关于基于球形内检测器的管道倾角测量新方法.doc
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1、关于基于球形内检测器的管道倾角测量新方法0 引言管道是输送石油、天然气和水等资源的主要方式。经过多年发展,我国的油气管网规模已经非常庞大,目前有66%的管道已服役超过了25年1。但管道受输送介质、输送工况、地理气候变化、人为破坏和施工的影响,随着使用年限的增加,会逐渐出现焊缝开裂、腐蚀穿孔和形变等现象2。定期检测是确保管道长期安全运行的有效措施,而管道故障检测只有在已知管道地理坐标的前提下才有意义。受敷设装备和工艺等因素制约,部分管道在敷设时偏离设计路由。尤其对于海底管道,在海流和海床运动的影响下3,极易发生位移和形变,这都导致了原有地理坐标信息的丢失。因此对管道进行精确定位有着重要的现实意义
2、4。2004年,李孟杰等5研究设计了GPS、SINS与极低频电磁示踪相结合的海底管道轨迹在线测量系统:内检测器PIG携带电磁发射机和惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)在海底管道内间歇行进;跟踪船携带电磁接收机和GPS接收机跟踪和定位PIG。该方法理论上能够连续测量整条管线坐标,但精度不详,运行过程中需要跟踪船配合作业,效率很低。2011年,Jin Shiyong等6研究了基于SINS的海底管道轨迹描述技术,通过实验校准,测得的管道轨迹偏差基本满足误差要求,但具体校准方法和定位精度不详。2012年沈阳工业大学的杨理践教授等7-9针对PIG的运行规律、离线数
3、据处理以及无法利用GPS和地磁导航等特点,全面系统地研究了基于IMU/里程仪组合导航的管道三维地理坐标测量技术,目前精度为管长400 m时误差为0.16%,仍然满足不了长输管道的检测需求。2014年陈世利等10提出了一种球形内检测器用于检测和定位管道微小泄漏,具有不易卡堵、信噪比高的优点。随后黄新敬等11-13提出了一种通过管道内磁场反演计算管道三维走向及地理坐标测量的方法,30 km管道轨迹重构误差为1.2 km,但在倾角测量方面表现不够理想,测量精度欠佳。管道定向及定位主要利用管道的倾角、偏角和内检测器的里程数据计算,由于很难在现场对管道地磁屏蔽模型进行标定,所使用的理想屏蔽系数与实际值存
4、在一定偏差,因此在管道倾角测量上存在较大误差,从而导致管道地理坐标测量误差较大14。本文针对上述方法存在的不足,利用球形内检测器在管道中的运动特点、磁化后管道内的磁场特征和坐标变换,提出了一种不使用管道磁屏蔽模型的管道倾角测量新方法。1 测量原理现场实验证实球形内检测器在滚动过程中短时间内绕某一固定轴旋转,可用于球体姿态反演;球形内检测器中的传感器所在位置不在球体中心,测点轨迹是一条摆线,如图1所示;当管道具有原始磁化或经历过特殊磁化,管道内径向磁场将存在梯度,磁传感器测量值的大小与距离管壁的远近有关。因此,可充分利用重力场和磁场梯度来解算球体姿态和管道倾角。基于以上条件,建立求解管道倾角的数
5、学模型。坐标系定义如图2所示。定义管道坐标系O1-X1Y1Z1,其中X1平行于水平面,Y1垂直于管道轴向向里,Z1竖直向上与重力加速度反向。内检测器搭载一个九轴加速度计-陀螺仪-磁力计JY901,传感器在管道内绕定轴旋转运动,旋转半径为r,定义传感器的加速度测量轴为坐标系O2-X2Y2Z2,该坐标系的方向与传感器在内检测器内的装配角度有关。传感器可测得在坐标系O2-X2Y2Z2下以角速度旋转的磁场B2和加速度a2,磁力计与加速度计的测量轴完全一致。定义内检测器体坐标系O3-X3Y3Z3,其中Z3指向坐标系O2-X2Y2Z2的原点O2,Y3与Y1重合,二者所在的轴线即传感器旋转所围绕的固定轴线。
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