直高度；α為檢測臂的初始傾角；Δα為檢測臂的角度變化值。

圖2 通徑檢測器檢測原理示意

當(dāng)內(nèi)檢測器通過環(huán)焊縫時(shí)，周向同一圈探針均發(fā)生擺動(dòng)，且擺動(dòng)角度值均相等（忽略重力及振動(dòng)引起的偏心），根據(jù)式（1）可知，周向同一圈的探針變形高度值Δh均相等。在此，將這樣的現(xiàn)象定義為“縮頸”，相鄰2個(gè)縮頸段間的距離為1根管段長度。通徑檢測器即是通過記錄“縮頸”來對焊縫進(jìn)行識別，從而實(shí)現(xiàn)對里程輪記錄的里程值的修正。

2.3 誤差修正

如前所述，對于里程輪定位法，其缺點(diǎn)主要是因?yàn)楣艿纼?nèi)部狀況（油污、結(jié)蠟、大變形、缺陷等）產(chǎn)生打滑、彈跳等現(xiàn)象，造成里程記錄值偏?。?］。此外，通徑檢測器在檢測運(yùn)行過程中不可避免的會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，從而引起里程輪記錄值偏大［22］。因此，本文基于通徑檢測器結(jié)構(gòu)提出了一種新的里程誤差修正方法。

里程輪打滑產(chǎn)生的誤差隨著檢測距離的增大會出現(xiàn)誤差累計(jì)現(xiàn)象，但基于本文采用的里程定位方法可知，里程記錄值僅限于同一截管道內(nèi)，因此打滑產(chǎn)生的誤差累計(jì)現(xiàn)象較弱。所以本文通過分析之前學(xué)者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［28］，提出了短距離檢測過程里程輪的打滑系數(shù)δ，其值滿足：

對于因檢測器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誤差，在此選用1截管段進(jìn)行分析，將管段剖分開，如圖3所示。圖3a表示內(nèi)檢測器未發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，為直線運(yùn)動(dòng)；圖3b表示在1條管段內(nèi)檢測器旋轉(zhuǎn)角度為360°的運(yùn)動(dòng)軌跡，在此將同一條管段檢測器發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)小于360°定義為輕微旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；圖3c表示在同一管段內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)超過360°的運(yùn)動(dòng)軌跡，將其定義為嚴(yán)重旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖3 通徑檢測器運(yùn)動(dòng)軌跡示意

假設(shè)在同一條管段內(nèi)檢測器旋轉(zhuǎn)角度為β，其產(chǎn)生的里程誤差滿足下式：

式中：ε為同一管段因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的里程誤差；r為檢測管道半徑。

根據(jù)檢測管段實(shí)際情況，其組成管線的管道長度可分為標(biāo)準(zhǔn)長度以及非標(biāo)準(zhǔn)長度2種。為了實(shí)現(xiàn)對里程輪采集數(shù)據(jù)的修正，針對同一條管線多種管道標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)，本文提出如下判斷修正法則：將相鄰2次“縮頸”段間的里程采集數(shù)據(jù)對比標(biāo)準(zhǔn)管段長度值，如果絕對值差滿足式（4），即將里程值修正為標(biāo)準(zhǔn)管道系列長度。如果絕對值差不滿足式（4），則判斷為非標(biāo)準(zhǔn)長度管道，采用里程輪采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)。其具體過程如圖（4）所示。

式中：s為相鄰2次縮頸時(shí)刻間里程輪記錄值；s0為標(biāo)準(zhǔn)管道長度值；λ為誤差修正系數(shù)，通常取λ＝1.2～1.5。

圖4 里程修正流程

通過以上里程修正方法，大幅降低了因里程輪打滑和檢測器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的里程誤差，結(jié)合焊縫定期修正，消除了里程輪誤差累計(jì)現(xiàn)象的產(chǎn)生，有效地提高了檢測精度。

3 結(jié)論

1） 分析了現(xiàn)有管道內(nèi)檢測器里程定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。本文結(jié)合通徑檢測器的結(jié)構(gòu)及其檢測原理提出了一種新型的焊縫定位方法，結(jié)合里程輪定位法對通徑檢測器的里程定位技術(shù)進(jìn)行了研究。

2） 提出了里程輪短距離打滑系數(shù)，對短距離的里程修正具有指導(dǎo)意義。提出了通徑檢測器因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的里程誤差的修正方法，提高了短距離里程定位精度。

3） 針對同一條管線包含多種不同長度管道的實(shí)際情況，提出了一種可以判斷管道長度的新型焊縫修正方法，進(jìn)一步提高了長距離里程輪定位精度。

4） 由于試驗(yàn)管段的邊界條件單一，給出的打滑系數(shù)不具有普遍適應(yīng)性，僅適應(yīng)于短距離修正。

5） 焊縫定位法僅限于圓焊縫，對于之焊縫和螺旋焊縫管段無法應(yīng)用此方法，因此具有一定的局限性。本文提出的定位方法的準(zhǔn)確性有待于試驗(yàn)驗(yàn)證，是下一步工作的重點(diǎn)。

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Research of Pipeline Distance Measuring Technology for Caliper

LI Xiao-long，ZHANG Shi-min，JIAO Quan，ZHANG Kang，LIAO Ning-sheng
（College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Caliper is widely used in internal pipeline inspection work and the research of distance measuring for the caliper is very significant.Through studying the domestic and foreign related literature，the commonly used pipeline distance measuring technology is summarized and the advantages and disadvantages of different distance measuring technology is analyses in this paper.Based on the structure and inspection principle，a new type of weld positioning method and sliding coefficient of odometer wheel are proposed and have a guiding significance for short distance measuring.A new algorithm is proposed to deal with the mileage error caused by the rotation of caliper and effectively improve precision of the short distance measuring.As to the fact that a same pipeline include many different length pipe，a algorithm that can confirm pipeline length is proposed and further improve precision of long distance measuring.

caliper；distance measuring technology；sliding coefficient；error correction

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.010

1001-3482（2014）12-0040-05

2014-05-31

李曉龍（1988-），男，山東青島人，博士研究生，現(xiàn)主要從事管道清管、內(nèi)檢測裝備研究，E-mail：xiaolongtlee＠163.com。