通徑檢測器里程定位技術研究

李曉龍，張仕民，焦 泉，張 康，廖寧生

（中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京102249）

通徑檢測器里程定位技術研究

李曉龍，張仕民，焦 泉，張 康，廖寧生

（中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京102249）

通徑檢測器廣泛應用于管道內檢測作業中，其里程定位技術研究具有重要意義。通過對國內外相關文獻的總結，就目前常用的內檢測器及缺陷定位技術進行了歸納，并分析了不同方法的優缺點；基于通徑檢測器的結構特點和檢測原理提出了一種新型的焊縫定位方法，并提出了里程輪短距離打滑系數，對短距離的里程修正具有指導意義；提出了通徑檢測器因旋轉產生的里程誤差的修正方法，提高了短距離里程定位精度；針對同一條管線包含多種不同長度管道的實際情況，提出了一種可以判斷管道長度的新型焊縫修正算法，進一步提高了長距離里程輪定位精度。

通徑檢測器；里程定位技術；打滑系數；誤差修正

管道完整性是衡量一條管線合格與否的重要指標。由于管道的腐蝕、大變形、泄漏等造成的管道事故不計其數，不僅帶來了巨大的經濟損失，而且造成了環境的污染，因此對于管道完整性的檢測具有重要的意義。目前進行管道完整性檢測的方法有很多，包括管道外檢測、內檢測等。傳統的外檢測技術，不僅效率低下，而且對于大部分管線埋藏在土層以下幾米甚至幾十米深，以及現在應用范圍越來越廣泛的海洋管道檢測已無法滿足要求［1-7］。因此，目前國際上主流和應用性最廣的管道完整性檢測方式為采用一種特殊的設備，即管道內檢測器。

管道內檢測器的種類有很多，根據檢測目標的不同可以將內檢測器分為普通清管器、測徑檢測器、通徑檢測器和智能清管器檢測4種類型。普通清管和測徑清管器檢測所用的管道機器人相對簡單、發展也都比較成熟。通徑檢測器和智能檢測器的技術含量比較高，涉及到傳感及檢測、計算機、信號處理與分析等多技術的融合［7］。隨著內檢測智能化的發展趨勢，對于缺陷的檢測效率和準確性大幅提高，通過以上的內檢測方式將管道缺陷檢測出以后，如何精確地實現對缺陷定位成了管道內檢測研究的關鍵技術之一。檢測缺陷定位不準確給管道的維護、檢修帶來了很大的不便。此外，盲目開挖產生的經濟損失同樣巨大。所以，盡可能地提高管道內檢測定位的準確性具有很重要的意義［8-13］?？偨Y目前國內外現有的里程定位技術，各自都有其局限性，每一種管道狀況適應的定位技術也不完全相同。在未來的里程定位技術研究中，如何更加精確地實現里程定位成為了研究的重點，與此同時，筆者認為建立一套針對不同管道狀況的里程定位技術規范也是下一步研究的熱點。

1 里程定位研究進展

目前國內外對管道內檢測器定位技術已經進行了大量的研究。根據檢測方式的不同可以分為單一定位方法和修正定位法2大類。其中，單一定位方法定位精度相對較低，累計誤差較大；修正定位法是在單一定位法的基礎上進行的定長里程修正方法。

1.1 單一定位法

單一定位法根據定位原理的不同可以分為里程輪定位法、加速度定位法、視覺傳感器定位法、慣性導航定位法、基于光纖光柵空間曲率傳感器定位法等［11-13］。里程輪法定位原理簡單，數據處理方便快捷，其缺點是檢測精度受加工精度、管道內部狀況影響（結蠟、油污、缺陷、焊縫等），易產生彈跳和打滑現象。此外，內檢測器的旋轉也會引起里程增加等。從定位原理可以看出，里程輪定位法具有誤差累計效應，定位精度隨著測量距離的增加而不斷降低，誤差也越來越大［8，14-15］。加速度定位法的優點是短距離定位準確，受內檢測器旋轉、振動等外在因素影響小。缺點是由于加速度計的讀數值存在誤差，同時其遞推特性造成誤差累計現象產生，且以時間的二次方遞增。此外，由于管道傾斜，加速度計在管道內行進時受到重力沿斜坡方向的分力作用，計算距離時需引入重力加速度分量。因此，加速度定位法并不適應于長距離內檢測缺陷定位，而只適應于短距離的精確定位［16-18］。視覺傳感器法定位精度高，但檢測器運行速度受圖像處理速度的影響，行走速度太快將會影響CCD視覺定位而造成定位誤差增大，而且檢測定位效率也較低。此外，對于沾滿油污的管道，定位精度大幅降低［11～13］。慣性導航定位法優點是隱蔽性好，不受外界電磁干擾的影響；可全天候、全時間地工作于空中、地球表面乃至水下；能提供位置、速度、航向和姿態角數據，所產生的導航信息連續性好而且噪聲低；數據更新率高、短期精度和穩定性好等。其缺點是導航信息經過積分而產生，定位誤差隨時間而增大，長期精度差；使用前需要較長初始對準時間；設備價格較昂貴且不能給出時間信息［19-21］。光纖光柵空間曲率傳感器定位法的優點是只要給定初始測量點的空間位置、曲率、切向矢量方向和密切平面，就可以實現管道機器人的全程定位。其缺點是對傳感器檢測精度要求高，且定位算法復雜，較適應于多曲率管段的定位，對于長距離直管段定位精度較差［22］。

1.2 輔助定位法

內檢測器定位的輔助方法主要有：地面標記系統法、焊縫定位法、GPS定位法、定點磁標法等。輔助方法不能獨立應用于管道內缺陷的定位，只能配合單一定位法一起工作，可以有效地降低單一定位法的定位誤差，提高單一定位法的精度。

地面標記系統法、定點磁標法以及GPS定位法原理基本相同，即在管線固定位置處設置一個地面標記器（marker）或者電磁接受裝置和GPS接收裝置，每一個標記點的位置坐標為已知，當內檢測器通過標記點時對其里程進行修正，以此來提高里程定位精度［23～29］。特別指出，地面標記系統需要在新建管道時進行安置，但對于大部分舊管道未考慮后期的檢測和維護等問題，所以并未提前安置標記系統，所以此方法的應用具有局限性。定點標磁法以及GPS定位法受管道鋪設環境影響較大，有的管道鋪設在地下幾米甚至幾十米的位置，GPS信號以及電磁信號有時會產生丟失現象，造成定位誤差，因此同樣具有一定的局限性。焊縫定位法是通過對焊縫的識別來對管道里程進行修正，此方法同樣具有一定的局限性，僅適應于圓焊縫管道和管段長度已知的管道定位［30］。

2 通徑檢測器里程定位原理

2.1 通徑檢測器結構

通徑檢測器主要由檢測單元、數據處理單元、里程輪、發射機、防撞頭、骨架以及皮碗等組成［7］，如圖1所示。其中，檢測單元主要由檢測臂和檢測傳感器構成，其檢測臂均勻的布置于內檢測骨架周圍，根據周向檢測精度的要求可布置多排，用于管道內表面的檢測；數據處理單元包括數據采集器和處理器，用于對檢測數據的在線簡單處理；里程輪用于粗略里程記錄；皮碗為檢測器運行提供動力。通徑檢測器根據檢測臂的不同可以分為多種類型，但其檢測原理基本相同。以下結合通徑檢測器里程定位技術研究來對通徑檢測原理進行詳細介紹。

圖1 通徑檢測器結構示意

2.2 通徑檢測器定位原理

通徑檢測器采用里程輪結合焊縫的方式來對其進行里程定位。根據通徑檢測器的結構特點及檢測原理，提出1種新型的焊縫檢測方法，以此來彌補里程輪長距離檢測產生累積誤差的缺點［31～32］。并提出1種新型的算法來對通徑檢測器旋轉產生的誤差進行修正，進一步提高了短距離里程輪定位的精度。

實際檢測運行過程中，通徑檢測器檢測臂在彈簧預緊力的作用下與管壁緊貼，當內檢測器運行至管道大變形或者缺陷區域時，檢測臂會發生相應的角度擺動，通過檢測傳感器可以將擺動角度值記錄下來。圖2為管道內檢測器原理示意圖，根據幾何關系可知其變形高度值如式（1）所示。

式中：H為檢測臂距管壁的垂直高度；α為檢測臂的初始傾角；Δα為檢測臂的角度變化值。

圖2 通徑檢測器檢測原理示意

當內檢測器通過環焊縫時，周向同一圈探針均發生擺動，且擺動角度值均相等（忽略重力及振動引起的偏心），根據式（1）可知，周向同一圈的探針變形高度值Δh均相等。在此，將這樣的現象定義為“縮頸”，相鄰2個縮頸段間的距離為1根管段長度。通徑檢測器即是通過記錄“縮頸”來對焊縫進行識別，從而實現對里程輪記錄的里程值的修正。

2.3 誤差修正

如前所述，對于里程輪定位法，其缺點主要是因為管道內部狀況（油污、結蠟、大變形、缺陷等）產生打滑、彈跳等現象，造成里程記錄值偏?。?］。此外，通徑檢測器在檢測運行過程中不可避免的會產生旋轉現象，從而引起里程輪記錄值偏大［22］。因此，本文基于通徑檢測器結構提出了一種新的里程誤差修正方法。

里程輪打滑產生的誤差隨著檢測距離的增大會出現誤差累計現象，但基于本文采用的里程定位方法可知，里程記錄值僅限于同一截管道內，因此打滑產生的誤差累計現象較弱。所以本文通過分析之前學者實驗數據［28］，提出了短距離檢測過程里程輪的打滑系數δ，其值滿足：

對于因檢測器旋轉產生的誤差，在此選用1截管段進行分析，將管段剖分開，如圖3所示。圖3a表示內檢測器未發生旋轉時的運動軌跡，為直線運動；圖3b表示在1條管段內檢測器旋轉角度為360°的運動軌跡，在此將同一條管段檢測器發生旋轉運動小于360°定義為輕微旋轉運動；圖3c表示在同一管段內旋轉運動超過360°的運動軌跡，將其定義為嚴重旋轉運動。

圖3 通徑檢測器運動軌跡示意

假設在同一條管段內檢測器旋轉角度為β，其產生的里程誤差滿足下式：

式中：ε為同一管段因旋轉產生的里程誤差；r為檢測管道半徑。

根據檢測管段實際情況，其組成管線的管道長度可分為標準長度以及非標準長度2種。為了實現對里程輪采集數據的修正，針對同一條管線多種管道標準的特點，本文提出如下判斷修正法則：將相鄰2次“縮頸”段間的里程采集數據對比標準管段長度值，如果絕對值差滿足式（4），即將里程值修正為標準管道系列長度。如果絕對值差不滿足式（4），則判斷為非標準長度管道，采用里程輪采集系統數據。其具體過程如圖（4）所示。

式中：s為相鄰2次縮頸時刻間里程輪記錄值；s0為標準管道長度值；λ為誤差修正系數，通常取λ＝1.2～1.5。

圖4 里程修正流程

通過以上里程修正方法，大幅降低了因里程輪打滑和檢測器旋轉產生的里程誤差，結合焊縫定期修正，消除了里程輪誤差累計現象的產生，有效地提高了檢測精度。

3 結論

1） 分析了現有管道內檢測器里程定位技術的優缺點。本文結合通徑檢測器的結構及其檢測原理提出了一種新型的焊縫定位方法，結合里程輪定位法對通徑檢測器的里程定位技術進行了研究。

2） 提出了里程輪短距離打滑系數，對短距離的里程修正具有指導意義。提出了通徑檢測器因旋轉產生的里程誤差的修正方法，提高了短距離里程定位精度。

3） 針對同一條管線包含多種不同長度管道的實際情況，提出了一種可以判斷管道長度的新型焊縫修正方法，進一步提高了長距離里程輪定位精度。

4） 由于試驗管段的邊界條件單一，給出的打滑系數不具有普遍適應性，僅適應于短距離修正。

5） 焊縫定位法僅限于圓焊縫，對于之焊縫和螺旋焊縫管段無法應用此方法，因此具有一定的局限性。本文提出的定位方法的準確性有待于試驗驗證，是下一步工作的重點。

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Research of Pipeline Distance Measuring Technology for Caliper

LI Xiao-long，ZHANG Shi-min，JIAO Quan，ZHANG Kang，LIAO Ning-sheng
（College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Caliper is widely used in internal pipeline inspection work and the research of distance measuring for the caliper is very significant.Through studying the domestic and foreign related literature，the commonly used pipeline distance measuring technology is summarized and the advantages and disadvantages of different distance measuring technology is analyses in this paper.Based on the structure and inspection principle，a new type of weld positioning method and sliding coefficient of odometer wheel are proposed and have a guiding significance for short distance measuring.A new algorithm is proposed to deal with the mileage error caused by the rotation of caliper and effectively improve precision of the short distance measuring.As to the fact that a same pipeline include many different length pipe，a algorithm that can confirm pipeline length is proposed and further improve precision of long distance measuring.

caliper；distance measuring technology；sliding coefficient；error correction

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.010

1001-3482（2014）12-0040-05

2014-05-31

李曉龍（1988-），男，山東青島人，博士研究生，現主要從事管道清管、內檢測裝備研究，E-mail：xiaolongtlee＠163.com。