基于內檢測的油氣管道中線坐標修正方法

李建輝 劉武廣

北京天下圖數據技術有限公司， 北京 101300

0 前言

管道運輸是石油天然氣的主要運輸方式，是國家經濟發展的大動脈，管道安全對經濟的發展非常重要。運輸過程中，管道受運輸介質和自然環境的影響會腐蝕和形變。管道投產時間越長，管道安全問題日益突出。同時，由于城市建設步伐的加快，管道沿線施工活動頻繁，嚴重威脅管道的安全運營。獲取準確的油氣管道中線坐標是管道安全運營的基礎，對管道維護及政府用地規劃具有重要的意義。

1 管道內檢測

管道內檢測技術可保證在管道正常運行狀態下定量檢測出管道存在的缺陷。該技術的應用可為管道事故的預防和合理維護提供科學依據，對保證管道尤其是長輸管道安全運行具有重要作用［1］。

管道內檢測是利用在管道內運行的可實時采集并記錄管道信息的檢測器所完成的檢測［2］。管道內檢測可以確定管道內外腐蝕程度、面積大小、周向位置及軸向位置;確定管道環向及螺旋焊縫形狀、缺陷及分布位置，以及管道附件(如彎頭、三通、閥門、法蘭、環焊縫等)的位置［3］。通過管道內檢測得到的彎頭、三通、閥門、法蘭及焊縫等管道設施的坐標，即是應用于油氣管道保護的管道中線坐標。

2 油氣管道中線坐標獲取現狀

我國油氣行業發展迅速，但數字化管道技術的應用和發展卻較緩慢。數字化管道技術就是將沿線輸送管道上的數據、圖片、記錄等信息記錄下來，通過計算機系統分析處理后建立一個能夠實現信息化動態管理的真實可靠的管道數據庫，以促進輸送管道的正常運營和智能化管理，實現輸送管道的自動化［4］，如西氣東輸冀寧支線工程，是我國第一條數字化管道［5］。早期建設的許多油氣管道沒有進行管道數據采集，管道施工單位未嚴格按照管道設計圖紙施工，實際埋設的管道位置與設計位置存在一定偏差，竣工資料不能提供準確的油氣管道中線坐標，給運營期油氣管道安全帶來隱患。

采用地面管線探測與現場測量相結合的方法，可以獲取油氣管道中線坐標，但需探測很多管線點才能得到準確的地下管道路由，探測與測量的工作量大。地下管線探測儀的精度隨著管道埋深的增加而降低，穿越管道、定向鉆管道很難準確探測出來。如果管線附近有金屬物干擾，管線探測的定位精度就無法達到管道保護的要求。

根據實測部分已知管線點比對竣工資料，對竣工資料里的油氣管道中線坐標進行處理也可以獲取地下管道中線坐標，實施的工作量雖不大，但由于竣工資料里管道路由與實際管道偏差無規律性以及不確定性，這種方法獲取油氣管道中線坐標的效果也不理想。

為了保證油氣管道的安全運營，每隔一段時間要對油氣管道進行內檢測，以掌握油氣管道的缺陷情況。管道內檢測除了能檢測油氣管道的缺陷情況，還可以確定彎頭、三通、閥門、法蘭及焊縫等管道附件的坐標。對于施工期間沒有實施數字化建設的管道，通常采用管道內檢測獲取油氣管道中線坐標。

管道內檢測是通過對檢測載體轉動角度和加速度的綜合處理獲得位移［6］，實現在封閉環境下對整個管道坐標的測量，定位精度隨時間與距離的增加而降低，所以利用磁標記的已知坐標來減少內檢測傳感器定位的積累誤差。由于受磁標記設置密度與位置、內檢測傳感器本身定位精度及檢測器運行速度等因素影響，管道內檢測得到的油氣管道中線坐標與實際管道位置存在偏差，不能滿足管道保護對管道坐標精度的要求。為獲取精確的油氣管道中線坐標，需要一種修正油氣管道內檢測數據的方法。

3 油氣管道中線坐標修正方法

以珠江支線管道內檢測中線坐標修正為例，闡述基于內檢測的油氣管道中線坐標修正方法。根據管道內檢測數據選取特征點，現場進行放樣，指導土建開挖，并對特征點進行測量，形成油氣管道中線坐標修正參考點對。根據修正參考點對，利用坐標修正軟件對管道內檢測數據進行重新擬合處理，經過一系列修正后產生新油氣管道中線坐標，結合管線探測以及現場開挖驗證等手段對新油氣管道中線坐標精度進行檢驗。對超出偏差范圍的管段，采用增加修正參考點的方法進行重新修正。油氣管道中線坐標修正流程見圖1。

圖1 油氣管道中線坐標修正流程

3.1 修正參考點選取

修正參考點選取是管道內檢測坐標修正工作的關鍵，包括內業初步選點與現場踏勘定點，內業初步選點應充分考慮管道的埋深及測繪作業條件等因素。將管道內檢測坐標導入到地理信息系統軟件中，結合管道內檢測數據屬性信息，優先選取管道水平或豎直方向變化較大的彎頭下游焊縫作為修正參考點，其設置距離不宜過長。珠江支線全長8.7 km，其管道內檢測數據中選取修正參考點信息見表1。

表1 選取修正參考點信息

把內業選定的修正參考點坐標導入到測量儀器里，現場進行放樣，由于管道內檢測坐標存在一定偏差，要采用管線探測的方法輔助確定修正參考點的開挖位置。為了提高管道內檢測坐標修正精度，宜將管道沿線的三通、法蘭及閥門作為參考點應用于油氣管道中線坐標修正中。

3.2 修正參考點測量

三通、閥門及法蘭可以直接進行測量，磁力盒是管道內檢測前已埋設且測量的，所以開挖測量的修正參考點是焊縫。土建承包商根據現場踏勘確定的焊縫位置進行人工開挖，開挖過程中應避免損傷管道防腐層。開挖完成后，相關技術人員對焊縫進行識別，然后采用高精度的RTK 測量方法對修正參考點的平面坐標及高程進行測量。開挖基坑一般大于1.2 m，為了提高測量精度，必須配備足夠長的對中桿觀測儀器，并且移除遮蔽物，保證良好的觀測條件。

表2 實測修正參考點信息

為了避免GPS 衛星信號不穩定造成測量粗差現象，必須初始化測量儀器后重新測量修正參考點，對比2 次測量坐標，確保數據正確無誤方可結束對該點的測量任務。如果修正參考點所在位置GPS 衛星信號較差，RTK無法正常使用，就必須使用全站儀進行測量，RTK 圖根控制點測量應符合測量規范要求。RTK 平面控制點測量流動站觀測時應采用三角架對中、整平，每次觀測歷元數應不少于20 個，采樣間隔2 ～5 s，各次測量的平面坐標較差應不大于4 cm［7］。儀器架設完成后必須利用另外1 個圖根控制點進行檢核，避免全站儀測量錯誤。對珠江支線選取的1 個閥門、1 個三通、7 個焊縫進行測量，實測修正參考點信息見表2。

經過實測發現管道內檢測管道得到的管線點坐標與測量坐標存在一定偏差，具體情況見表3。

表3 管道內檢測數據與實測數據偏差表

3.3 內檢測坐標修正

仔細檢查現場測量的修正參考點數據，分析測量數據與管道內檢測數據的偏差是否與現場一致，現場測量的參考點屬性是否與管道內檢測數據屬性表一一對應，使用管道內檢測里程建立修正參考點與管道內檢測數據之間的匹配關系，修正參考點包括三通、閥門、法蘭、焊縫及磁力盒。

檢查無誤后開始進行管道內檢測坐標修正工作，根據修正參考點的分布位置，盡量縮短修正管段距離，提高修正精度。內檢測坐標修正采用七參數轉換模型，七參數包括3 個旋轉參數、3 個平移參數和1 個尺度參數［8］。把表1 選取的14 個修正參考點坐標導入到坐標修正軟件中建立數據分析及數據轉換模型，將該管段的內檢測數據導入到坐標修正軟件中進行模擬整合，消除內檢測器定位的積累誤差，形成新的管道內檢測油氣管道中線坐標。

3.4 油氣管道中線坐標驗證

把新的管道內檢測油氣管道中線坐標數據導入到地理信息系統軟件中，疊加修正參考點進行分析，判斷油氣管道中線坐標是否已修正。采用油氣管道中線坐標放樣與現場管線探測相結合的方法，對修正的油氣管道中線坐標精度進行驗證，驗證點優先選擇在管道水平或豎直方向變化處的焊縫。確定驗證點后把驗證點的坐標錄入到儀器里，可通過軟件直接將放樣點坐標傳輸到GPS 手薄和手工錄入方式進行錄入［9］。

現場先使用測量儀器把驗證點的位置放樣出來，再利用管線探測儀進行探測驗證。GPS 手薄屏幕上的圖形顯示出實地待定點相對于目標點所偏移的距離，按照指示移動流動站，直到精度滿足要求。如果放樣位置與探管位置的偏差在允許范圍內，說明油氣管道中線坐標準確，否則應進行開挖驗證。如果驗證點附近存在其他金屬物體或者管道埋設較深影響了管線探測儀的正常使用，該驗證點也應進行開挖驗證。把實測的開挖驗證點與修正后的管道內檢測驗證點進行比對分析，若偏差超出限差，則要把該驗證點作為修正參考點，對該區域進行再次修正，以此獲取準確的油氣管道中線坐標。珠江支線一共選取6 個點進行現場驗證，具體驗證情況見表4。

表4 修正油氣管道中線坐標驗證表

某公司全部油氣管道中線坐標經過修正后，偏差均在±1 m以內，其中92偏差在±0.5 m 以內，成功獲取了準確的油氣管道中線坐標。

4 結論

通過修正參考點選取、修正參考點測量、內檢測坐標修正及管道中線坐標驗證這4 個步驟對油氣管道內檢測中線坐標進行修正，可以使油氣管道中線坐標的精度達到±1 m 以內，滿足管道保護及管道完整性管理的要求，油氣管道中線坐標的準確獲取對油氣管道的安全運營產生重大的經濟價值和社會意義。

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