海底管道機器人定位信號傳播特性實驗研究

李孟杰

中石化石油工程建設有限公司（北京 100020）

0 引言

海洋油氣通過海底管道集輸，具有經濟、高效的特點，但是運行一段時間后，管道內可能會出現腐蝕、結垢等問題，另外由于地基變化、海流沖淘、意外機械損傷等原因，管道也會發生變形或內徑變化，管道機器人在清管或檢測[1]工作過程中可能出現卡堵[2]，解堵[3]、管道缺陷的評估和修復等工作都需要對管道機器人在管道內的位置進行精確定位。

低頻電磁波由于其頻率較低，信號能夠穿透海水、泥土甚至金屬管道，得到了廣泛的應用[4]，也可應用于管道內機器人的示蹤定位[5]。在國內，哈爾濱工業大學[6]、沈陽工業大學[7]、清華大學[8-10]等高校開展了相關的定位工作，在國際上也有較為成熟的產品。但這些研究和應用主要集中在單層輸油管道上，針對雙層金屬管道低頻電磁定位的報道比較少見。

低頻電磁定位方法能否應用于雙層金屬管道中，首先要解決的是其能否穿透對電磁信號具有強屏蔽特性的雙層鐵磁管道；其次在確定能穿透的情況下，確定信號的強度以及能夠辨識的穿透距離[11]。本文設計了低頻電磁信號發射機和接收機，并對DN150 壁厚14 mm 雙層金屬管道、海水、空氣等3 種介質條件下進行了穿透性能實驗。結果表明，設計的低頻磁信號發射機發射的信號能夠穿透雙層管道，具有較強的辨識度，有效接收距離可達6.4 m，可通過低頻電磁信號幅值的大小實現對管道機器人的定位。

1 雙層海底管道機器人低頻電磁定位方法

低頻電磁信號由于其頻率較低的特點，信號可穿透鐵磁管道等導磁導電介質，因此，可通過低頻電磁信號對雙層金屬管道內機器人進行定位，系統由安裝在管道內機器人上的發射器和管道外的接收器組成，如圖1所示。

圖1 電磁定位示意圖

低頻電磁信號通過發射器發射線圈產生低頻交變磁場來發射信號，如圖2所示。

圖2 螺線管發射天線及坐標系

在直角坐標系下，當接收天線與地面垂直時，其測量磁感應強度x 方向的分量Bx；當接收天線與管道平行時，其測量磁感應強度z方向的分量Bz，螺線管在x和z方向的磁感應強度表達式見式（1）[10]。

式中：Bx為磁感應強度x方向的分量，T；Bz為磁感應強度z 方向的分量，T；μ 為環境的磁導率，H/m；n 為線圈的匝數；Im為線圈通電電流值，A；p為線圈的長度，m；a為螺線管線圈半徑，m；x，y，z 為接收線圈的坐標值，m。

根據式（1），對發射線圈的磁感應強度進行了數值分析計算，磁感應強度在x方向的絕對值|Bx|分布示意如圖3所示。

圖3 |Bx|隨距離z變化曲線

由圖3仿真分布計算可知，磁感應強度在x方向上的分量|Bx|呈雙峰分布，當接收天線位于發射天線正上方時，信號強度最小。

在定位過程中，接收天線垂直于發射天線，兩者相對移動，當信號位于雙峰極小值處接收天線所在位置即為管道內發射天線所在位置，即實現管道機器人定位。

2 低頻電磁信號發射器與接收器

由于鐵磁管道對磁場的較強屏蔽性，且目前文獻報道中定位技術主要針對單層管道，為了驗證該定位方法能否應用于雙層輸油管道，本文設計了基于低頻電磁信號的雙層輸油管道的實驗裝置。實驗裝置由低頻電磁信號發射器、接收耦合天線以及接收信號處理器等幾部分組成（圖4）。

圖4 發射線圈諧振等效電路

2.1 低頻電磁信號發射器

低頻電磁發射器由單片機產生23 Hz的信號經由功率放大電路驅動發射線圈，從而產生23 Hz 低頻電磁信號。為了提高發射磁感應強度，發射器通過LC串聯諧振，提高發射線圈上的電壓。

發射線圈諧振電路的頻率可由式（2）計算：

式中：f 為諧振頻率，Hz；L 為線圈電感值，H；C 為諧振電容，F。

諧振線圈的品質因數Q值為：

式中：Q 為諧振線圈的品質因數；R 為線圈直流電阻，Ω。

為提高諧振線圈上的電壓，需盡可能提高發射線圈的Q值，根據式（3），應該減少發射線圈的內阻，因此在發射線圈的繞制過程中應盡可能采用較粗的漆包線。

發射線圈如圖5 所示，低頻電磁信號發射器的主要參數見表1。

圖5 發射線圈

表1 低頻電磁發射器主要參數

2.2 低頻電磁信號接收器

根據法拉第電磁感應定律，變化的磁場產生變化的電場，本設計采用多匝線圈作為接收天線。接收天線接收到的磁場示意圖如圖6所示。

圖6 接收天線在檢測磁場中示意圖

由圖6 可知，線圈檢測穿過磁芯的磁通量的變化，從而檢測磁場信號；從圖6 也可看出，穿過線圈磁芯的磁通量與磁芯鐵芯的體積、形狀密切相關，為了更好地減少磁芯鐵芯長度對測量磁通的平均值帶來的影響，在本設計中，盡可能地減小磁芯的長度，以更準確地測量線圈所在點的磁感應強度。接收線圈的等效電路如圖7所示。

圖7 接收線圈諧振等效電路

假設線圈的匝數為n，則接收線圈的感應電動勢ε可由式（4）計算。

由式（4）可知，相同尺寸、相同磁感應強度條件下，選用的漆包線直徑越小，匝數越多，感應出的電動勢越大，接收天線輸出信號越強。實際接收線圈的主要參數見表2。

表2 接收線圈主要參數

3 實驗研究

管道機器人工作的環境是雙層海底石油管道，因此，其真實的工作環境在實驗室中較難搭建，本實驗研究低頻地磁信號在雙層金屬管道、海水以及空氣等不同介質中強度的衰減規律。

低頻電磁發射器和接收器的實物如圖8 所示，接收器可直接顯示接收信號的幅值、相位等信息。

圖8 發射器和接收器實物圖

3.1 實驗方法

實驗過程中，發射器與接收器軸向平行，改變兩者的平行距離；發射器位置固定，改變接收器在y方向上的位置，并記錄信號強度。

3.2 不同介質衰減特性實驗

在本次實驗中，針對DN150 雙層管道（壁厚14 mm）、海水、空氣等3 種介質做了傳輸實驗，實驗現場如圖9所示。

圖9 實驗現場照片

每組實驗中，發射器功率保持不變且接收器參數完全相同，保持發射器位置不變，位于坐標原點；接收器x、z坐標為0不變，改變接收器的相對位置y；當接收器輸出穩定后，記錄接收器輸出的電壓以及位置y。實驗數據見表3～表5。

表3 DN150雙層金屬管道接收信號

表5 空氣接收信號

表4 海水接收信號

將數據繪制成曲線如圖10 所示。由圖10 可知，發射器處于雙層金屬管道內信號衰減最快，海水中次之，空氣中衰減最少。

圖10 3種介質的信號曲線

根據式（1），在本試驗中由于x=0，y=0，僅僅改變z，Bz退化為式（5）：

通過接收傳感器及接收電路信號處理，磁感應強度Bz轉化為電壓信號，結合式（1），接收器的輸出電壓u和距離z之間的關系見式（6）：

式中:u為輸出電壓，V；A為等效折算系數，V/m3。

等效折算系數A與介質、接收器、發射器參數相關，若介質、發射器參數及接收器所在位置的磁感應強度確定，其為常數。對3種介質（DN150、海水、空氣）的傳輸數據進行擬合，A 系數擬合結果依次為：0.5、228.2、982.4 V/m3。由擬合結果可知，相對于空氣中的傳播，當發射器置于DN150 雙層管道內，信號強度約為空氣中的1/1 965；海水中的信號強度約為空氣中的1/5。在實際定位過程中，接收器靠近管道，海水的影響可以忽略，因此，影響信號傳輸距離的是雙層金屬管道。

在空氣介質中，增大發射器的功率后，實際檢測距離可達80 m；通過參數擬合等效系數A折算，穿透雙層管道后的可檢測距離約為6.4 m，可以用于管道機器人的定位。

4 結束語

為了驗證低頻電磁信號能否應用于雙層海底輸油管道，設計了低頻電磁定位發射器與接收器，并針對雙層金屬管道、海水、空氣等3種介質開展了傳輸實驗，并進行了參數擬合等效折算。當空氣中能傳播80 m時，信號穿透雙層金屬管道后有效傳播距離可達6.4 m，低頻電磁信號可應用于海底雙層輸油管道內管道機器人的定位。