海底管道機(jī)器人定位信號傳播特性實(shí)驗(yàn)研究

李孟杰

中石化石油工程建設(shè)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(jì)、高效的特點(diǎn)，但是運(yùn)行一段時(shí)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(jī)械損傷等原因，管道也會發(fā)生變形或內(nèi)徑變化，管道機(jī)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(fù)等工作都需要對管道機(jī)器人在管道內(nèi)的位置進(jìn)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(yīng)用[4]，也可應(yīng)用于管道內(nèi)機(jī)器人的示蹤定位[5]。在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)[6]、沈陽工業(yè)大學(xué)[7]、清華大學(xué)[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(yīng)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(bào)道比較少見。

低頻電磁定位方法能否應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)度以及能夠辨識的穿透距離[11]。本文設(shè)計(jì)了低頻電磁信號發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，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(jìn)行了穿透性能實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的低頻磁信號發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號能夠穿透雙層管道，具有較強(qiáng)的辨識度，有效接收距離可達(dá)6.4 m，可通過低頻電磁信號幅值的大小實(shí)現(xiàn)對管道機(jī)器人的定位。

1 雙層海底管道機(jī)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(diǎn)，信號可穿透鐵磁管道等導(dǎo)磁導(dǎo)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(jī)器人進(jìn)行定位，系統(tǒng)由安裝在管道內(nèi)機(jī)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(biāo)系

在直角坐標(biāo)系下，當(dāng)接收天線與地面垂直時(shí)，其測量磁感應(yīng)強(qiáng)度x 方向的分量Bx；當(dāng)接收天線與管道平行時(shí)，其測量磁感應(yīng)強(qiáng)度z方向的分量Bz，螺線管在x和z方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度表達(dá)式見式（1）[10]。

式中：Bx為磁感應(yīng)強(qiáng)度x方向的分量，T；Bz為磁感應(yīng)強(qiáng)度z 方向的分量，T；μ 為環(huán)境的磁導(dǎo)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(biāo)值，m。

根據(jù)式（1），對發(fā)射線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值分析計(jì)算，磁感應(yīng)強(qiáng)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(jì)算可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度在x方向上的分量|Bx|呈雙峰分布，當(dāng)接收天線位于發(fā)射天線正上方時(shí)，信號強(qiáng)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(dāng)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(shí)現(xiàn)管道機(jī)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(qiáng)屏蔽性，且目前文獻(xiàn)報(bào)道中定位技術(shù)主要針對單層管道，為了驗(yàn)證該定位方法能否應(yīng)用于雙層輸油管道，本文設(shè)計(jì)了基于低頻電磁信號的雙層輸油管道的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)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(jī)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(yīng)強(qiáng)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(jì)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(yīng)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(yīng)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(yīng)定律，變化的磁場產(chǎn)生變化的電場，本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中，盡可能地減小磁芯的長度，以更準(zhǔn)確地測量線圈所在點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(shè)線圈的匝數(shù)為n，則接收線圈的感應(yīng)電動勢ε可由式（4）計(jì)算。

由式（4）可知，相同尺寸、相同磁感應(yīng)強(qiáng)度條件下，選用的漆包線直徑越小，匝數(shù)越多，感應(yīng)出的電動勢越大，接收天線輸出信號越強(qiáng)。實(shí)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(shí)驗(yàn)研究

管道機(jī)器人工作的環(huán)境是雙層海底石油管道，因此，其真實(shí)的工作環(huán)境在實(shí)驗(yàn)室中較難搭建，本實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度的衰減規(guī)律。

低頻電磁發(fā)射器和接收器的實(shí)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(shí)物圖

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度。

3.2 不同介質(zhì)衰減特性實(shí)驗(yàn)

在本次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場照片

每組實(shí)驗(yàn)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(biāo)原點(diǎn)；接收器x、z坐標(biāo)為0不變，改變接收器的相對位置y；當(dāng)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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)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(jìn)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(dāng)發(fā)射器置于DN150 雙層管道內(nèi)，信號強(qiáng)度約為空氣中的1/1 965；海水中的信號強(qiáng)度約為空氣中的1/5。在實(shí)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(shí)際檢測距離可達(dá)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(jī)器人的定位。

4 結(jié)束語

為了驗(yàn)證低頻電磁信號能否應(yīng)用于雙層海底輸油管道，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了參數(shù)擬合等效折算。當(dāng)空氣中能傳播80 m時(shí)，信號穿透雙層金屬管道后有效傳播距離可達(dá)6.4 m，低頻電磁信號可應(yīng)用于海底雙層輸油管道內(nèi)管道機(jī)器人的定位。