清管器跟踪定位技术的现状与展望

葛 华，李开鸿，王垒超，陈 莎，徐 强，李自力

(1.国家管网集团西南管道有限责任公司，四川成都 610400; 2.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东青岛 266580)

0 引言

管道在建设过程中，会进入焊渣、砂石和泥土等杂物；管道投产后，管壁的腐蚀、变形会产生碎屑；管道中的介质，会带来泥浆、凝析液和蜡沉积等杂物[1-3]。这将导致管道堵塞、输送效率降低、输送产品质量下降、损坏管线的仪器仪表和加速管道内壁腐蚀等危害。因此，在管线投产前和运行一段时间后，必须进行清管[1]。清管过程中需要发射清管器，但由于地势起伏，管道弯曲、变形、缩径和管道内沉积物的影响，清管器可能发生卡堵现象，造成损失[4-6]。因此，有必要掌握清管器工作时的位置，以便发生卡堵时及时采取措施，保证清管的顺利进行和管道的安全运行[7]。此外，在试压结束清管扫水过程中，通过监测清管器位置可以及时调整管道出口背压，防止发生水击、气阻等危险。综上所述，对清管器进行跟踪定位是十分必要的。

清管器跟踪定位是指在清管作业过程中监视清管器的运动或者查找其确切位置[8]。基于机械、压力、声学、磁学等原理，研究人员开发了多种清管器跟踪定位技术[8]。随着技术的发展和对清管工作的不断研究，清管器跟踪定位技术也经历了由“通过指示”到“精确定位”“循迹跟踪”的过程。

1 通过指示

“通过指示”的定义为：清管器通过管道特定位置时发出特定提示[8]。典型的实现方法为机械法。

机械法的工作原理如图1所示：可双向触发的撞针插入管道内并紧挨管壁，当清管器通过时，撞针被拨动经轴套中的连杆将动作传递给仪表按钮，触发显示仪表工作[9]。基于机械法制成的设备称为机械式清管通过指示器，又被称为过球指示器。机械法原理简单，只需将过球指示器安装在管道的收发球筒上即可判断出清管器是否从球筒发出、是否到达球筒。由于触发显示仪表的为管道内的触发器针，如果清管器前推动的是质地坚硬的混油段，也可能导致器针的触发[10]，而清管器破损、管道内壁污垢太厚等问题也会导致器针不能触发[8]，因此通球指示器具有误报率高的特点[11]。此外，过球指示器需要安装在管道上，因此可能会对防腐层造成损害。基于机械法的原理，现场人员只能获取清管器在收发球筒这一特定位置的信息，而不能获取在收发球筒之间运行时的位置信息。由于机械法的上述缺点，其在监测长输管道清管器位置的作用，逐渐被功能更全面的技术替代，但改进后的过球指示器仍可用于站场和阀室管道上清管球的通过指示。姜海斌等[10]对过球指示器进行了改进，通过加装弹簧和计数器，使得过球指示器的误报率降低。也有研究人员开发出了具有数显功能、数据储存和数据远传功能的过球指示器，使其能满足智能化、数字化的现场需求[12-13]。

图1 机械法工作原理图

2 精确定位

为应对清管器发生卡堵等情况，在“通过指示”的基础上，结合发射机和接收机等信号接收设备[9]，可实现“精确定位”。精确定位的定义为：清管器卡堵在管道内时，确定清管器的确切位置[8]。目前大多数的跟踪定位技术都可实现此功能。典型的实现方法有磁学法、声学法、压力法。

2.1 磁学法

电磁脉冲法的工作原理为：在清管器上安装电磁信号发射机，在管道外通过接收天线接收信号，之后将电磁脉冲信号通过电子仪器或者示波图显示出来，通过波形的变化来判断清管器的位置[14-16]。由于信号具有方向性，接收天线的磁通量越大，接收机接收的信号就越强。因此，当接收天线与磁感线平行时信号最强，接收机接收到的信号最强；当接收线圈与磁感线垂直时信号最弱，接收机接收到的信号最小[17]。当清管器卡堵需要判断其位置时，如果在某一位置，接收天线与管道平行时接收到的信号最强，与管道垂直时接收到的信号最弱，则该位置即为清管器的卡堵位置，图2、图3为示意图。

图2 接收天线与管道平行时

图3 接收天线与管道垂直时

电磁脉冲法的优点是信号穿透力强，可穿透管壁土壤等[7-8]，因此可应用的场合多。由于操作者是靠接收信号转换成的波形图来判断清管器位置，因此发射信号和接收信号的情况直接决定了定位的准确度。发射信号的情况与发射机直接相关：发射机发射功率越大，则接收天线能接收到的信号越强，定位的准确度就越高；但是发射功率一般与发射机体积成正比，发射机体积过大可能影响清管器的正常运行。因此发射机有体积小、发射功率大和续航时间长等要求。接收信号的情况与接收装置的灵敏度有关，如果接收装置灵敏度不高，而清管器运行速度又过快，就会导致接收不到信号导致误报的情况。因此，接收装置有灵敏度高、响应快和易携带等要求。电磁脉冲法对设备的要求较高，否则就会出现误判率高、可靠性差等问题[7-8]。闫晓茹等[18]设计的跟踪定位系统中，发射机发射功率大且体积小，接收机灵敏度高，信号接收距离可大于10 m。

永磁铁法的工作原理与电磁脉冲法类似：使清管器携带永磁铁运行，在管道外通过带有霍尔元件的接收机检测磁场的变化来确定清管器的位置[8]。由于该方法不需要清管器携带发射机，因此对设备要求降低。但由于管道对磁场有严重的屏蔽作用，以及地球磁场噪音的干扰[19-20]，使得永磁铁法的检测范围较小。

磁学法原理简单，使用方便，且具有一定的定位精度，符合现场对清管器的跟踪定位需求。近年来，磁学法结合GPS、GPRS等技术,形成了基于磁场法的远程无线跟踪定位技术[1-3,6,21-24]。任帅民等[23]利用电磁跟踪设备和模糊定位算法对清管器进行了跟踪，结果表明：预测清管器到达时间和实际清管器的到达时间，最小误差为1 min，最大误差为82 min。李博等[2]设计了一种基于GPS和GSM的清管器跟踪系统，并在现场进行了应用，结果表明：当处于森林等GSM信号覆盖弱的地区时，跟踪系统会有不超过72 s的延迟；140个中继器共触发131个。应用结果表明，基于磁场法的远程无线跟踪定位技术仍需要完善，如干扰问题、误报漏报问题等。

2.2 声学法

次声波法的工作原理为：清管器在运行时，会在管道内产生以声能形式辐射的压力波动，从而形成一对同步反相的声源。这对声源产生的声波称为球前波和球后波，会同时向上下游传递。在上下游安装次声波传感器，通过传感器收到次声信号的时间差即可推算出清管器的位置[4]。原理图如图4所示。田野[4]设计了一套基于次声波法的跟踪定位系统，并在现场进行了试验验证。通过对波形图进行分析发现，次声波法能有效地判断出清管器的运行状态并能获取其运行速度，但由于清管器到站后会进行收球操作，因此波形图上会产生一定的干扰。

图4 次声波法工作原理图

超声波法的工作原理为：使清管器上携带超声波发射器，在外部通过接收器接收超声波信号，从而实现清管器的跟踪定位。据报道[7-8]，该方法监测范围可达2 km，且使用遥控潜水器作为接收器时，定位精度可达5～10 m，具有监测范围广、定位精度高的优点。但其缺点也十分明显：超声波在穿越土壤和其他隔离物时，信号会严重衰减，导致其不能应用于埋地管道；声波传播需要液体作为介质，因此该方法不能用于气体和油气混输管道，因为此种管道不能保证发射器与管壁之间充满液体。目前，超声波法多用于海底管道的清管器跟踪定位。

噪音振动法的工作原理为：清管器正常运行和通过焊缝等特殊位置时，发出的声波噪音不同，将噪音的振动信号进行处理后利用波形图显示出来，可实现对清管器的跟踪定位。贾浩民等[25]对一套基于振动检测的清管器定位系统进行了可行性分析。该系统在清管器上安装振动发生装置，并结合清管器运行时产生的振动波构成振动源；每隔一定间距埋设传感器，根据传感器收到的振动波信号的时间差和传播速度等参数计算清管器的位置。经过可行性分析，当埋设间隔为1 km时，清管器的定位精度可达到3 m。Giancarlo和Giuseppe[26]结合工程应用案例报道了3种基于清管器声音识别的清管器跟踪定位方法：第1种方法提取了清管器两侧振动信号到达的时间差数据并进行互相关分析；第2种方法对清管器穿过焊缝时发出的声波进行计数，并根据管道构造手册对其进行映射；第3种方法在清管器启动和停止时使用，此时清管器所在的管段会产生振动，而振动频率与清管器在管道内的位置有关。噪音振动法具有原理简单、易于实现、定位精度高、实时处理能力强和结果直观等优点[27]，并且可联合多种信号数据处理技术和软件，以减小其他噪音对信号的干扰，修正跟踪定位结果。但与次声波法类似，减少管道中其他噪音对采集信号的干扰仍然是需要深入研究的问题。

2.3 压力法

压力法的工作原理分为正常运行时定位和堵塞时定位。当清管器正常运行时，推动清管器的动力由管内流体的压力差提供，因此当清管器未通过和已通过2个压力变送器时，检测到的压力值相等；当清管器在2个压力变送器之间运行时，检测到的压力值会不同，以此实现清管器的定位[28]。当清管器在某位置卡堵时，由于管内流体遵循运动基本方程，压力不能突变，因此会在管道中形成压力波向上下游传播，通过上下游检测到的时间差值，即可实现清管器的定位[29]。压力波法的定位精度可满足现场定位需求。张红兵等[30]提出了一种基于压降方程和温降方程定位清管器的模拟算法，并通过现场试验证明，模拟计算与现场试验的定位结果误差为1.17%。由压力法的堵塞定位原理可知，检测到的时间差直接影响定位精度。由于压力波传播速度较快，因此该方法对于变送器的灵敏度有要求，否则就会导致定位误差大的情况。

现场测量时都会对压力、流量等进行连续测量。由于压力不能突变，因此清管器运行时，压力的变化会直观地在波形图上显示。对每个时刻进行定位，就变成了实时跟踪。因此，压力法逐渐成为实时跟踪清管器的重要方法，并结合GPS等技术，形成了基于压力法的远程无线跟踪定位系统，应用效果符合工程需求[11,29-34]。

3 循迹跟踪

“精确定位”中介绍的技术虽然具有定位精度高、易于操作等优点，但该类技术一般只会在清管器发生卡堵事故时才会使用。对于工况日益复杂的现场，掌握清管器的实时位置，就可以提前采取措施，降低管道运行风险。此外，通过数据远传等技术代替人工跟踪，还可以降低操作人员可能遭遇的危险，减少清管作业的成本。因此，开发出能掌握清管器实时位置，实现“循迹跟踪”的清管器定位技术是必要的。循迹跟踪的定义为：沿管道连续不断地获得清管器的位置，或者在一系列预先设定的地点逐个定位清管器[8]。文中已经提到，伴随新技术的应用，磁场法和压力法都可以实现“循迹跟踪”功能。此外，近年来基于光纤振动的清管器跟踪定位技术也受到研究人员的关注[35-40]。

3.1 基于压力法的远程无线跟踪定位技术

基于压力法的远程无线跟踪定位技术与压力法的工作原理相同。王海明等[11]设计的整体方案如下：压力变送器将数据上传给各个管段的现场终端；现场终端接收GPS卫星的信号以进行同步校时，并将数据打包借助无线网络上传至远程监控中心；远程监控中心利用特定算法对压力数据进行分析，对清管器的通过特征进行判定并定位清管器，之后将清管器的运行信息发送至手机；操作人员可通过手机等通讯方式借助无线网络实现与远程监控中心的信息交换。通过对比发现，此阶段与处于“精确定位”阶段时主要有以下不同：

(1)采用了辅助技术，如利用GPS技术对信号采集的时间进行同步，利用无线网络将数据打包、远传。

(2)对于压力数据的分析由人工判断转为智能判断，利用特定算法对传回的压力数据进行计算和判断，并采取相应措施。

(3)采用的设备更先进，压力变送器采集频率更高，以保证数据采集传输的实时性。

(4)压力数据的作用，由定位清管器变为跟踪清管器。

基于压力波的远程无线跟踪定位系统不受外界因素影响，只与管道压力变化有关，可获取清管器的实时位置以及跟踪高速清管器[8]，对于减少现场操作人员工作量、提高跟踪定位精度具有重要意义。此外，研究人员设计的方案中提出利用压力波法进行清管器的跟踪，利用超低频电磁波法对清管器进行定位[28,31-32,34]。王少平等[32]提出了一种联合应用压力波和超低频电磁波的跟踪定位方法，并利用仿真模拟进行了试验，结果表明对波源的定位误差为0.54%。如前所述，基于压力法的远程无线跟踪定位技术对于时间数据的测量要求高，包括利用GPS同步信号采集时间的误差、压力波到达上下游变送器的时间差等，提出减小误差的解决方法可能是今后的研究方向。

3.2 基于磁场法的远程无线跟踪定位技术

基于磁场法的远程无线跟踪定位技术与磁场法的原理相同。基于压力法和基于磁场法有区别：基于磁场法的远程无线跟踪定位技术是通过对多个预先设定的信号接收器进行定位，从而实现清管器的跟踪，获取到的数据是不连续的；基于压力法的远程无线跟踪定位技术是通过压力数据进行判断，获取到的数据是连续的。李博等[2]设计的整体方案如图5所示：中继器预先埋设在管道上方，并自动接收GPS系统发送的时间位置信息；当接收到发射机发出的信号后，中继器将判定清管器通过，并将通过时间和GPS位置信息通过GSM网络上传至服务器供监控中心和操作人员调阅。通过对比发现，此阶段与处于“精确定位”阶段时主要有以下不同：

(1)信号接收器的数量增加以实现对清管器的跟踪，功能增加以实现清管器通过时间的获取和上传。

(2)清管器的跟踪，由人工手持设备跟踪变为接收器自动识别跟踪。

(3)采用了辅助技术，如利用GPS技术确定接收器的时间信号和位置信息，利用无线网络将数据打包、远传。

基于磁场法的远程无线跟踪定位技术进一步提高了抗干扰能力和稳定性，利用自动识别的信号接收设备代替人工接力的跟踪作业方式，减少了现场人员的工作量，降低了跟踪定位的成本[8]。李博等[2]使用该技术对清管器进行跟踪，140个接收设备成功触发131个，表明利用自动识别的信号接收设备代替人工接力的作业方式是可行的。对于该技术而言，对接收设备的研究和整个系统的设计仍然是关键，而这二者又相互关联：只有保证接收设备有效工作，整个系统才能运转起来。与“精确定位”阶段不同，该阶段对于接收设备的要求更高，需要能准确识别出清管器是否通过并对外部环境有一定的抗干扰，还要能接收GPS信号并将相关数据打包处理后进行上传。艾毅然等[1]对自制的电磁信号接收机进行室外测试时发现：未使用改进采集电路的电磁信号接收设备在相距3.6 m后，信号被环境电磁和噪音干扰；采集电路改进后的接收机测量范围可达到10 m。因此，多关注地球物理、信息控制等交叉学科相关技术的发展，利用更有效的技术对接收器和系统进行设计和优化是必要的[1,3,6,24]。

3.3 基于光纤振动的在线跟踪定位技术

该技术的工作原理为：在管道旁埋设一条光纤并搭建分布式光纤传感系统，该系统向光纤内发射光脉冲信号并接收其产生的后向瑞利散射光。光纤未受到外界干扰时，散射光会相互干涉，干涉谱恒定；如果由于清管器运行产生的振动作用在光纤上，该处干涉谱会发生突变[35-41]。通过检测突变信号并记录其时间，即可通过公式计算清管器的位置，实现跟踪定位功能。田孝忠等[37]设计的整体方案如图6所示。经过现场应用后可以得出，该技术监控范围可达到44 km[39-40]，如果配合中继放大设备单边监测长度可达到60 m[38]，定位精度则可达到10 m[35]。目前该技术仍存在一些关键问题需要解决：跟踪定位的成本问题，如工作原理中所示，该技术需要与管道同时铺设一条光纤，并需要搭建分布式光纤传感系统，这将显著提高成本以及限制工程上的试验；对于信号接收系统、信号提取算法、光纤磨损问题、振动干扰问题等仍需要进一步研究。由于该技术具有的优势，上述问题如果能得到合理的解决，该技术会成为跟踪定位技术中重要的组成部分。

图6 基于光纤振动的在线跟踪定位技术方案设计图

4 总结与展望

根据文献调研结果和现场施工经验，本文回顾并总结了清管器跟踪定位技术，介绍了相应技术的原理、应用特点和研究应用现状。可以看出，不同的跟踪定位技术都有其特定的适用场合，在选择时需综合考虑定位效果、应用难度和经济性因素。例如，负压波法相较于其他技术来说，跟踪定位的精度会稍差，但是负压波法既可跟踪定位清管器，也可定位管道上的泄漏点，这对于管道运行单位来说是较方便的；光纤法跟踪定位精度高且监测范围大，单就跟踪定位这一项工作是最好选择，但如果考虑工程应用的经济性问题，埋设光纤的额外成本会导致经济性下降，此时光纤法就不一定是最好选择。

由于单个跟踪定位技术的使用局限性，类比油气资源的多方法联合开采技术，研究形成多个跟踪定位技术的联合方法是较可靠的解决措施与研究方向。形成多跟踪定位技术联合方法必然涉及到相应领域的基础理论综合与最新研究成果跟进，因此现场工程人员与高校研究人员的交流学习应更加紧密。现场工程人员与高校研究人员，在理论研究精细程度和现场应用经验各有优势，加强交流学习更有助于双方取长补短和开拓思维，也为理论研究成果向现场应用成果的转化打下基础。

“十四五”规划中对于石油行业做出了“加快建设天然气主干管道，完善油气互联互通网络”“推动煤矿、油气田、电厂等智能升级”等明确规划。规划中多次提到“智能化”“大数据”等关键词，这些关键词也是未来清管器跟踪定位技术、石油行业乃至整个能源行业的发展方向。我国的跟踪定位技术目前处于“精确定位”和“循迹跟踪”的过渡段：“精确定位”阶段的技术已经相当成熟，但其逐渐不能满足现场日益智能化、数据化的发展趋势，因此必须向“循迹跟踪”阶段过渡；“循迹跟踪”阶段的技术在国内已有较多的研究和工程应用实例，但各种技术仍存在需要解决的问题，需要给出相应问题工程应用级别的解决方法。结合文中内容，“循迹跟踪”阶段技术的问题可分为硬件设备方面和软件设备方面：对于硬件设备，需要开发出自适应性强、使用范围广和误差范围小的设备；对于软件设备，需进一步提升信息传递的速度，优化相应结构算法的合理性，提高跟踪定位精度、广度和长度，减少出错率和误报率。“十四五”规划明确指出“培育壮大人工智能、大数据、区块链、云计算、网络安全等新兴数字产业，提升通信设备、核心电子元器件、关键软件等产业水平”“构建基于5G的应用场景和产业生态，在智能交通、智慧物流、智慧能源、智慧医疗等重点领域开展试点示范”。因此可以预见，以“十四五”规划为主方向，以新型跟踪定位设备和基于5G构建的智能算法平台为目标，将是未来清管器跟踪定位技术的发展趋势。