曾傳海 石煥 龔志偉 張志深 唐小平

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸管道公司南昌輸氣分公司

摘要：針對(duì)管道環(huán)焊縫開挖作業(yè)中頻發(fā)的光纜損傷與焊口定位偏差問(wèn)題，提出"三維動(dòng)態(tài)防護(hù)+多源融合定位"技術(shù)體系。通過(guò)構(gòu)建基于分布式光纖傳感的光纜應(yīng)力監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合慣性導(dǎo)航與電磁標(biāo)記復(fù)合定位技術(shù)，形成全流程數(shù)字化管控方案。工程實(shí)踐表明，該方案顯著降低光纜損傷風(fēng)險(xiǎn)，焊口定位精度提升至行業(yè)領(lǐng)先水平，為長(zhǎng)輸管道安全運(yùn)維提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：環(huán)焊縫開挖；光纜防護(hù)；多源定位；數(shù)字孿生；管道安全

環(huán)焊縫質(zhì)量關(guān)系到管道安全運(yùn)行，影響國(guó)家能源動(dòng)脈安全。近年來(lái)隨著服役年限延長(zhǎng)，管道環(huán)焊縫開挖驗(yàn)證工作量每年都在增加。如何減少傳統(tǒng)開挖方式導(dǎo)致的光纜損傷，提高焊口定位精度，通過(guò)建立“三維動(dòng)態(tài)防護(hù)+多源融合定位”技術(shù)體系，有效保障了管道環(huán)焊縫開挖驗(yàn)證工作的安全性和效率。

1  問(wèn)題與風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1  光纜安全風(fēng)險(xiǎn)

（1）傳統(tǒng)雷迪儀測(cè)試光纜方法常存在偏差，容易與管道產(chǎn)生耦合，難以精準(zhǔn)定位光纜位置。

（2）開挖卸荷光纜懸空段超過(guò)安全長(zhǎng)度（>3 m），導(dǎo)致光纜應(yīng)力變化速率達(dá)0.5 MPa/min，超出常規(guī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)能力。

（3）GIS坐標(biāo)、慣性導(dǎo)航、電磁標(biāo)記等系統(tǒng)各自獨(dú)立，未建立有效的協(xié)調(diào)機(jī)制，依據(jù)單一數(shù)據(jù)源定位的誤差率比較高。

1.2   焊口定位風(fēng)險(xiǎn)

（1）慣性導(dǎo)航累積誤差。里程輪計(jì)距受地面起伏影響，軸向誤差隨距離放大。據(jù)某項(xiàng)目實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2 km管段焊口定位偏差達(dá)±2.1 m，額外增加土方量500 m³。  

（2）物理標(biāo)記物失效。淺層埋設(shè)的磁標(biāo)易受農(nóng)耕或洪水移位，10%的焊口因磁信號(hào)衰減至背景噪聲水平（<50 nT）而無(wú)法識(shí)別，需二次返工。

2  技術(shù)體系構(gòu)建與應(yīng)用

2.1  技術(shù)體系框架設(shè)計(jì)

“三維動(dòng)態(tài)防護(hù)+多源融合定位”技術(shù)體系以數(shù)字孿生平臺(tái)為核心樞紐，集成兩大子系統(tǒng)。  

（1）光纜三維動(dòng)態(tài)防護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光纜應(yīng)力狀態(tài)，動(dòng)態(tài)劃分開挖禁區(qū)；其數(shù)據(jù)流為：傳感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至數(shù)字孿生平臺(tái)。  

（2）焊口多源融合定位系統(tǒng)。其功能包括協(xié)同處理GIS、慣性導(dǎo)航（INS）、電磁標(biāo)記數(shù)據(jù)；其數(shù)據(jù)流為定位結(jié)果反饋至平臺(tái)進(jìn)行智能決策。  

兩大子系統(tǒng)通過(guò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，即光纜應(yīng)力突變時(shí)，平臺(tái)自動(dòng)鎖定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域并暫停機(jī)械作業(yè)；焊口定位數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)開挖禁區(qū)動(dòng)態(tài)調(diào)整，形成閉環(huán)管控。

2.2  三維動(dòng)態(tài)防護(hù)系統(tǒng)

三維動(dòng)態(tài)防護(hù)系統(tǒng)由空間定位層、應(yīng)力監(jiān)測(cè)層、過(guò)程控制層構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)光纜風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控。

（1）空間定位層。

BIM+GIS融合建模：集成光纜走向、埋深、土壤腐蝕性參數(shù)，空間分辨率5 cm；  

RFID智能標(biāo)識(shí)：沿光纜每200 m布設(shè)電子標(biāo)簽，手持設(shè)備定位精度±10 cm。

（2）應(yīng)力監(jiān)測(cè)層。

分布式光纖傳感（DAS）：Φ0.25 mm緊套光纖螺旋纏繞（螺距15 cm），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)變（精度1με）、振動(dòng)（靈敏度0.1 g）；  實(shí)施動(dòng)態(tài)預(yù)警機(jī)制（表 1）。

表 1 光纜應(yīng)變風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)響應(yīng)機(jī)制

（3）過(guò)程控制層。

基于應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以光纜為中心劃定三級(jí)防護(hù)區(qū)（表 2），動(dòng)態(tài)調(diào)整施工策略，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控 。

表 2 光纜風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控

2.3  焊口多源融合定位技術(shù)

（1）四級(jí)定位流程。

GIS粗定位：調(diào)用管道數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，圈定200 m范圍。  

INS精定位：采用FOG光纖陀螺儀（零偏穩(wěn)定性0.01 °/h）差分修正，誤差縮至±10 m。  

電磁細(xì)定位：在焊口兩側(cè)埋設(shè)NdFeB永磁體（剩磁1.4 T），采用Fluxgate磁強(qiáng)計(jì)（靈敏度10 nT） 掃描永磁體，鎖定±1 m區(qū)域。  

人工復(fù)核：手持超聲波測(cè)厚儀驗(yàn)證焊縫特征。

（2）數(shù)據(jù)融合算法。

建立基于卡爾曼濾波的定位模型：  

X（k） = A·X（k-1） + B·U（k） + W（k）

Z（k） = H·X（k） + V（k）

其中：狀態(tài)向量X=[經(jīng)度，緯度，深度，航向角]；觀測(cè)矩陣Z融合INS、電磁、GIS數(shù)據(jù) 。

2.4  工程應(yīng)用效果     

（1）應(yīng)用驗(yàn)證。選取國(guó)內(nèi)某天然氣干線管道開展工程應(yīng)用，管徑1219 mm，X80鋼級(jí)，開挖復(fù)拍56道環(huán)焊縫，光纜類型GYTA53-24B1，結(jié)果表明，光纜防護(hù)損傷率降至行業(yè)標(biāo)桿水平（較原方案下降94%以上）； 焊口定位平均誤差≤±0.25 m，單點(diǎn)定位工時(shí)縮短50.8%（表 3）。

表 3 技術(shù)體系應(yīng)用驗(yàn)證效果

（2）典型應(yīng)用場(chǎng)景。某沖溝段管道開挖，因地質(zhì)沉降導(dǎo)致原始里程偏差達(dá)11.3 m，采用本技術(shù)體系提出解決方案。 啟用INS軌跡回溯功能重建管道軸線；電磁標(biāo)記在1.7 m深度成功觸發(fā)響應(yīng)； DAS監(jiān)測(cè)到光纜應(yīng)變突增至45με/min，系統(tǒng)自動(dòng)暫停挖掘。結(jié)果表明，成功規(guī)避地質(zhì)沉降區(qū)11.3 m里程偏差，焊口精準(zhǔn)暴露，光纜零損傷。

3  結(jié)語(yǔ)

“三維動(dòng)態(tài)防護(hù)+多源融合定位”技術(shù)體系，攻克了光纜應(yīng)力突變監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)預(yù)警難題， 突破了復(fù)雜地質(zhì)條件下焊口亞米級(jí)定位瓶頸，有效解決了環(huán)焊縫開挖中的兩大難題。通過(guò)構(gòu)建“監(jiān)測(cè)—定位—管控”全鏈條數(shù)字化解決方案，開發(fā)集成化管理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警，能自動(dòng)推送風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位至現(xiàn)場(chǎng)平板終端；設(shè)置電子圍欄，在GIS地圖劃定機(jī)械作業(yè)禁區(qū) ；建立數(shù)字孿生，實(shí)時(shí)映射開挖面地下三維狀態(tài) 。

未來(lái)將在以下方面提升改進(jìn)，一是研發(fā)智能裝備，開發(fā)光纜避讓型挖掘機(jī)具，實(shí)現(xiàn)DAS數(shù)據(jù)與機(jī)械控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)；二是完善標(biāo)準(zhǔn)體系，推動(dòng)磁標(biāo)記定位、動(dòng)態(tài)防護(hù)等條款納入GB 50423等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；三是深化數(shù)字孿生，建立管道全生命周期BIM平臺(tái)，探索數(shù)字資產(chǎn)化管理模式。

作者簡(jiǎn)介：曾傳海，南昌輸氣分公司三級(jí)工程師，主要從事腐蝕控制、第三方施工管理等方面的工作。聯(lián)系方式：18079165260，164195311@qq.com。