基于光纖振動傳感的長輸管道清管器跟蹤定位方法

李葉斌 姚國斌 郭志宏 雷繼鵬

（華新燃氣集團有限公司）

在長輸油氣管道投產和服役運行過程中，清管作業是一項非常重要的工作。 新建管道投產前，管道內遺留物和打壓試驗遺留水較多，清管作業能夠有效清除管道內的水和施工遺留物［1～4］。在管道服役運行過程中，通過清管作業清掃管內雜物、積液和積污，可以提高管道輸送效率、減少摩阻損失、減輕管道內壁腐蝕，實現在線管內檢測，延長管道使用壽命［5］。 但是，在長輸油氣管道清管作業過程中，清管器的卡堵現象一直困擾著工程技術人員，尤其是長輸管道，距離長，管線周邊地區環境條件差，發生卡堵后清管器不能準確定位，導致管道輸送停止的問題時有發生，嚴重時甚至危及管道安全。 因此，對清管器進行準確跟蹤定位是保障清管作業順利進行的強有力措施，對于保證長輸管道的正常穩定運行、提高輸送效率和保障安全生產十分重要。

傳統清管器跟蹤定位方法按工作原理大致可分為放射性同位素法、機械法、聲學法、壓力法和電磁法5類， 具體又可以細分為若干種定位方法［6，7］。 但由于存在管道自身、土壤和外界其他干擾因素， 使得清管器的跟蹤定位存在各種困難，傳統方法各有優點但又有各自的局限性，如跟蹤方法復雜、抗干擾能力弱、無法全程連續跟蹤及需要大量的人力物力保障等。 為此，設計具有實時性、能連續采集數據、穩定可靠、使用簡便且運行維護成本低的清管器跟蹤定位方法十分必要。

1 技術方案結構

在長輸油氣管道清管作業過程中，清管器在管道內運行時會與管道內壁摩擦并與管道接口處的環焊縫、 螺旋焊縫等碰撞產生振動信號［8，9］，該類信號會對長輸油氣管道沿線同溝敷設的通信光纖中的光信號產生擾動作用。 由光纖的泊松效應、應變效應和彈光效應可明確，管道中的摩擦、撞擊等振動信號作用于光纖上，會令光纖振動位置處的折射率發生變化，進而導致光纖內光的相位發生變化［10，11］。根據此原理，并利用長輸油氣管道沿線同溝伴隨敷設的通信光纜搭建光纖振動傳感系統，對管道內作業運行的清管器進行在線實時準確的跟蹤定位，可有效解決長輸管道清管作業過程中發生卡堵后無法準確定位清管器的問題。

現以燃氣管道為例，設計的基于光纖振動傳感的長輸燃氣管道清管器跟蹤定位系統的總體架構如圖1所示，系統包括光源模塊、兩種類型的耦合器、傳感部分、光電信號轉換、信號采集及信號解析上位機系統等模塊。 圖1中，S表示延遲光纖臂的長度；L表示振動信號發生位置與傳感光纖起始端的距離；H表示振動信號發生位置與傳感光纖末端的距離，則L+H表示傳感光纖的總長度。

圖1 燃氣管道清管器跟蹤定位系統總體架構

光源模塊。 在光纖傳感系統中，產生光源的激光器的選擇至關重要。 本方案中，搭建的直線型振動傳感系統采用光的干涉原理，光源模塊選擇干涉型寬帶光源激光器，在整個系統運行過程中提供連續穩定的干涉光源。

光電探測器。 光電探測器在結構上采用平衡探測器， 能夠有效抑制系統中的共模噪聲干擾。光電探測器能探測到光信號的變化情況，并將光信號的變化轉換為電信號的變化，輸出的模擬電信號傳輸至數據采集卡。 結構連接如圖1所示，其雙端口的一端連接3×3耦合器的端口2，另一端連接3×3耦合器的端口3。 光電探測器采用雙端口輸入方式，能有效提高其靈敏度。

數據采集卡。 數據采集卡將變化的模擬電信號進行A/D轉換并高速采集， 其采集結果經由通信模塊實時傳輸至信號解析上位機系統。 數據采集卡搭載的通信模塊集無線通信與有線通信于一體。 無線通信支持4G和WiFi網絡傳輸；有線通信方式為RJ45接口，適用于就地數據采集和遠程數據中心數據采集場景。

信號解析上位機系統。 由于數據采集卡具有方便靈活的數據傳輸方式，信號解析上位機系統采用C/S架構，既可以部署在數據中心的虛擬化云服務平臺上， 也可以部署在就地工作的PC機上。在云端部署時，可以將跟蹤定位結果以服務方式發布，方便其他工程師在移動端或工作站上遠程監控。

耦合器。 在系統結構設計上共使用兩種類型耦合器，耦合器輸出端的光信號在各項參數上具有一致性。 如圖1所示，系統中傳感光纖起始端的耦合器用于將兩束入射光耦合成一束光，當傳感光纖中的入射光經末端耦合器反射后，再次進入起始端耦合器，此時傳感光纖起始端耦合器將一束光分為兩束光。 然后3×3耦合器的端口4和端口6處分別接收兩束反射光，此時3×3耦合器處實現兩束反射光的干涉，將干涉結果的光信號傳輸至光電探測器。

傳感光纖與延遲光纖。 在傳感光纖的選擇上，使用長輸管道同溝敷設的通信光纖中的一芯作為傳感光纖即可，對它按技術要求進行改裝即可實現其傳感功能。 系統中的延遲光纖在光程上提供一個時間差，限制系統4條光路中僅有2條光路滿足光的干涉條件。

2 技術方案原理

2.1 干涉光路設計

圖1所示的清管器跟蹤定位方法在結構上可形成4條光路，分別如下：

a. 光路1， 端口6→延遲光纖→2×1耦合器→1×2耦合器→2×1耦合器→延遲光纖→端口6。 激光器的干涉光源從3×3耦合器的端口1射入、端口6射出，進入一段延遲光纖，然后進入傳感光纖起始端的2×1耦合器，射出進入傳感光纖，在傳感光纖的末端經1×2耦合器反射后， 再次經由傳感光纖進入起始端的2×1耦合器， 然后原路經由延遲光纖返回到3×3耦合器的端口6。

b. 光路2， 端口6→延遲光纖→2×1耦合器→1×2耦合器→2×1耦合器→端口4。 與光路1不同的是，傳感光纖中的反射光經由傳感光纖進入起始端的2×1耦合器后，未經過延遲光纖，而是直接進入3×3耦合器的端口4。

c. 光路3，端口4→2×1耦合器→1×2耦合器→2×1耦合器→延遲光纖→端口6。 激光器的干涉光源從3×3耦合器的端口1射入、 端口4射出后未經延遲光纖， 直接進入傳感光纖起始端的2×1耦合器射出進入傳感光纖， 在傳感光纖的末端經1×2耦合器反射后，再次經由傳感光纖進入起始端的2×1耦合器，然后經由延遲光纖返回到3×3耦合器的端口6。

d. 光路4，端口4→2×1耦合器→1×2耦合器→2×1耦合器→端口4。 與光路3不同的是，傳感光纖中的反射光經由傳感光纖進入起始端的2×1耦合器后， 未經延遲光纖直接進入3×3耦合器的端口4。

在4條光路中，顯然光路1的光程最大，光路2、3的光程一致，光路4的光程最小。 由光形成干涉所需的條件分析可知，系統中有且僅有光路2、3滿足所需的干涉條件， 能夠且發生干涉的位置在3×3耦合器， 所以光電探測器探測到的光信號變化是光路2、3的光信號在3×3耦合器干涉后的光信號變化。

2.2 定位原理

如圖1所示，在光路2、3中，當沒有振動信號擾動傳感光纖時， 光信號在光路中穩定傳輸，此時的干涉結果是一個保持不變的穩定狀態。 當有振動信號擾動傳感光纖時， 根據彈光效應可知，在振動信號的擾動作用下，光纖的折射率發生改變從而引起光信號的相位發生變化，其中光信號的相位變化信息中含有振動信號的位置信息，筆者的目的是通過檢測光信號的變化情況，解析出振動信號發生的位置信息。

首先， 將實時檢測到的時域振動信號進行實時傅里葉變換，經過傅里葉級數展開后，得到多個具有不同幅值、 頻率、 相位的正弦波的組合， 用一個正弦函數來表達展開結果組合中的正弦波：

其中，f（t）為振動信號引起的光相位變化的傅里葉展開結果，可以有N個正弦波；N為正整數，是光相位變化經傅里葉級數展開后得到的正弦波數量；Ax、ωx、φx分別為第x個正弦波的幅值、頻率和相位；t為傳感光纖上振動信號發生所持續的時間長度。

用振動信號的發生位置將光路2、3分別分為前、后兩段光路，共4段光路。令光路2的前半程與后半程中光的傳輸時間分別為t1、t2，光路3的前半程與后半程中光的傳輸時間分別為t3、t4，假設f1（t）為振動信號引起的光路2中的相位變化，f2（t）為振動信號引起的光路3中的相位變化，則有：

設光在真空中的傳播速度為c， 系統中所用光纖的折射率為n， 則由光纖中光的傳輸關系可得t1、t2、t3、t4：

令Δf（t）為光路2、3的相位差，則有：

將t1、t2、t3、t4代入上述計算式， 并用三角函數和差化積公式得到光路2、3的相位差Δf（t）：

振動信號頻率f滿足以下關系式：

信號解析上位機系統中，對傳輸回來的信號進行實時傅里葉變換， 得到其頻域頻譜數據，對頻譜數據進行分析找到零頻點，然后用有限數量的零頻點解析出振動信號發生的實時位置，即為清管器的實時位置，由此實現對管道中運行的清管器的實時跟蹤定位。

3 試驗管段測試驗證

選擇在華新燃氣集團有限公司的晉城市沁水縣“南大閥室-郭家嶺”城鎮燃氣管道工程項目中，對燃氣管道光纖傳感預警系統進行工程示范建設，其中基于光纖振動傳感的清管器跟蹤定位方法測試監測對象為“南大閥室-郭家嶺”管段，長度10.805 km、管徑DN355.6 mm、設計壓力4.0 MPa。項目中除沿線敷設通信光纖外，另外同溝敷設傳感光纜4根，共計13芯，其中單模7芯、多模6芯，單根長度約10 km。 選擇其中一芯單模光纖，使用光纖跳線及其他輔材搭建光纖振動傳感系統，用于對清管器與管道焊縫和管壁摩擦碰撞產生的振動信號進行檢測，實現對清管器的跟蹤定位。 另外3根分別用于溫度檢測、應變檢測和冗余備用。項目對管道的振動檢測、應變檢測、溫度檢測結果融合分析應用，實現對管道上多種危險源的實時監測識別。

3.1 時域信號測試結果分析

管道工程建設中， 管道沿線同溝敷設光纖，由于施工及其他外部環境因素干擾，在先期測試中，主要對傳感光纖中的大衰減點進行了調測與排除，并對光纖存在的斷點進行熔接修復，保證它在功能上滿足傳感測試需求。 系統主機安裝在南大閥室，在管道投產前委托第三方中油管道檢測技術有限責任公司對投產管道進行清管作業。在本次清管作業過程中，項目組對該清管器跟蹤定位系統進行了現場調測。 信號解析上位機系統從數據采集卡獲取實時電壓信號，并截取其中約30 s的數據（圖2）進行分析，可以看出，每隔5～7 s，實時信號中會有一次明顯的擾動，其余時間內振動信號處于相對穩定的狀態，波動幅度較小。

圖2 采集到的實時振動信號

查閱項目施工資料得到管道最小焊接單元是每節12 m的無縫鋼管， 這樣一節一節焊接起來，經分析得知，每隔5～7 s產生的明顯的擾動信號主要來自清管器與管道環焊縫的碰撞，其余波動幅度較小的振動信號是清管器與管道內壁相互摩擦產生的或者管線周邊的其他背景噪聲。 分析時域振動信號可以得到清管器在管道中的運行速度約2 m/s。

本次清管作業后，中油管道檢測技術有限責任公司在該段管道的內檢測報告中給出的清管器在該段管道中的運行速度曲線如圖3所示。 對比分析圖2、3可知， 兩組不同的數據在對清管器的運行速度計算結果上是吻合的，這證明了實時振動信號采集結果是準確的，即該系統能夠對管道中運行的清管器與管道相互作用產生的振動信號進行實時檢測。

圖3 清管器在管道中的運行速度

3.2 信號解析結果

數據采集卡對光電探測器的輸出電壓信號進行高速采集，并將采集結果實時傳輸至信號解析上位機系統。 在上位機軟件系統中，對時域的實時信號進行傅里葉變換，得到實時信號的頻譜數據。

在算法上，通過對頻譜分析和各頻率信號對應的時域信號進行比較，獲得所需的零頻點頻率值。 由定位原理的推導結果可知，零頻點有多個，且其頻率值關系為奇數倍等差排列，每一個零頻點可解析出一次實時振動位置參數。 對求出的多個振動信號位置參數求算術平均值，將算術平均值結果作為振動信號發生的理論位置，并將它呈現在人機界面上供工程人員實際作業參考用，如圖4所示。

圖4 清管器在線實時定位系統定位結果人機界面

由圖4可以得到系統計算結果是15:44:20～15:44:28這段時間里，清管器所在位置約為9 460 m，且存在后一時刻的清管器位置在前一時刻的位置之前的錯誤結果，這是由于在算法上獲得的零頻點數量不一致，導致最終解析得到的位置信息有一定的誤差。 但在工程實際應用中，10 m以內的定位誤差是可以接受的。

4 結束語

將基于光纖傳感的長輸管道清管器跟蹤定位方法， 在10 km城鎮燃氣管道工程投產清管作業中進行了工程示范測試驗證， 定位結果表明，該方法具有工程應用價值，可實現對管道中運行的清管器進行在線實時跟蹤定位，解決了長輸管道在清管器發生卡堵問題后不能進行準確定位的工程問題。

在未來的應用中， 可與燃氣管道SCADA系統、燃氣管道GIS系統集成，在SCADA系統或GIS系統中實時標識清管器在管道中的位置。 另外，還可以利用實時定位信息，分析清管器在管道中的運行速度，并對可能出現卡堵的位置做出預警報警，指導現場工程技術人員實時調整清管器的運行參數，從根本上杜絕卡堵問題的發生。