CN102966850B - 一种管道走向的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种管道走向的检测方法，包括：通过球形内检测器获取加速度信号、角速度信号、地磁场信号及时间信息；对所述加速度信号、所述角速度信号和所述地磁场信号进行处理后，分别获取加速度信号幅值与时间的关系图、欧拉角幅值与时间的关系图和磁场信号幅值与时间的关系图；通过所述加速度信号幅值与时间的关系图、所述欧拉角幅值与时间的关系图和所述磁场信号幅值与时间的关系图确定输油管道的各段走向。本方法有效的避免了扫描盲区，使检测更加方便、快速，检测精度更高；适用于对海底管道和复杂管网环境下的管道检测，扩大了实际应用中的范围。

Description

一种管道走向的检测方法

技术领域

本发明涉及对管道的检测，特别涉及一种管道走向的检测方法。

背景技术

管道运输作为现代流体输送的重要方式之一，广泛应用在石油天然气工业、化学工业和自来水工业等领域，及时准确的管道损伤检测是管道安全和高效运行的基本保障。管道在投产后需要利用管道内检测器对其技术状况进行跟踪检测，以便在管道发生泄漏之前就能及时发现并主动进行修复。为了能根据管道内检测器的检测信息对管线进行维护，就必须确切知道管线的精确位置，从而避免现场开挖维护的盲目性。

国内的陆地管道设置有标注桩，但缺少充分的标注信息，而且管道的施工信息经常缺失，使得埋在地下管道的精确位置变得无从得知。对于海底管道，由于人工作业、洋流和地壳运动等影响，导致海底管道位置极不稳定。这给对陆地管线和海底管线的维护带来极大的不便。同时，海底管线与陆地管线在内外温差和压差较大时，由于受到地基土的约束作用，无法自由变形，在管线的内部产生附加应力，使管线发生竖向或水平向的弯曲。较大的屈曲变形一方面可能导致管线中的弯曲应力增大，接近或达到钢材的屈服强度，对管线的安全运营造成威胁；另一方面屈曲变形可能导致管线配重层、保温层结构遭到破坏甚至进水，影响管线的正常使用；此外，发生变形的海底管线容易受到渔业活动和船只航行的影响，增加安全隐患。如果能够检测陆地管线和海底管线的走向，得到管线的局部屈曲变形信息，进而求出管线的应力分布，则可以对管线进行有效的风险评估，并提前做好维护，防患于未然。

海底管道走向定位技术目前还没有得到实际应用。首先因为水下距离长，中部无法接近，两端所能获得的信息有限，现有陆地管道所采用的金属管线探测仪在海底无法应用。其次，现有的导航定位技术主要为全球卫星定位系统（GPS）和捷联惯性导航系统。然而管道内由于电磁屏蔽效应使得GPS信号无法正常接收，而传统的捷联惯性导航系统由于累积误差大也并不适合长距离导航。最后，由于水下作业困难，为了保证及时对海底管道进行修补工作，这就要求检测与定位既要及时又准确，在技术上提出了更高的要求，这成为保障油气工业安全生产而亟待解决的问题。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

现有陆地管道大都采用金属管线探测仪，由人携带仪器在已知管道附近地面扫描检测管道走向，通常需要首先知道管道大体位置才能实施检测，同理这种方法无法应用于海底管道检测。总之，目前还没有非常合适的方法满足海底与陆地管道走向检测的需求。

发明内容

本发明提供了一种管道走向的检测方法，该方法适用于海底管道和复杂管网环境下的管道检测，扩大了实际应用中的范围，该方案具体为：

通过球形内检测器获取加速度信号、角速度信号、地磁场信号及时间信息；

对所述加速度信号、所述角速度信号和所述地磁场信号进行处理后，分别获取加速度信号幅值与时间的关系图、欧拉角幅值与时间的关系图和磁场信号幅值与时间的关系图；

通过所述加速度信号幅值与时间的关系图、所述欧拉角幅值与时间的关系图和所述磁场信号幅值与时间的关系图确定输油管道的各段走向。

所述通过球形内检测器获取加速度信号、角速度信号、地磁场信号及时间信息具体为：

1）将上好电的所述球形内检测器放入待检测管段首端的清管器发球筒内，按照清管器发球流程发球，将所述球形内检测器发射到管道内，在管内油品的推动下滚动；

2）在滚动过程中，由所述球形内检测器的IMU惯性测量单元采集所述球形内检测器滚动的所述加速度信号、所述角速度信号和所述地磁场信号；由ARM处理器记录所述时间信息，将采集到的四种信息存储至Micro SD存储卡中；

3）根据管道内油品的平均流速及管道长度，获取所述球形内检测器到达输油管道末端的时间，当所述球形内检测器通过设在管道末端收球筒上的指示器时，清管器收球筒回收所述球形内检测器；

4）打开所述球形内检测器的密封头，通过USB线缆连接所述球形内检测器内接口电路板上的Mini USB接口与计算机，传输所述Micro SD存储卡所记录的所述加速度信号、所述角速度信号、所述地磁场信号及时间信息。

所述对所述加速度信号、所述角速度信号和所述地磁场信号进行处理具体为：

对所述角速度信号、所述地磁场信号和所述加速度信号进行滤波、降噪和标定处理。

所述通过所述加速度信号幅值与时间的关系图、所述欧拉角幅值与时间的关系图和所述磁场信号幅值与时间的关系图确定输油管道的各段走向具体为：

1）计算磁场矢量在管道横剖面的投影与管道轴线之间夹角φ；

2）当夹角变化时，利用对应时刻IMU惯性测量单元分析球形内检测器在水平面上的位移变化，确定夹角的最终取值；

3）输油管道的各段走向为：夹角的最终取值与磁偏角的和。

夹角为正时定义为：管道轴线方向在地磁场顺时针方向；夹角为负时定义为：管道轴线方向在地磁场逆时针方向；夹角不变时，管道走向不发生改变。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本方法克服了传统GPS和捷联惯性导航系统在管道走向检测中的不足，采用管道内地磁场信息为主要导航参数，将球形内检测器投放到管道中进行检测，无需提前知道管道的大体位置，且免去人工携带，有效的避免了扫描盲区，使检测更加方便、快速，检测精度更高；本方法适用于对海底管道和复杂管网环境下的管道检测，扩大了实际应用中的范围。

附图说明

图1为球形内检测器结构示意图；

图2为球形内检测器内部电子系统框图；

图3为被检测管道截面示意图；

图4为加速度信号幅值与时间的关系图；

图5为欧拉角信号幅值与时间的关系图；

图6为磁场信号幅值与时间的关系图；

图7为管道内坐标系示意图；

图8为某管网局部走向重构图；

图9为根据管道标记桩绘制的局部管道走向图；

图10为在某管网局部A→E段中，球形内检测器采集的磁场强度数据统计曲线；

图11为一种管道走向的检测方法的流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：密封头；                2：连通孔；

3：聚氨酯泡沫层；          4：锥形孔；

5：球形承压铝壳体；        6：螺钉

7：接口电路板；            8：6芯排线；

9：核心电路板；            10：8芯排线；

11：电源电路板；           12：USB接口；

13：ARM处理器；            14：SDRAM内存；

15：NAND Flash存储器；     16：Micro SD存储卡；

17：晶体振荡器；           18：电源模块；

19：可充电锂电池；         20：IMU惯性测量单元；

21：发球筒快开盲板；       22：发球筒；

23：球形内检测器；         24：首端支线阀；

25：首端主阀；             26：首端发球阀；

27：末端主阀；             28：末端支线阀；

29：末端收球阀；           30：球通过指示器；

31：收球筒；               32：收球筒快开盲板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

101：将上好电的球形内检测器放入待检测管段首端的清管器发球筒内，按照清管器发球流程发球，将球形内检测器发射到管道内，在管内油品的推动下滚动；

102：在滚动过程中，由球形内检测器的IMU惯性测量单元20采集球形内检测器滚动的加速度信号、角速度信号和地磁场信号；由ARM处理器记录时间信息，将采集到的四种信息存储至Micro SD存储卡16中；

103：根据管道内油品的平均流速及管道长度，获取球形内检测器到达输油管道末端的时间，当球形内检测器通过设在管道末端收球筒上的指示器时，清管器收球筒回收球形内检测器；

其中，指示器显示是否有物体通过，当有物体通过时，施工人员则回收球形内检测器。

104：打开球形内检测器的密封头，通过USB线缆连接球形内检测器内接口电路板上的Mini USB接口与计算机，传输Micro SD存储卡16所记录的加速度信号、角速度信号、地磁场信号及时间信息；

105：对加速度信号、角速度信号和地磁场信号进行处理后，分别获取加速度信号幅值与时间的关系图、欧拉角幅值与时间的关系图和磁场信号幅值与时间的关系图；

其中，该步骤具体为：对角速度信号、地磁场信号和加速度信号进行滤波、降噪和标定后，分别得到欧拉角θ_x、θ_y、θ_z幅值与时间关系图5；磁场信号B_x、B_y、B_z幅值与时间关系图6；加速度信号a_x、a_y、a_z幅值与时间关系图4。

106：通过加速度信号幅值与时间的关系图、欧拉角幅值与时间的关系图和磁场信号幅值与时间的关系图确定输油管道的各段走向。

其中，该步骤具体为：

1）计算磁场矢量

在管道横剖面的投影与管道轴线之间夹角φ：

$\mathrm{\φ}=\±\arccos \frac{\sqrt{{\left(\frac{A_z}{\left|B\right|}\right)}^2-{(\mathrm{\α}\×\sin \mathrm{\δ})}^2}}{\mathrm{\μ}\×\cos \mathrm{\δ}}---\left(1\right)$

式1中地磁场衰减系数α满足

$\mathrm{\α}=\frac{2R}{2R+{\mathrm{\μ}}_{r}d}---\left(2\right)$

计算磁传感器各个轴信号B_x、B_y、B_z的峰峰值，得到对应的A_x、A_y、A_z，其中幅值最大者为A_z；δ为磁倾角，在局部地区为定值（例如：廊坊磁偏角θ为-6.47°）；|B|为地磁场强度幅值，在局部地区为定值；μ为管道的轴向屏蔽系数；R为管道外径，μ_r为管道材料的相对磁导率，d为壁厚。

由式1计算出的夹角φ当管道轴线方向在地磁场顺时针方向定义为正，当管道轴线方向在地磁场逆时针方向定义为负；当夹角φ不变时，管道走向不发生改变。

2）球形内检测器放入时，起始管道的夹角φ已知，比较前后两次夹角φ值，当夹角φ变化时，利用对应时刻IMU惯性测量单元20分析管道内检测器在水平面上的位移变化进一步确定夹角的最终取值；

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\→}{s_{\mathrm{\ξ}}}\\ \stackrel{\→}{s_{\mathrm{\η}}}\\ \stackrel{\→}{s_{\mathrm{\ζ}}}\end{array}\right]=\∫\left[\begin{array}{c}\stackrel{\→}{a_{\mathrm{\ξ}}}\\ \stackrel{\→}{a_{\mathrm{\η}}}\\ \stackrel{\→}{a_{\mathrm{\ζ}}}\end{array}\right]=\∫{\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& {-\sin \mathrm{\θ}}_z& {\sin \mathrm{\θ}}_z\\ 0& {-\sin \mathrm{\θ}}_z& {\cos \mathrm{\θ}}_z\end{array}\right]}^T\·{\left[\begin{array}{ccc}{\cos \mathrm{\θ}}_y& 0& {-\sin \mathrm{\θ}}_y\\ 0& 1& 0\\ {\sin \mathrm{\θ}}_y& 0& {\cos \mathrm{\θ}}_y\end{array}\right]}^T\·{\left[\begin{array}{ccc}{\cos \mathrm{\θ}}_x& {\sin \mathrm{\θ}}_x& 0\\ {-\sin \mathrm{\θ}}_x& {\cos \mathrm{\θ}}_x& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]}^T\·\left[\begin{array}{c}\stackrel{\→}{a_x}\\ \stackrel{\→}{a_y}\\ \stackrel{\→}{a_z}\end{array}\right]---\left(3\right)$

式中：a_ξ、a_η、a_ζ为管道内坐标系中的加速度；θ_x、θ_y、θ_z为IMU惯性测量单元20实时输出的欧拉角；a_x、a_y、a_z为IMU惯性导航单元20输出的数据；s_ξ、s_η、s_ζ为管道内检测器在管道内的位移。

即通过公式（3），对夹角φ进行了进一步的删选（去掉了一个取值），得到了夹角φ的唯一值即夹角的最终取值。

3）管道走向等于夹角的最终取值和磁偏角的和。

本方法测得的管道走向为水平方向上的管道走向。

下面结合具体的实施方式对一种管道走向检测方法进行详细的描述，以图1和图2中的球形内检测器为例进行说明：

图1中5为球形内检测器的球型承压铝壳体，该壳体由两个半球铝壳体以子口对接并通过3～6个M4*5紧固螺钉6紧固构成，在下半球铝壳上设置有放置O型密封圈的凹槽，两个半球铝壳间构成径向密封方式，铝球壳外径Φ100mm，壁厚8mm，设计耐压≧5MPa；聚氨酯泡沫层3紧密贴合于球形承压铝壳体上，该泡沫层厚度为30mm；聚氨酯泡沫层上开设锥形孔4，该锥形孔大孔径Φ15mm，小孔径Φ10mm，开设这样的锥形孔8个；在上半球铝壳体的顶部开有螺纹的连通孔2，该螺纹连通孔内螺纹为M16*15，与该连通孔密封配合的是密封头1，该密封头外螺纹为M16*13，在该半球铝壳体内，电路板7与核心电路板9以3～6个M3*5螺钉连接固定在铝壳体内壁的凸台上，在接口电路板上设置有Mini USB接口、控制系统上电和断电的拨动式机械开关及多种颜色状态指示灯；在核心电路板9上设置有ARM处理器13，该处理器为ARM9系列的S3C2440，主频为400MHz；与该处理器连接的电子器件是：IMU惯性测量单元20，型号为ADIS16405，该测量单元内含基于MEMS的三轴数字加速度计、陀螺仪与磁力计，它们通过SPI接口输出三维的数字加速度、角速度及磁信号；晶体振荡器17，频率为12MHz；USB接口12，为标准的Mini USB接口；SDRAM内存14，型号为MT48LC16M16A2，容量为64Mbit；NAND Flash存储器15，型号为K9F2G08U0A，容量为256MB；Micro SD存储卡16，容量为4GB；接口电路板7与核心电路板9通过6芯排线8实现电气连接；在下半球铝壳内设置有电源电路板11，在该电路板上设置有3.7V可充电锂电池21，容量为9.8Ah；电源模块18，该电源模块包括升压开关型DC-DC芯片NCP1450A，将3.7V电池电压升至5V，输出能力1A，降压开关型DC-DC芯片NCP1550，将3.7V电池电压降为3.3V，输出能力为2A。电源电路板11通过8芯排线10与上半球铝壳内的核心电路板9实现电器连接，并向整体电子系统供电。

利用上述球形内检测器在廊坊中石油管道科技研究中心的试验管道进行了多次管道走向检测试验，该试验管道全场2.5Km，管道内径168mm，水介质，在管道首末端安装有用于发射及接收清管器的收、发球筒，清管器（pig）是在管道内输送介质的推动下前进，用于清洁管壁及监测管道内部状况的工具。在该试验管道进行的某次检测试验的步骤如下：

1)参见图3，正常情况下，输送介质从上游经由首端干线通过首端主阀25与末端主阀27经由末端干线流向下游，首端支线阀24、末端支线阀28、首端发球阀26、末端收球阀29均处于关闭状态；发球时：打开发球筒快开盲板21，将上好电的球形内检测器23推入发球筒22内顶紧，关闭快开盲板21，打开首端支线阀24，平衡首端发球阀26两端的压力，打开首端发球阀26后关闭首端主阀25，该球形内检测器在管道内液体的推动下开始滚动，记下此时时间为16:49，在该时刻，由球形内检测器的加速度计、陀螺仪、磁力计同时采集数据信号；发球完成后，打开首端主阀25，关闭首端支线阀24和首端发球阀26；

2)根据首端流量计显示瞬时流量为146.6m³/h，则流速为1.83m/s，计算球形内检测器到达末端的时间约为17:11，在17:05时，在管道末端准备收球，按顺序打开末端收球阀29，末端支线阀门28，将末端主阀门27部分或全部关闭，待球通过指示器30检测到球通过信号，表明该球形内检测器已进入收球筒31，记下此时的时间为17:10，打开末端主阀32，关闭末端收球阀29及末端支线阀28，打开收球筒快开盲板32，取出上述球形内检测器，关闭收球筒快开盲板21；

3)通过USB线缆连接球形内检测器内接口电路板上的Mini USB接口12与计算机，传输球形内检测器内Micro SD存储卡16所记录的数据到计算机，利用上位机程序分析处理采集到的数据。

4)在管道内定义坐标系oξηζ，如图7所示，其中

轴平行于管道轴线，

轴水平且与垂直，

轴与

垂直。

实验中取R=89.5mm，μ_r=500，d=4mm，然后标定轴向系数μ，起始段管道走向为-4°，磁偏角θ为-6.47°，则φ＝2.47°。再根据δ=-58.08°、|B|=0.541444Gauss和B_z＝0.28262Gauss，得

在该埋地环形管道进行了多次实验，取其中10次实验结果，对管道中典型段A→E段的数据统计如下：

检测磁场A_z(Gauss)强度统计结果

由上述统计结果可以看出由球形内检测器采集的数据A_z具有稳定性，数据可靠；将R、μ_r、d、μ和A→B段A_z的均值代入公式（1）和（2）中，得出夹角φ=±8°，根据管道转弯前后加速度和陀螺仪输出惯性导航数据a_ξ、a_η、a_ζ和θ_x、θ_y、θ_z，计算得球形管道内检测器在此转弯处前后共约6秒内位移为

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\→}{s_{\mathrm{\ξ}}}\\ \stackrel{\→}{s_{\mathrm{\η}}}\\ \stackrel{\→}{s_{\mathrm{\ζ}}}\end{array}\right]=\∫\left[\begin{array}{c}\stackrel{\→}{a_{\mathrm{\ξ}}}\\ \stackrel{\→}{a_{\mathrm{\η}}}\\ \stackrel{\→}{a_{\mathrm{\ζ}}}\end{array}\right]=\∫{\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& {-\sin \mathrm{\θ}}_z& {\sin \mathrm{\θ}}_z\\ 0& {-\sin \mathrm{\θ}}_z& {\cos \mathrm{\θ}}_z\end{array}\right]}^T\·{\left[\begin{array}{ccc}{\cos \mathrm{\θ}}_y& 0& {-\sin \mathrm{\θ}}_y\\ 0& 1& 0\\ {\sin \mathrm{\θ}}_y& 0& {\cos \mathrm{\θ}}_y\end{array}\right]}^T\·{\left[\begin{array}{ccc}{\cos \mathrm{\θ}}_x& {\sin \mathrm{\θ}}_x& 0\\ {-\sin \mathrm{\θ}}_x& {\cos \mathrm{\θ}}_x& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]}^T\·\left[\begin{array}{c}\stackrel{\→}{a_x}\\ \stackrel{\→}{a_y}\\ \stackrel{\→}{a_z}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-4.6m\\ -0.3m\\ 6.1m\end{array}\right]$

得到

根据图7中建立的坐标系可知，在这段时间内球形内检测器平动轨迹为向左偏转，由此可得管道轨迹在该处发生向左的改变；取φ=+8°。结合此处磁偏角θ为-6°28'，得此处管道走向约为北偏东1°，而根据施工标志桩在google地图上测得此段管道走向约为北偏西3°，偏差约4°；B→C段管道：A_z＝0.1399G，φ＝-60°44'，结合磁偏角得此段走向为北偏西67°12'，实际走向约为北偏西69°，偏差约2°；C→D段管道：A_z＝0.2554G，φ＝-26°49'，结合磁偏角θ得此段走向为北偏西33°14'，实际走向约为北偏西30°，偏差约3°；D →E段管道：A_z＝0.0367G，φ＝28°38'，结合磁偏角θ得此段走向为北偏西89°，地图上利用标志桩测量本段管道走向约为北偏西85°，误差约4°；对A→E段数据分析，重构走向如图8所示，其与图9所示根据管道标志桩所重构的A→E段管道地图几乎重合，证明本方法的可行，为管道走向检测提出一种新的方法。

技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种管道走向的检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）通过球形内检测器获取加速度信号、角速度信号、地磁场信号及时间信息；

（2）对所述加速度信号、所述角速度信号和所述地磁场信号进行处理后，分别获取加速度信号幅值与时间的关系图、欧拉角幅值与时间的关系图和磁场信号幅值与时间的关系图；

（3）通过所述加速度信号幅值与时间的关系图、所述欧拉角幅值与时间的关系图和所述磁场信号幅值与时间的关系图确定输油管道的各段走向；

其中，步骤（1）具体为：

1）将上好电的所述球形内检测器放入待检测管段首端的清管器发球筒内，按照清管器发球流程发球，将所述球形内检测器发射到管道内，在管内油品的推动下滚动；

2）在滚动过程中，由所述球形内检测器的IMU惯性测量单元采集所述球形内检测器滚动的所述加速度信号、所述角速度信号和所述地磁场信号；由ARM处理器记录所述时间信息，将采集到的四种信息存储至Micro SD存储卡中；

3）根据管道内油品的平均流速及管道长度，获取所述球形内检测器到达输油管道末端的时间，当所述球形内检测器通过设在管道末端收球筒上的指示器时，清管器收球筒回收所述球形内检测器；

4）打开所述球形内检测器的密封头，通过USB线缆连接所述球形内检测器内接口电路板上的Mini USB接口与计算机，传输所述Micro SD存储卡所记录的所述加速度信号、所述角速度信号、所述地磁场信号及所述时间信息；

其中，步骤（3）具体为：

1）计算磁场矢量在管道横剖面的投影与管道轴线之间夹角；

2）当夹角变化时，利用对应时刻IMU惯性测量单元分析球形内检测器在水平面上的位移变化，确定夹角的最终取值；

3）输油管道的各段走向为：夹角的最终取值与磁偏角的和。

2.根据权利要求1所述的一种管道走向的检测方法，其特征在于，所述对所述加速度信号、所述角速度信号和所述地磁场信号进行处理具体为：

对所述角速度信号、所述地磁场信号和所述加速度信号进行滤波、降噪和标定处理。

3.根据权利要求1所述的一种管道走向的检测方法，其特征在于，所述夹角为正时定义为：管道轴线方向在地磁场顺时针方向；夹角为负时定义为：管道轴线方向在地磁场逆时针方向；夹角不变时，管道走向不发生改变。

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