清管器跟踪定位技术发展现状与趋势

清管器跟踪定位技术发展现状与趋势石油和天然气作石油和天然气作为为重要的能源物重要的能源物资资，影响着国民，影响着国民经济经济与各与各行各行各业业的的发发展，与人民的生活息息相关，管道作展，与人民的生活息息相关，管道作为为石油和天然气石油和天然气输输送的主要方式，其相比于道路运送的主要方式，其相比于道路运输输具有安全、具有安全、经济经济、便捷等特、便捷等特点。然而，点。然而，对对于管道而言，清管作于管道而言，清管作业业是油气是油气长输长输管道投管道投产产前和运前和运行中的一行中的一项项重要且必不可少的工作，清管的作用包括增加流量，重要且必不可少的工作，清管的作用包括增加流量，提高生提高生产产效率，减少内部腐效率，减少内部腐蚀蚀，保障安全生，保障安全生产产，降低，降低维护费维护费用，用，实现实现在在线检测线检测，延，延长长管道寿命等，最管道寿命等，最终终目的是降低成本、提高收目的是降低成本、提高收益。然而，清管是一益。然而，清管是一项项高高风险风险作作业业，因，因为为一旦清管器卡在某个位一旦清管器卡在某个位置且不能及置且不能及时时定位，定位，则则会影响油气的正常会影响油气的正常输输送甚至危及管道安送甚至危及管道安全，因此，清管器的跟踪定位是清管作全，因此，清管器的跟踪定位是清管作业业中一中一项项极极为为重要的内容，重要的内容，研究并开研究并开发发有效的清管器跟踪定位有效的清管器跟踪定位设备设备， ，对对于保于保证证管道的正常管道的正常运行、运行、输输送效率和安全生送效率和安全生产产尤尤为为重要。重要。1 1、清管器跟踪定位设备、清管器跟踪定位设备在在过过去近去近 40 年的年的时间时间里，世界各国研制了里，世界各国研制了许许多基于各种原多基于各种原理的清管器跟踪定位理的清管器跟踪定位设备设备，其目的是保，其目的是保证证清管器的正常运行，清管器的正常运行，监监视视清管器的运行位置，以避免其卡堵在管道中，成清管器的运行位置，以避免其卡堵在管道中，成为为障碍，影响障碍，影响管道安全。管道安全。按照按照 PPSA 的定的定义义，清管器跟踪定位是指在清管作，清管器跟踪定位是指在清管作业过业过程程中中监视监视清管器的运清管器的运动动或者或者查查找其确切位置。通常，清管器跟踪定找其确切位置。通常，清管器跟踪定位位设备设备可以完成通可以完成通过过指示、精确定位和循迹跟踪指示、精确定位和循迹跟踪 3 种功能。通种功能。通过过指示是指在清管器通指示是指在清管器通过过管道特定位置管道特定位置时发时发出特定提示；精确定位出特定提示；精确定位是指当清管器卡、堵在管道内是指当清管器卡、堵在管道内时时，确定清管器的确切位置；循迹，确定清管器的确切位置；循迹跟踪是指沿管道跟踪是指沿管道连续连续不断地不断地获获得清管器的位置，或者在一系列得清管器的位置，或者在一系列预预先先设设定的地点逐个定位清管器。与上述定的地点逐个定位清管器。与上述 3 种功能相种功能相对应对应，按照，按照适用适用场场合和使用方法的不同，信号接收部分可以分合和使用方法的不同，信号接收部分可以分为为：指示器：指示器（ （PassageSignaler）、定位器（）、定位器（Locator）、跟踪器（）、跟踪器（Tracker）。另外，）。另外，在智能清管作在智能清管作业业中使用的中使用的标记标记器（器（Marker）也是一种接收器，它）也是一种接收器，它在定位精度和在定位精度和时间时间准确性方面有着更高的要求。准确性方面有着更高的要求。目前，国内外的清管器跟踪定位目前，国内外的清管器跟踪定位产产品主要基于放射性、机械、品主要基于放射性、机械、声学、声学、压压力、磁学等原理，按照适用力、磁学等原理，按照适用场场合和使用方法可以分合和使用方法可以分为为指指示器、定位器、跟踪器示器、定位器、跟踪器 3 种种类类型。然而，因放射性元素型。然而，因放射性元素对对人体有人体有危害，危害，许许多多设备设备已已经经被限制和禁止使用；机械式跟踪被限制和禁止使用；机械式跟踪设备设备需要直需要直接与清管器接触，需要安装在管道上，使用不灵活，通常只能作接与清管器接触，需要安装在管道上，使用不灵活，通常只能作为为通通过过指示器，不能用于跟踪定位；声学指示器，不能用于跟踪定位；声学设备设备具有有效跟踪距离具有有效跟踪距离远远的的优优点，但其定位精度点，但其定位精度较较差；基于磁学方法的跟踪定位差；基于磁学方法的跟踪定位设备设备技技术术成熟，其成熟，其设备设备无需与管道接触，使用方便、灵活，具有定位精无需与管道接触，使用方便、灵活，具有定位精度高的度高的优优点，是目前跟踪定位点，是目前跟踪定位设备设备采用的主流技采用的主流技术术。 。2 2、传统跟踪定位方法、传统跟踪定位方法2.1 放射性同位素法放射性同位素法该该方法的工作原理是在清管器上安装放射性同位素示踪物，方法的工作原理是在清管器上安装放射性同位素示踪物，放射源向四周放射源向四周辐辐射放射性射射放射性射线线，使用盖革，使用盖革-弥勒弥勒计计数管（数管（Geiger-MullerCounter）作）作为为接收器，探接收器，探测测清管器携清管器携带带的放射性同位素的放射性同位素示踪物，以指示清管器所在的位置。示踪物，以指示清管器所在的位置。该该方法的方法的优优点是定位精度高，可以达到点是定位精度高，可以达到 2cm，清管器不需要，清管器不需要安装安装电电子元件，尺寸小，而且抗干子元件，尺寸小，而且抗干扰扰能力能力强强，可以用于，可以用于检测检测某些某些埋地管道。与此同埋地管道。与此同时时， ，该该方法的局限性和危方法的局限性和危险险性性较较大，放射性射大，放射性射线线可能可能对对人体造成人体造成伤伤害和害和对环对环境造成境造成污污染，安装和拆卸放射源染，安装和拆卸放射源都需要有相都需要有相应资质应资质的人的人员员操作，耗操作，耗时较长时较长； ；对对于放射性源的管理于放射性源的管理比比较较困困难难，作，作业业成本成本较较高；安装在清管器容器中的放射源一般高；安装在清管器容器中的放射源一般较较小，一旦小，一旦发发生脱落，生脱落，遗遗留在管道中，将造成很留在管道中，将造成很严严重的事故和后果。重的事故和后果。目前，基于放射性同位素法的跟踪定位目前，基于放射性同位素法的跟踪定位设备设备基本被更加安全的基本被更加安全的方法和方法和设备设备所取代。所取代。2.2 机械法机械法该该方法的工作原理是可双向触方法的工作原理是可双向触发发的撞的撞针针接管探入管道内部接管探入管道内部靠近管壁，当清管器通靠近管壁，当清管器通过时过时，撞，撞针针被被拨动拨动， ，经经密封密封轴轴套中的套中的连连杆杆将将动动作作传递给仪传递给仪表按表按钮钮，触，触发显发显示示仪仪表工作。表工作。该类设备该类设备主要作主要作为为通通过过指示器用于站指示器用于站场场和和阀阀室管道上。室管道上。该该方法的方法的优优点是原理点是原理简单简单，清管器通，清管器通过过判断准确。判断准确。该该方法的方法的缺点是缺点是设备设备需要安装在管道上，会破坏管道防腐需要安装在管道上，会破坏管道防腐层层；会由于清管；会由于清管器破器破损损、管道内壁、管道内壁污污垢太厚等情况垢太厚等情况导导致撞致撞针针不不动动作；不能作；不能实现实现定定位，只能作位，只能作为为通通过过指示器使用。指示器使用。2.3 声学法声学法声学声学设备设备按照声波的来源可以分按照声波的来源可以分为为有源和无源两种有源和无源两种类类型。型。有源有源设备设备通常在海上使用，清管操作人通常在海上使用，清管操作人员员使用声波使用声波发发射器，射器，发发出出声波脉冲。声波利用管道外海水和管道内液体介声波脉冲。声波利用管道外海水和管道内液体介质质作作为为信号信号传传播的播的导导体。体。该该方法能将接收器放低到水面之下，也可以在海上或方法能将接收器放低到水面之下，也可以在海上或直升机上直升机上监测监测，但因，但因输输气管道缺少气管道缺少传传播介播介质质，因此，通常不适用，因此，通常不适用于干燥的或管外有大量包覆物的于干燥的或管外有大量包覆物的输输气管道。气管道。2.3.1 声波特征判声波特征判别别方法方法该该方法由于没有使用声波方法由于没有使用声波发发射源，因此属于无源方法。由于射源，因此属于无源方法。由于清管器运行清管器运行时时清管器密封清管器密封盘盘或者直板与管壁摩擦与或者直板与管壁摩擦与经过焊缝时经过焊缝时产产生的噪音与管道无清管器运行生的噪音与管道无清管器运行时发时发出的声波出的声波频频率是不同的，率是不同的，因此，通因此，通过记录过记录和和对对比分析管道中有清管器运行比分析管道中有清管器运行时产时产生的噪音生的噪音声波和管道中无清管器运行声波和管道中无清管器运行时时的声波特征，就可以跟踪定位清的声波特征，就可以跟踪定位清管器的位置。管器的位置。该该方法方法检测检测的有效距离与清管器的速度和的有效距离与清管器的速度和质质量以量以及管道的及管道的压压力有关。通常，管道的管径和力有关。通常，管道的管径和压压力越大，清管器的速力越大，清管器的速度和度和质质量越大，信号越好，有效距离越量越大，信号越好，有效距离越长长。 。该该方法的方法的优优点是只需要在管道的点是只需要在管道的发发球站或收球站球站或收球站检测检测声波声波信号，而不需要在管道沿信号，而不需要在管道沿线设线设置置监测监测点，点，现场现场跟踪定位工作量小。跟踪定位工作量小。该该方法的缺点是受声波方法的缺点是受声波传传播距离影响，可播距离影响，可检测检测的管道的管道长长度短。然度短。然而，而，现现在的在的输输气管道距离气管道距离较长较长，在清管以前需要，在清管以前需要预预先分析管道内先分析管道内部的声波信号特征，前期工作繁部的声波信号特征，前期工作繁琐琐， ，对对于不同管道的通用性差。于不同管道的通用性差。2.3.2 超声波法超声波法超声波法是有源方法，其原理是在清管器上安装超声波超声波法是有源方法，其原理是在清管器上安装超声波发发射器，接收器接收到射器，接收器接收到发发射器射器发发出的超声波信号后，出的超声波信号后，计计算出清管器算出清管器的位置，从而的位置，从而实现实现清管器的跟踪与定位。然而，由于声波需要清管器的跟踪与定位。然而，由于声波需要传传播介播介质质， ，为为了保了保证证超声波信号超声波信号发发生器正常工作，需要使其与管壁生器正常工作，需要使其与管壁之之间间充充满满液体，因此，若使用液体，因此，若使用该该方法，管道中必方法，管道中必须须有液体介有液体介质质， ，当清管器上安装超声波当清管器上安装超声波发发生器生器时时，其前皮碗不做完全密封，以保，其前皮碗不做完全密封，以保证发证发生器周生器周围围有液体存在。另外，超声波在有液体存在。另外，超声波在传传播播过过程中程中经过经过管道管道中每个界面和土壤中每个界面和土壤时时都会都会发发生生严严重衰减，因而影响重衰减，因而影响该该方法的方法的监监测测距离。距离。该该方法的方法的优优点是信号点是信号发发射距离射距离远远，信号，信号监测监测范范围围广，可以达广，可以达到到 2km，因此，因此，对对于海底管道，可以在工作船上于海底管道，可以在工作船上对对清管器清管器进进行跟行跟踪定位作踪定位作业业；定位精度高，使用遥控潜水器作；定位精度高，使用遥控潜水器作为为接收器接收超声接收器接收超声波信号波信号时时，定位精度可达，定位精度可达 510m。 。该该方法的缺点是超声波的方法的缺点是超声波的传传播播必必须须有液体作介有液体作介质质，因此，不适用于气体和油气混，因此，不适用于气体和油气混输输管道；由于管道；由于超声波在穿透土壤或其他隔离物超声波在穿透土壤或其他隔离物时时会会发发生生严严重衰减，因此，不适重衰减，因此，不适用于埋地管道。用于埋地管道。2.4 压压力法力法压压力法主要用于站力法主要用于站场场和和阀阀室的清管器跟踪定位。其原理是室的清管器跟踪定位。其原理是在清管器未在清管器未处处于于压压差式差式压压力力变变送器两探送器两探头头之之间时间时，因，因