基于分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的清管器跟蹤定位

摘 ?要：針對清管器跟蹤定位設(shè)備無法實時連續(xù)跟蹤的問題，將與油氣管道伴行的通信光纜作為振動傳感器，接入分布式光纖測振系統(tǒng)，實現(xiàn)清管器工作過程中的跟蹤定位。清管器經(jīng)過管道焊接縫隙時會發(fā)生撞擊產(chǎn)生強烈振動波，通過采集和識別此種特殊的振動信號，經(jīng)過時域和空域的分析，實現(xiàn)清管器實時跟蹤定位。現(xiàn)場實驗證明該技術(shù)可以有效進行清管器的實時跟蹤定位，具有很高的工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：分布式光纖傳感;油氣管道;清管器;實時跟蹤定位

中圖分類號：TP211;TP212 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）05-0138-03

Tracking and Locating of the Pipeline Pig Based on Distributed Optic-Fiber Vibration Sensing System

QU Honghai

（Wuhan WUTOS Co.， Ltd.， Wuhan ?430223， China）

Abstract： In view of the problem that the pipeline pig tracking and positioning equipment can not track continuously in real time， the communication optical cable associated with the oil and gas pipelines is used as the vibration sensor and connected to the distributed optic-fiber vibration measurement system to realize the tracking and positioning during the operation of the pipeline pig. When the pipeline pig passes through the welding gap of the pipe， it will occur an impact and produce a strong vibration wave. By collecting and identifying this special vibration signal， the real-time tracking and positioning of the pipeline pig is realized through the time domain and airspace analysis. Field experiments prove that this technology can effectively conduct real-time tracking and positioning of pipeline pig， and has high engineering application value.

Keywords： distributed optic-fiber sensing; oil and gas pipeline; pipeline pig; real-time tracking and locating

0 ?引 ?言

清管器的跟蹤定位在清管作業(yè)過程中是一項極為重要的內(nèi)容，需要在清管作業(yè)過程中，及時檢測到卡球情況，從而避免作業(yè)事故的發(fā)生。當前，通常采用的清管器跟蹤方法主要有放射性同位素法、機械法、聲波法、壓力法和磁場法等[1-4]。以上的方法均需要耗費大量的人力和物力，在需要監(jiān)測的管道沿線提前布設(shè)檢測儀器，在清管器作業(yè)期間進行依賴于人工方式的清管器定位，無法實時連續(xù)地進行清管器跟蹤[5-10]。

利用分布式光纖振動傳感技術(shù)，將油氣管道的伴行通信光纜作為振動傳感器接入分布式測振儀表，采集油氣管道沿線的振動信號。清管器在油氣管道內(nèi)作業(yè)的行進過程中，在經(jīng)過管道焊接縫隙時，會與管道焊接縫隙撞擊產(chǎn)生強烈的振動波，分布式光纖振動傳感系統(tǒng)通過采集和識別此種特殊的振動信號，進行振動源的時間和空間定位，從而實現(xiàn)清管器振動信號跟蹤定位[11，12]。

1 ?檢測原理

分布式光纖振動傳感系統(tǒng)基于相干瑞利散射原理實現(xiàn)振動探測[13-20]，接入一根普通單模光纖作為振動傳感器，采集油氣管道沿線的所有振動信號。設(shè)置光纜中的每個探測單元對應(yīng)10 m的距離，即：對于一條實際長度為50 km的光纖鏈路，其包含的探測單元數(shù)量為5 000（50 km/10 m）。當全段光纜共包含N個探測單元，這N個探測單元的位置是連續(xù)的，每個探測單元的序號代表了其對應(yīng)的空間位置。因此，分布式光纖振動傳感系統(tǒng)在每一時刻采集到的數(shù)據(jù)就是一個1行N列的矩陣。將各個時刻采集的數(shù)據(jù)矩陣進行拼接，即得到一段時間內(nèi)的全段振動信號矩陣，此矩陣的橫軸為距離，縱軸為時間，由全段振動信號矩陣繪制而成的光纖振動數(shù)據(jù)圖像，稱之為振動瀑布圖。

清管器在油氣管道內(nèi)作業(yè)的行進過程中，經(jīng)過管道焊接縫隙時，與管道焊接縫隙撞擊會產(chǎn)生強烈的振動波，并且振動波會沿著金屬管壁向前后兩個方向傳播。因此，每一次清管器與管道焊接縫隙的撞擊，在一段區(qū)域振動波形所繪制的瀑布圖上，會呈現(xiàn)出一個類似“字母V”的形狀，如圖1所示，為某次清管器作業(yè)過程中的20秒全段振動瀑布圖?！白帜竀”的底端所在位置，即指示了這次撞擊的振動源的位置，根據(jù)縱軸對應(yīng)的時間點，即可得到這次撞擊發(fā)生的時刻。通過提取每次清管器與管道焊接縫隙撞擊發(fā)生的時刻和位置，即可推算清管器在管道中行進的速度和狀態(tài)。

2 ?信號分析

2.1 ?數(shù)據(jù)預(yù)處理

激勵定位計算步驟如下：

（1）每一時刻，讀取各個監(jiān)測單元的原始信號。利用與油氣管道同溝敷設(shè)的通信光纜其中空余的一芯作為傳感光纜，在整條光纖鏈路上，按照距離，將光纖劃分為多個相等長度的小段，每個小段稱為1個監(jiān)測單元（實現(xiàn)分布式）。記采樣率為f，監(jiān)測單元數(shù)量為N，則得到f×N的矩陣。

（2）對每秒原始信號矩陣的每一列（即每個監(jiān)測單元的時域數(shù)據(jù)），進行差分運算，即每個數(shù)據(jù)點的后一點與其相減，D（an）=an+1-an，再取絕對值，當外界振動作用于傳感光纜時，探測信號的波動范圍會增大，通過差分運算，可以描述信號波動范圍變化的程度。

（3）對上一步的矩陣按行進行分幀，記幀數(shù)為d，對每一幀，求每列的最大值，得到d×N的矩陣。即：將每一時刻的數(shù)據(jù)劃分為d個時間片段，取每個片段的最大值，用以進一步增強探測到的振動信號。

（4）將各個時刻得到的數(shù)據(jù)矩陣進行拼接，即得到一段時間內(nèi)的全段振動信號矩陣，用于繪制成光纖振動數(shù)據(jù)圖像。

2.2 ?清管器跟蹤

清管器在行進過程中與管道焊接縫隙的每一次撞擊，產(chǎn)生的振動激勵都會在振動瀑布圖上產(chǎn)生一個類似“字母V”的形狀。因此，需要對每個“字母V”形狀的底部進行提取和定位。振動激勵定位包括以下步驟：

（1）對一段時間內(nèi)的全段振動信號矩陣，采用最大類間方差法進行二值化，得到二值化01矩陣，如圖2所示。

（2）對01矩陣進行霍夫變換，找到區(qū)域中存在的直線線段。篩選出斜率小于-k的直線線段存入組a，篩選出斜率大于k的直線線段存入組b，該斜率由聲波在金屬管壁介質(zhì)中的傳播速度確定，如圖3所示，為清管器作業(yè)振動數(shù)據(jù)線段提取結(jié)果。

（3）對于組a中的每條直線線段，查找其與組b中的各條直線線段是否存在交點，若與組b的其中一條直線線段存在交點，則這個交點即為清管器引起的振動源，讀取這個交點的橫軸坐標（清管器所在位置）和縱軸坐標（據(jù)此可以得到清管器行進到這個位置的具體時刻）。若與組b中的多條直線線段存在交點，則取縱軸坐標位于最上邊的交點（對應(yīng)最新的時刻）。

（4）通過定位清管器在多個時刻的位置，可以對清管器的行進狀態(tài)進行全過程的實時跟蹤，并可以根據(jù)清管器的行進狀態(tài)對其到達指定位置的時間進行預(yù)判。清管器定位結(jié)果如圖4所示，每個圓圈代表一次定位結(jié)果。

得到清管器在這個時間段內(nèi)的行進狀態(tài)信息，如表1所示。

3 ?運行效果

在某天然氣管道清管作業(yè)期間開展了現(xiàn)場試驗。通過光纖跳線，將天然氣管道伴行光纜的其中一芯接入，所選取用于測振的單模光纖損耗約為0.24 dB/km。光纜與管道同溝敷設(shè)，位于管道上方。監(jiān)測距離約23 km，沿途共設(shè)置有20個標識樁（命名為00#-19#）。使用直碟混合型清管器進行清管作業(yè)。清管器作業(yè)過程中，到達各標識樁的時刻記錄如表2所示。

可以估算得到，在清管過程中，清管器的行進速度約為240～360 m/min，數(shù)據(jù)整體斜率較為一致，清管器在作業(yè)期間未出現(xiàn)阻塞情況。利用分布式光纖振動傳感系統(tǒng)能夠?qū)η骞芷鞯男羞M狀態(tài)進行有效的實時監(jiān)測。

4 ?結(jié) ?論

分布式光纖振動傳感系統(tǒng)通過接入油氣管道的伴行光纜作為振動傳感器，采集油氣管道沿線的所有振動信號，并通過識別和提取清管器在作業(yè)行進過程中產(chǎn)生的特殊振動信號，對清管器進行實時跟蹤定位。其設(shè)備安裝簡單，對清管器位置和行進狀態(tài)進行全過程實時在線跟蹤，可以大幅度降低清管跟蹤作業(yè)成本和人工勞動強度，通過現(xiàn)場實驗，驗證了該技術(shù)的可行性和有效性。此技術(shù)不需布設(shè)安裝額外的監(jiān)測設(shè)備，不依賴除光纖以外的任何條件，具有很高的工程應(yīng)用價值，是未來清管器跟蹤定位技術(shù)的重要發(fā)展方向。

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作者簡介：渠紅海（1978.09—），男，漢族，江蘇徐州人，中級職稱，研究方向：油氣泄露綜合監(jiān)測。