基于光纖振動傳感技術的清管器定位研究

李強林 張保存 袁洪軍

1. 山東省天然氣管道有限責任公司, 山東 濟南 250000;2. 山東省國實管道天然氣有限公司, 山東 濟南 250000

0 前言

目前,清管技術已經在中國石油、中國石化、中國海洋石油以及地方近10萬km的油氣管道及其他介質管道中得到了廣泛應用[1],清管作業也成為了保證管道輸送效率、介質質量和了解管道基本情況的重要手段。而清管器準確跟蹤定位是清管作業順利進行的保障[2-3]。

在清管器跟蹤定位方面,當前較為普遍的方法是電磁脈沖法,通過接收機在清管器附近地面上接收信號跟蹤位置和定位。李博等人[4]創新使用了一種基于GPS和GSM的清管器智能跟蹤技術;王海明等人[5]論述了基于差壓法的清管器遠程在線跟蹤定位。目前普遍應用的電磁脈沖法可靠方便且能準確定位,但缺點是主要依靠人力、跳點跟蹤,受限于信號接收距離,無法實時跟蹤定位。周琰等人[6]提出的光纖振動檢測方法無論在實時跟蹤和準確定位上都較其他方法具有明顯的優勢,但主要停留在理論實驗階段,尚需探討廣泛的適用性。

因此,在清管器跟蹤定位現有方法基礎上,提出了分布式光纖振動傳感實現實時跟蹤定位。經宣寧線齊河至長清至泰安段管道清管作業實測,定位性能良好,驗證了方法的有效性。

1 光纖振動傳感測量原理

分布式光纖振動傳感系統(DVS)是基于相位敏感光時域反射原理開發的[7]。相位敏感光時域反射儀(φ-OTDR)注入到光纖的光在傳播過程中保持著相同的相位差,具有相同的頻率。系統輸出脈沖寬度區域內探測光是光線中產生的后向瑞利散射光的干涉結果[8]。當光纖某個部位收到擾動時,光相位的變化將引起后向瑞利散射光強度的改變,通過對攜帶了擾動信息的后向瑞利散射光信號進行分析處理后,即可探測和定位外界擾動[9]。

1.1 振動傳感定位

在φ-OTDR分布式光纖傳感系統中,當光纖某處收到振動時,由于彈光效應,該處折射率發生變化,導致該處相位改變[10],由于干涉作用,光相位的變化將導致后向瑞利散射光強度發生變化,將兩個時刻的后向瑞利散射曲線相減即可定位外界擾動信號[11-13],原理見式(1),示意圖見圖1。

(1)

分布式光纖振動傳感系統(DVS)主要由監測主機、振動傳感光纜和監測軟件三部分組成。方案實施階段,主要經歷安裝系統、光纜探測、光纜標定、清管實時監測、分析監測數據五個步驟。管道和光纜同溝敷設可提高定位精度,現場敷設照片見圖2。清管器運行監測系統主要功能有:清管器運行軌跡展示、實時曲線展示、清管器信息展示、曲線坐標軸設置、參數設置與回放。

圖1 清管器振動引發激光干涉突變定位示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser interferometer mutation location caused by pig vibration

圖2 管道和光纜同溝敷設照片Fig.2 Pictures of the same trench laying of pipelines and cables

2 光纖振動傳感現場實驗

系統安裝與光纜探測,泰安站北連接長清站,將DVS監測系統主機安裝在泰安站。其中,泰安至長清光纜長度44.2 km,光纜8芯中有4芯已經使用,其余4芯光纖狀況良好,無明顯單點衰減,有利于實現長距離測量。通過現場對擾動信號的觀察記錄,發現整條線路總體噪聲很少,只有極少數固定位置存在擾動,這種安靜的環境非常有利于有效信號的發現,減少誤判的可能。

2.1 皮碗測徑清管器實時監測分析

2017年2月14日,設備安裝于泰安站，采用機械清管器進行清管作業,可有效跟蹤清管器運行軌跡,并計算清管器在不同管段的運行速度。皮碗測徑清管器實時跟蹤監測分析記錄見表1。

表1 長清至泰安清管跟蹤記錄表

通過數據分析可得到,19.0～21.0 km段、35.0～37.0 km段以及40.0～42.0 km區間段速率接近0,對應清管器該段運行緩慢乃至停球的位置,清管器運行速率有較大不均衡性。

長清至泰安測徑清管器運行軌跡圖見圖3。2月15日16：30到20：37,清管器第一次停滯,位置20 240 m,停滯時長4 h7 min;通過數據分析,可以準確對清管器在管道內的運行狀態進行描述,為排查停球、卡堵點和管道變形提供了準確依據。為及時找到停球點,判斷停球原因是管道變形卡堵還是清管自身停球[14-15],采取了人工錘擊制造較強振動信號標定位置的方法,同時利用電磁脈沖跟蹤儀的定位模式,準確定位停球點[16-17],錘擊和定位標定記錄見表2。

圖3 測徑清管器運行軌跡圖Fig.3 Operation track diagram of caliper pig

表2 光纖振動標定定位記錄表

通過近10次人工錘擊地面,獲取監測到的振動信號位置里程,同停球點位置里程20 240 m進行比對,據此找到了停球位置,開挖發現該處屬于管道變形卡堵,在 4 h 內釋放管道形變后,清管器順利通過該點。利用該方法,清管過程中又相繼找到了測91下游、測102下游等5處卡堵點。

2.2 適用效果分析

光纖振動監測手段用于清管器運動軌跡監測能夠實時準確定位清管器運行情況,更關鍵的是能夠第一時間發現清管器卡堵位置,借助該技術成功找到了宣寧線測80-100管道變形、測91下游、測102下游等5處卡堵點。停球卡堵點現場照片見圖4。

圖4 停球卡堵點現場照片Fig.4 Picture of stoppage jam

在宣寧線第一次漏磁檢測作業中,全程運行中呈現出極低速運行的特征,傳統通過監聽坑來判定設備位置的方法的盲區時間會大大增加[18]。而分布式光纖傳感在線監測技術即使在極低速率下仍可實現監視,體現了光纖傳感在實時監測和定位方面的優勢,為清管作業的順利開展帶來了很大的方便[19-20]。

3 結論

提出一套更加可靠、準確、實時的清管器跟蹤定位組合方案,可以實現全程跟蹤監測清管器運行狀態的目標,清管作業完成后,利用智能清管器數據記錄分析清管器整個運行狀態和管道特征點,可以對特征點二次驗證。下一步,借助搭載在智能清管器(PDL)的定位芯片和采集到的流速、壓力分布數據,開展仿真和實例驗證,以期提高定位精度。