曾傳海 石煥 龔志偉 張志深 唐小平

國家管網(wǎng)集團西氣東輸管道公司南昌輸氣分公司

 

摘要：針對管道環(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題，提出"三維動態(tài)防護+多源融合定位"技術體系。通過構建基于分布式光纖傳感的光纜應力監(jiān)測網(wǎng)絡，結合慣性導航與電磁標記復合定位技術，形成全流程數(shù)字化管控方案。工程實踐表明，該方案顯著降低光纜損傷風險，焊口定位精度提升至行業(yè)領先水平，為長輸管道安全運維提供技術支撐。

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

 

環(huán)焊縫質量關系到管道安全運行，影響國家能源動脈安全。近年來隨著服役年限延長，管道環(huán)焊縫開挖驗證工作量每年都在增加。如何減少傳統(tǒng)開挖方式導致的光纜損傷，提高焊口定位精度，通過建立“三維動態(tài)防護+多源融合定位”技術體系，有效保障了管道環(huán)焊縫開挖驗證工作的安全性和效率。

1  問題與風險分析

1.1  光纜安全風險

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

（2）開挖卸荷光纜懸空段超過安全長度（>3 m），導致光纜應力變化速率達0.5 MPa/min，超出常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)響應能力。

（3）GIS坐標、慣性導航、電磁標記等系統(tǒng)各自獨立，未建立有效的協(xié)調機制，依據(jù)單一數(shù)據(jù)源定位的誤差率比較高。

1.2   焊口定位風險

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

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

2  技術體系構建與應用

2.1  技術體系框架設計

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

（1）光纜三維動態(tài)防護系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能包括實時監(jiān)測光纜應力狀態(tài)，動態(tài)劃分開挖禁區(qū)；其數(shù)據(jù)流為：傳感數(shù)據(jù)實時上傳至數(shù)字孿生平臺。  

（2）焊口多源融合定位系統(tǒng)。其功能包括協(xié)同處理GIS、慣性導航（INS）、電磁標記數(shù)據(jù)；其數(shù)據(jù)流為定位結果反饋至平臺進行智能決策。  

兩大子系統(tǒng)通過平臺實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)聯(lián)動，即光纜應力突變時，平臺自動鎖定風險區(qū)域并暫停機械作業(yè)；焊口定位數(shù)據(jù)驅動開挖禁區(qū)動態(tài)調整，形成閉環(huán)管控。

2.2  三維動態(tài)防護系統(tǒng)

三維動態(tài)防護系統(tǒng)由空間定位層、應力監(jiān)測層、過程控制層構成，實現(xiàn)光纜風險分級管控。

（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智能標識：沿光纜每200 m布設電子標簽，手持設備定位精度±10 cm。

（2）應力監(jiān)測層。

分布式光纖傳感（DAS）：Φ0.25 mm緊套光纖螺旋纏繞（螺距15 cm），實時監(jiān)測應變（精度1με）、振動（靈敏度0.1 g）；  實施動態(tài)預警機制（表 1）。

表 1 光纜應變風險分級響應機制

 

（3）過程控制層。

基于應力監(jiān)測數(shù)據(jù)，以光纜為中心劃定三級防護區(qū)（表 2），動態(tài)調整施工策略，實現(xiàn)風險分級管控 。

表 2 光纜風險分級管控

2.3  焊口多源融合定位技術

（1）四級定位流程。

GIS粗定位：調用管道數(shù)據(jù)庫數(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。  

電磁細定位：在焊口兩側埋設NdFeB永磁體（剩磁1.4 T），采用Fluxgate磁強計（靈敏度10 nT） 掃描永磁體，鎖定±1 m區(qū)域。  

人工復核：手持超聲波測厚儀驗證焊縫特征。

（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]；觀測矩陣Z融合INS、電磁、GIS數(shù)據(jù) 。

2.4  工程應用效果     

（1）應用驗證。選取國內某天然氣干線管道開展工程應用，管徑1219 mm，X80鋼級，開挖復拍56道環(huán)焊縫，光纜類型GYTA53-24B1，結果表明，光纜防護損傷率降至行業(yè)標桿水平（較原方案下降94%以上）； 焊口定位平均誤差≤±0.25 m，單點定位工時縮短50.8%（表 3）。

表 3 技術體系應用驗證效果

（2）典型應用場景。某沖溝段管道開挖，因地質沉降導致原始里程偏差達11.3 m，采用本技術體系提出解決方案。 啟用INS軌跡回溯功能重建管道軸線；電磁標記在1.7 m深度成功觸發(fā)響應； DAS監(jiān)測到光纜應變突增至45με/min，系統(tǒng)自動暫停挖掘。結果表明，成功規(guī)避地質沉降區(qū)11.3 m里程偏差，焊口精準暴露，光纜零損傷。

3  結語

“三維動態(tài)防護+多源融合定位”技術體系，攻克了光纜應力突變監(jiān)測與實時預警難題， 突破了復雜地質條件下焊口亞米級定位瓶頸，有效解決了環(huán)焊縫開挖中的兩大難題。通過構建“監(jiān)測—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)。實現(xiàn)智能預警，能自動推送風險點位至現(xiàn)場平板終端；設置電子圍欄，在GIS地圖劃定機械作業(yè)禁區(qū) ；建立數(shù)字孿生，實時映射開挖面地下三維狀態(tài) 。

未來將在以下方面提升改進，一是研發(fā)智能裝備，開發(fā)光纜避讓型挖掘機具，實現(xiàn)DAS數(shù)據(jù)與機械控制系統(tǒng)聯(lián)動；二是完善標準體系，推動磁標記定位、動態(tài)防護等條款納入GB 50423等行業(yè)標準；三是深化數(shù)字孿生，建立管道全生命周期BIM平臺，探索數(shù)字資產(chǎn)化管理模式。

作者簡介：曾傳海，南昌輸氣分公司三級工程師，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。