基于分布式光纤振动传感系统的清管器跟踪定位

摘  要：针对清管器跟踪定位设备无法实时连续跟踪的问题，将与油气管道伴行的通信光缆作为振动传感器，接入分布式光纤测振系统，实现清管器工作过程中的跟踪定位。清管器经过管道焊接缝隙时会发生撞击产生强烈振动波，通过采集和识别此种特殊的振动信号，经过时域和空域的分析，实现清管器实时跟踪定位。现场实验证明该技术可以有效进行清管器的实时跟踪定位，具有很高的工程应用价值。

关键词：分布式光纤传感;油气管道;清管器;实时跟踪定位

中图分类号：TP211;TP212          文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）05-0138-03

Tracking and Locating of the Pipeline Pig Based on Distributed Optic-Fiber Vibration Sensing System

QU Honghai

（Wuhan WUTOS Co.， Ltd.， Wuhan  430223， China）

Abstract： In view of the problem that the pipeline pig tracking and positioning equipment can not track continuously in real time， the communication optical cable associated with the oil and gas pipelines is used as the vibration sensor and connected to the distributed optic-fiber vibration measurement system to realize the tracking and positioning during the operation of the pipeline pig. When the pipeline pig passes through the welding gap of the pipe， it will occur an impact and produce a strong vibration wave. By collecting and identifying this special vibration signal， the real-time tracking and positioning of the pipeline pig is realized through the time domain and airspace analysis. Field experiments prove that this technology can effectively conduct real-time tracking and positioning of pipeline pig， and has high engineering application value.

Keywords： distributed optic-fiber sensing; oil and gas pipeline; pipeline pig; real-time tracking and locating

0  引  言

清管器的跟踪定位在清管作业过程中是一项极为重要的内容，需要在清管作业过程中，及时检测到卡球情况，从而避免作业事故的发生。当前，通常采用的清管器跟踪方法主要有放射性同位素法、机械法、声波法、压力法和磁场法等[1-4]。以上的方法均需要耗费大量的人力和物力，在需要监测的管道沿线提前布设检测仪器，在清管器作业期间进行依赖于人工方式的清管器定位，无法实时连续地进行清管器跟踪[5-10]。

利用分布式光纤振动传感技术，将油气管道的伴行通信光缆作为振动传感器接入分布式测振仪表，采集油气管道沿线的振动信号。清管器在油气管道内作业的行进过程中，在经过管道焊接缝隙时，会与管道焊接缝隙撞击产生强烈的振动波，分布式光纖振动传感系统通过采集和识别此种特殊的振动信号，进行振动源的时间和空间定位，从而实现清管器振动信号跟踪定位[11，12]。

1  检测原理

分布式光纤振动传感系统基于相干瑞利散射原理实现振动探测[13-20]，接入一根普通单模光纤作为振动传感器，采集油气管道沿线的所有振动信号。设置光缆中的每个探测单元对应10 m的距离，即：对于一条实际长度为50 km的光纤链路，其包含的探测单元数量为5 000（50 km/10 m）。当全段光缆共包含N个探测单元，这N个探测单元的位置是连续的，每个探测单元的序号代表了其对应的空间位置。因此，分布式光纤振动传感系统在每一时刻采集到的数据就是一个1行N列的矩阵。将各个时刻采集的数据矩阵进行拼接，即得到一段时间内的全段振动信号矩阵，此矩阵的横轴为距离，纵轴为时间，由全段振动信号矩阵绘制而成的光纤振动数据图像，称之为振动瀑布图。

清管器在油气管道内作业的行进过程中，经过管道焊接缝隙时，与管道焊接缝隙撞击会产生强烈的振动波，并且振动波会沿着金属管壁向前后两个方向传播。因此，每一次清管器与管道焊接缝隙的撞击，在一段区域振动波形所绘制的瀑布图上，会呈现出一个类似“字母V”的形状，如图1所示，为某次清管器作业过程中的20秒全段振动瀑布图。“字母V”的底端所在位置，即指示了这次撞击的振动源的位置，根据纵轴对应的时间点，即可得到这次撞击发生的时刻。通过提取每次清管器与管道焊接缝隙撞击发生的时刻和位置，即可推算清管器在管道中行进的速度和状态。

2  信号分析

2.1  数据预处理

激励定位计算步骤如下：

（1）每一时刻，读取各个监测单元的原始信号。利用与油气管道同沟敷设的通信光缆其中空余的一芯作为传感光缆，在整条光纤链路上，按照距离，将光纤划分为多个相等长度的小段，每个小段称为1个监测单元（实现分布式）。记采样率为f，监测单元数量为N，则得到f×N的矩阵。

（2）对每秒原始信号矩阵的每一列（即每个监测单元的时域数据），进行差分运算，即每个数据点的后一点与其相减，D（an）=an+1-an，再取绝对值，当外界振动作用于传感光缆时，探测信号的波动范围会增大，通过差分运算，可以描述信号波动范围变化的程度。

（3）对上一步的矩阵按行进行分帧，记帧数为d，对每一帧，求每列的最大值，得到d×N的矩阵。即：将每一时刻的数据划分为d个时间片段，取每个片段的最大值，用以进一步增强探测到的振动信号。

（4）将各个时刻得到的数据矩阵进行拼接，即得到一段时间内的全段振动信号矩阵，用于绘制成光纤振动数据图像。

2.2  清管器跟踪

清管器在行进过程中与管道焊接缝隙的每一次撞击，产生的振动激励都会在振动瀑布图上产生一个类似“字母V”的形状。因此，需要对每个“字母V”形状的底部进行提取和定位。振动激励定位包括以下步骤：

（1）对一段时间内的全段振动信号矩阵，采用最大类间方差法进行二值化，得到二值化01矩阵，如图2所示。

（2）对01矩阵进行霍夫变换，找到区域中存在的直线线段。筛选出斜率小于-k的直线线段存入组a，筛选出斜率大于k的直线线段存入组b，该斜率由声波在金属管壁介质中的传播速度确定，如图3所示，为清管器作业振动数据线段提取结果。

（3）对于组a中的每条直线线段，查找其与组b中的各条直线线段是否存在交点，若与组b的其中一条直线线段存在交点，则这个交点即为清管器引起的振动源，读取这个交点的横轴坐标（清管器所在位置）和纵轴坐标（据此可以得到清管器行进到这个位置的具体时刻）。若与组b中的多条直线线段存在交点，则取纵轴坐标位于最上边的交点（对应最新的时刻）。

（4）通过定位清管器在多个时刻的位置，可以对清管器的行进状态进行全过程的实时跟踪，并可以根据清管器的行进状态对其到达指定位置的时间进行预判。清管器定位结果如图4所示，每个圆圈代表一次定位结果。

得到清管器在这个时间段内的行进状态信息，如表1所示。

3  运行效果

在某天然气管道清管作业期间开展了现场试验。通过光纤跳线，将天然气管道伴行光缆的其中一芯接入，所选取用于测振的单模光纤损耗约为0.24 dB/km。光缆与管道同沟敷设，位于管道上方。监测距离约23 km，沿途共设置有20个标识桩（命名为00#-19#）。使用直碟混合型清管器进行清管作业。清管器作业过程中，到达各标识桩的时刻记录如表2所示。

可以估算得到，在清管过程中，清管器的行进速度约为240～360 m/min，数据整体斜率较为一致，清管器在作业期间未出现阻塞情况。利用分布式光纤振动传感系统能够对清管器的行进状态进行有效的实时监测。

4  结  论

分布式光纤振动传感系统通过接入油气管道的伴行光缆作为振动传感器，采集油气管道沿线的所有振动信号，并通过识别和提取清管器在作业行进过程中产生的特殊振动信号，对清管器进行实时跟踪定位。其设备安装简单，对清管器位置和行进状态进行全过程实时在线跟踪，可以大幅度降低清管跟踪作业成本和人工劳动强度，通过现场实验，验证了该技术的可行性和有效性。此技术不需布设安装额外的监测设备，不依赖除光纤以外的任何条件，具有很高的工程应用价值，是未来清管器跟踪定位技术的重要发展方向。

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作者简介：渠红海（1978.09—），男，汉族，江苏徐州人，中级职称，研究方向：油气泄露综合监测。