基于光纤振动传感技术的清管器定位研究

李强林 张保存 袁洪军

1. 山东省天然气管道有限责任公司, 山东 济南 250000;2. 山东省国实管道天然气有限公司, 山东 济南 250000

0 前言

目前,清管技术已经在中国石油、中国石化、中国海洋石油以及地方近10万km的油气管道及其他介质管道中得到了广泛应用[1],清管作业也成为了保证管道输送效率、介质质量和了解管道基本情况的重要手段。而清管器准确跟踪定位是清管作业顺利进行的保障[2-3]。

在清管器跟踪定位方面,当前较为普遍的方法是电磁脉冲法,通过接收机在清管器附近地面上接收信号跟踪位置和定位。李博等人[4]创新使用了一种基于GPS和GSM的清管器智能跟踪技术;王海明等人[5]论述了基于差压法的清管器远程在线跟踪定位。目前普遍应用的电磁脉冲法可靠方便且能准确定位,但缺点是主要依靠人力、跳点跟踪,受限于信号接收距离,无法实时跟踪定位。周琰等人[6]提出的光纤振动检测方法无论在实时跟踪和准确定位上都较其他方法具有明显的优势,但主要停留在理论实验阶段,尚需探讨广泛的适用性。

因此,在清管器跟踪定位现有方法基础上,提出了分布式光纤振动传感实现实时跟踪定位。经宣宁线齐河至长清至泰安段管道清管作业实测,定位性能良好,验证了方法的有效性。

1 光纤振动传感测量原理

分布式光纤振动传感系统(DVS)是基于相位敏感光时域反射原理开发的[7]。相位敏感光时域反射仪(φ-OTDR)注入到光纤的光在传播过程中保持着相同的相位差,具有相同的频率。系统输出脉冲宽度区域内探测光是光线中产生的后向瑞利散射光的干涉结果[8]。当光纤某个部位收到扰动时,光相位的变化将引起后向瑞利散射光强度的改变,通过对携带了扰动信息的后向瑞利散射光信号进行分析处理后,即可探测和定位外界扰动[9]。

1.1 振动传感定位

在φ-OTDR分布式光纤传感系统中,当光纤某处收到振动时,由于弹光效应,该处折射率发生变化,导致该处相位改变[10],由于干涉作用,光相位的变化将导致后向瑞利散射光强度发生变化,将两个时刻的后向瑞利散射曲线相减即可定位外界扰动信号[11-13],原理见式(1),示意图见图1。

(1)

分布式光纤振动传感系统(DVS)主要由监测主机、振动传感光缆和监测软件三部分组成。方案实施阶段,主要经历安装系统、光缆探测、光缆标定、清管实时监测、分析监测数据五个步骤。管道和光缆同沟敷设可提高定位精度,现场敷设照片见图2。清管器运行监测系统主要功能有:清管器运行轨迹展示、实时曲线展示、清管器信息展示、曲线坐标轴设置、参数设置与回放。

图1 清管器振动引发激光干涉突变定位示意图Fig.1 Schematic diagram of laser interferometer mutation location caused by pig vibration

图2 管道和光缆同沟敷设照片Fig.2 Pictures of the same trench laying of pipelines and cables

2 光纤振动传感现场实验

系统安装与光缆探测,泰安站北连接长清站,将DVS监测系统主机安装在泰安站。其中,泰安至长清光缆长度44.2 km,光缆8芯中有4芯已经使用,其余4芯光纤状况良好,无明显单点衰减,有利于实现长距离测量。通过现场对扰动信号的观察记录,发现整条线路总体噪声很少,只有极少数固定位置存在扰动,这种安静的环境非常有利于有效信号的发现,减少误判的可能。

2.1 皮碗测径清管器实时监测分析

2017年2月14日,设备安装于泰安站，采用机械清管器进行清管作业,可有效跟踪清管器运行轨迹,并计算清管器在不同管段的运行速度。皮碗测径清管器实时跟踪监测分析记录见表1。

表1 长清至泰安清管跟踪记录表

通过数据分析可得到,19.0～21.0 km段、35.0～37.0 km段以及40.0～42.0 km区间段速率接近0,对应清管器该段运行缓慢乃至停球的位置,清管器运行速率有较大不均衡性。

长清至泰安测径清管器运行轨迹图见图3。2月15日16：30到20：37,清管器第一次停滞,位置20 240 m,停滞时长4 h7 min;通过数据分析,可以准确对清管器在管道内的运行状态进行描述,为排查停球、卡堵点和管道变形提供了准确依据。为及时找到停球点,判断停球原因是管道变形卡堵还是清管自身停球[14-15],采取了人工锤击制造较强振动信号标定位置的方法,同时利用电磁脉冲跟踪仪的定位模式,准确定位停球点[16-17],锤击和定位标定记录见表2。

图3 测径清管器运行轨迹图Fig.3 Operation track diagram of caliper pig

表2 光纤振动标定定位记录表

通过近10次人工锤击地面,获取监测到的振动信号位置里程,同停球点位置里程20 240 m进行比对,据此找到了停球位置,开挖发现该处属于管道变形卡堵,在 4 h 内释放管道形变后,清管器顺利通过该点。利用该方法,清管过程中又相继找到了测91下游、测102下游等5处卡堵点。

2.2 适用效果分析

光纤振动监测手段用于清管器运动轨迹监测能够实时准确定位清管器运行情况,更关键的是能够第一时间发现清管器卡堵位置,借助该技术成功找到了宣宁线测80-100管道变形、测91下游、测102下游等5处卡堵点。停球卡堵点现场照片见图4。

图4 停球卡堵点现场照片Fig.4 Picture of stoppage jam

在宣宁线第一次漏磁检测作业中,全程运行中呈现出极低速运行的特征,传统通过监听坑来判定设备位置的方法的盲区时间会大大增加[18]。而分布式光纤传感在线监测技术即使在极低速率下仍可实现监视,体现了光纤传感在实时监测和定位方面的优势,为清管作业的顺利开展带来了很大的方便[19-20]。

3 结论

提出一套更加可靠、准确、实时的清管器跟踪定位组合方案,可以实现全程跟踪监测清管器运行状态的目标,清管作业完成后,利用智能清管器数据记录分析清管器整个运行状态和管道特征点,可以对特征点二次验证。下一步,借助搭载在智能清管器(PDL)的定位芯片和采集到的流速、压力分布数据,开展仿真和实例验证,以期提高定位精度。