地下金屬管道位移監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

張維軍

（甘肅省建筑科學(xué)研究院（集團(tuán)）有限公司，甘肅 蘭州 730070）

隨著地下金屬管道鋪設(shè)范圍逐漸擴(kuò)大，管道在地下狀態(tài)也在隨時(shí)發(fā)生變化。地下金屬管道不可避免地要經(jīng)過微震、地震等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)，在發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，由于管道管身受到自身重力和來(lái)自地面的巨大壓力導(dǎo)致彎曲變形，更嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致管道完全破損，管道中的液體溢出，一方面會(huì)造成極大地環(huán)境污染，另一方面也會(huì)造成資源的浪費(fèi)。因此，對(duì)地下金屬管道的狀況進(jìn)行定期檢查是非常必要的[1]。在檢查過程當(dāng)中，針對(duì)管道出現(xiàn)的問題應(yīng)及時(shí)做好記錄，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)判斷管道是否完整并找出管道當(dāng)前的最大問題，比如當(dāng)金屬管道出現(xiàn)了變形，則需要找到變形程度最大的部位進(jìn)行重點(diǎn)評(píng)估，借此避免在輸送過程中管道因變形而失效。

傳統(tǒng)地下金屬管道位移的檢測(cè)方法是在地震高發(fā)區(qū)安裝監(jiān)控或探測(cè)儀來(lái)判斷該地區(qū)的金屬管道是否會(huì)發(fā)生位移。在進(jìn)行具體操作的時(shí)候，需要挖開檢測(cè)區(qū)域的管道，大大局限了監(jiān)測(cè)管道的范圍，效果微弱，效率低下[2]。為提高地下金屬管道監(jiān)測(cè)的質(zhì)量，設(shè)計(jì)一種麻醉測(cè)量單元(anaesthetist Measurement Unit)進(jìn)行地下金屬管道位移檢測(cè)。相比于傳統(tǒng)方法的監(jiān)測(cè)局限性，該方法可以高效快速地發(fā)現(xiàn)地下金屬管道發(fā)生位移的位置以及距離，根據(jù)金屬管道特征點(diǎn)的位置通過信息測(cè)繪判斷出管道是否發(fā)生了形變，為地下金屬管道的完整性和安全運(yùn)行提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

1 地下金屬管道位移監(jiān)測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

管道中心線和應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)包括內(nèi)部檢測(cè)器、地面校準(zhǔn)箱和變送器。受設(shè)備檢測(cè)和空間條件的影響，將檢測(cè)的核心單元設(shè)定為IMU慣性單元，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)快速連接檢測(cè)儀器。通過對(duì)測(cè)繪系統(tǒng)的控制，探測(cè)器主要由三路陀螺儀和陀螺儀構(gòu)成，監(jiān)測(cè)設(shè)備根據(jù)已經(jīng)調(diào)整好的頻率和速度對(duì)底線金屬管道進(jìn)行探測(cè)，并自動(dòng)生成并采集金屬管道在發(fā)生位移時(shí)的速度和里程表數(shù)據(jù)。當(dāng)金屬管道位移結(jié)束后，該探測(cè)器則會(huì)將地下金屬管道在位移過程中的所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)到系統(tǒng)存儲(chǔ)器中。

當(dāng)然任何機(jī)器都存在一定的誤差，為了避免這種誤差影響到探測(cè)器的正常運(yùn)行，在進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)的同時(shí)，該探測(cè)器還自帶低頻信號(hào)發(fā)射機(jī)。探測(cè)器工作原理主要是通過自動(dòng)定位系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器測(cè)得的管道位移距離進(jìn)行檢測(cè)和控制，當(dāng)出現(xiàn)位移偏差較大時(shí)，該發(fā)射機(jī)會(huì)自動(dòng)更正探測(cè)器的位置誤差，從而得到高精度的位移距離，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)錯(cuò)誤現(xiàn)象。

1.2 工作原理

對(duì)地下金屬管線進(jìn)行定位需應(yīng)用到管道自身位移所產(chǎn)生的慣性和探測(cè)器自帶的數(shù)據(jù)處理功能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下金屬管道的實(shí)時(shí)位移距離的測(cè)量和矯正。其中慣性測(cè)量單元是根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)提供的行程和相關(guān)彎曲度信息，利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航計(jì)算和導(dǎo)航卡爾曼濾波模型來(lái)測(cè)量地下金屬管道位移路徑，如圖1所示。此外，在整個(gè)地下金屬管道檢測(cè)完成后，根據(jù)IMU采集到的數(shù)據(jù)內(nèi)容對(duì)地下金屬管道破損程度進(jìn)行分析得到一個(gè)確定參數(shù)，將參數(shù)與地面標(biāo)準(zhǔn)定位器采集到的信息相結(jié)合，最終得到高精度的地下金屬管道位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 管道中心線數(shù)據(jù)處理原理示意圖

為了進(jìn)一步提高定位精度，選取可用的特征定位點(diǎn)，與設(shè)備測(cè)試到數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)存在誤差之處進(jìn)行更改，以確保對(duì)地下金屬管道位移位置的準(zhǔn)確測(cè)量。

2 金屬管道位移彎曲應(yīng)變計(jì)算

2.1 位移計(jì)算

金屬管道在地下所處位置的位移角度測(cè)量需要應(yīng)用陀螺儀進(jìn)行測(cè)定，在得到角速度確定值的情況下，對(duì)陀螺儀本身的檢測(cè)裝置進(jìn)行檢查，確保檢測(cè)得出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤。在更新矩陣的同時(shí)，也要將之前得到的角速度值納入其中，通過采用積分算法對(duì)加速度值的增量進(jìn)行計(jì)算，從而得出地下金屬管道在進(jìn)行位移的同時(shí)慣性裝置在時(shí)間上與探測(cè)器的誤差量是多少，并借此得出慣性裝置的具體位置。

操作方式主要是采用低頻信號(hào)發(fā)射機(jī)，校正數(shù)據(jù)信息，此時(shí)得到的數(shù)據(jù)是沒有受到探測(cè)器自身重力以及地心引力的加速度干擾的標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。此時(shí)探測(cè)器顯示屏?xí)@示出一組慣性裝置在標(biāo)準(zhǔn)無(wú)干擾情況下的具體數(shù)值以及位移移動(dòng)位置，并計(jì)算出慣性裝置的位置矢量。要想得到具體位置可根據(jù)之前得出的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)將管道最初的坐標(biāo)帶入，即可得出此時(shí)地下金屬管道所處位置。第一步對(duì)中心線的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，對(duì)比解碼后獲取的數(shù)據(jù)和管道中心反演數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)管道位移過程進(jìn)行模擬，再利用過程求解方式推測(cè)出載體在管道中的位置，最后得出的結(jié)果為正負(fù)計(jì)算結(jié)果。采用最優(yōu)濾波平滑算法，得到矢量，將矢量進(jìn)行標(biāo)定計(jì)算即可實(shí)現(xiàn)對(duì)管道位置的精確測(cè)量，具體操作過程見圖2。

圖2 地下金屬管道中心線位置測(cè)量過程圖

慣性測(cè)量單元的慣性裝置固定在運(yùn)動(dòng)載體上，根據(jù)其特有的算法來(lái)測(cè)定管道具體位置。該種方法雖然保證了地下金屬管道內(nèi)部不確定性因素的減少，但是未能避免外部由于惡劣環(huán)境帶來(lái)的影響，因?yàn)楦蓴_因素造成的誤差會(huì)隨著時(shí)間的推移而累積，因此在遠(yuǎn)距離檢測(cè)時(shí)，不能完全依靠慣性裝置，而是需要探測(cè)器對(duì)外部干擾因素進(jìn)行測(cè)定和排除。通常將管線上坐標(biāo)已知的點(diǎn)設(shè)置為誤差校正的校正點(diǎn)。由于中心線探測(cè)器的檢測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)的數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生較大差異，因此在進(jìn)行位移測(cè)定時(shí)通常選用管道作為校正點(diǎn)，確定好管道坐標(biāo)后可以通過低頻信號(hào)發(fā)射機(jī)進(jìn)行定位，得到修正過后的管道坐標(biāo)。

2.2 彎曲應(yīng)變計(jì)算

在地下金屬管道可承受彎曲的規(guī)定數(shù)值內(nèi)，管道的彎曲應(yīng)變與曲率的變化成正比金屬管道的彎曲率隨彎曲應(yīng)變而發(fā)生改變，由此可以得出金屬管道的曲率[3]。進(jìn)行管計(jì)算管道位移數(shù)據(jù)時(shí)，既可以得到管道在未經(jīng)過修正前的原坐標(biāo)，也可以得到經(jīng)過發(fā)射器修正過后的現(xiàn)坐標(biāo)。探測(cè)器發(fā)生的俯仰變化表示管道在發(fā)生位移時(shí)傾斜角度變化，由于管道在發(fā)生位移時(shí)探測(cè)器的航向也會(huì)發(fā)生變化，因此管的曲率與內(nèi)部探測(cè)器的姿態(tài)存在轉(zhuǎn)換關(guān)系。

管道垂直位移vk為：

式（1）中，φ為俯仰角；s為固定管段的長(zhǎng)度。

水平方向的曲率為：

式（2）中，α△ 為角度變化。

則管道總曲率變化hk 為：

通過式（3）得到管道的總曲率變化，對(duì)比設(shè)計(jì)參數(shù)，即可發(fā)現(xiàn)管道的變形是否處于可接受范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下金屬管道的非接觸式監(jiān)測(cè)。

3 試驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證探測(cè)器內(nèi)置偏移量所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本次實(shí)驗(yàn)通過改變地下金屬管道在沉降過程中的偏移量進(jìn)行測(cè)量，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 IMU內(nèi)檢測(cè)器不同沉降量下的檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)表1可知，IMU 內(nèi)檢測(cè)器偏移量檢測(cè)的準(zhǔn)確性較好，偏差值最大沒有超過3。

此外為了檢驗(yàn)內(nèi)置檢測(cè)器的結(jié)果是否準(zhǔn)確，本實(shí)驗(yàn)還安裝了低頻信號(hào)發(fā)射器，通過將應(yīng)變計(jì)與IMU的測(cè)量值進(jìn)行對(duì)，發(fā)現(xiàn)測(cè)量值上的差異，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 應(yīng)變計(jì)測(cè)量值與IMU計(jì)算應(yīng)變值結(jié)果對(duì)比

由表2可看出當(dāng)測(cè)量方位發(fā)生改變時(shí)，應(yīng)變器測(cè)量值與IMU計(jì)算值分別發(fā)生相應(yīng)變化，且二者之間測(cè)量值誤差較小。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究的地下金屬管道位移監(jiān)測(cè)方法，可應(yīng)用在地下長(zhǎng)距離管道的彎曲應(yīng)變測(cè)試中，得到的中心線位置坐標(biāo)準(zhǔn)確，不僅可以有效監(jiān)測(cè)管道，管道風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)變和位移點(diǎn)及時(shí)，并能準(zhǔn)確固定地下金屬管道。通過試驗(yàn)確定了該方法的可行性和有效性，在進(jìn)行地下金屬管道位移監(jiān)測(cè)時(shí)，該方法也可用在地面塌陷、溫度載荷發(fā)生變化而導(dǎo)致的地下金屬管道位移監(jiān)測(cè)。

通過試驗(yàn)確定了地下金屬管道位移檢測(cè)技術(shù)的新方法的有效性和準(zhǔn)確性，在進(jìn)行具體位置探測(cè)時(shí)可以根據(jù)此種方法進(jìn)行地下金屬管道坐標(biāo)的確定，希望該方法的提出能夠?yàn)槌鞘泄艿朗┕さ拈_展帶來(lái)一定幫助。