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(kāi)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+多源融合定位"技術(shù)體系。通過(guò)構建基于分布式光纖傳感的光纜應力監測網(wǎng)絡(luò )，結合慣性導航與電磁標記復合定位技術(shù)，形成全流程數字化管控方案。工程實(shí)踐表明，該方案顯著(zhù)降低光纜損傷風(fēng)險，焊口定位精度提升至行業(yè)領(lǐng)先水平，為長(cháng)輸管道安全運維提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：環(huán)焊縫開(kāi)挖；光纜防護；多源定位；數字孿生；管道安全

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

1  問(wèn)題與風(fēng)險分析

1.1  光纜安全風(fēng)險

（1）傳統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(kāi)挖卸荷光纜懸空段超過(guò)安全長(cháng)度（>3 m），導致光纜應力變化速率達0.5 MPa/min，超出常規監測系統響應能力。

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

1.2   焊口定位風(fēng)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。據某項目實(shí)測數據顯示，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(wú)法識別，需二次返工。

2  技術(shù)體系構建與應用

2.1  技術(shù)體系框架設計

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

（1）光纜三維動(dòng)態(tài)防護系統。該系統功能包括實(shí)時(shí)監測光纜應力狀態(tài)，動(dòng)態(tài)劃分開(kāi)挖禁區；其數據流為：傳感數據實(shí)時(shí)上傳至數字孿生平臺。  

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

兩大子系統通過(guò)平臺實(shí)現雙向數據聯(lián)動(dòng)，即光纜應力突變時(shí)，平臺自動(dòng)鎖定風(fēng)險區域并暫停機械作業(yè)；焊口定位數據驅動(dòng)開(kāi)挖禁區動(dòng)態(tài)調整，形成閉環(huán)管控。

2.2  三維動(dòng)態(tài)防護系統

三維動(dòng)態(tài)防護系統由空間定位層、應力監測層、過(guò)程控制層構成，實(shí)現光纜風(fēng)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，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(shí)時(shí)監測應變（精度1με）、振動(dòng)（靈敏度0.1 g）；  實(shí)施動(dòng)態(tài)預警機制（表 1）。

表 1 光纜應變風(fēng)險分級響應機制

（3）過(guò)程控制層。

基于應力監測數據，以光纜為中心劃定三級防護區（表 2），動(dòng)態(tài)調整施工策略，實(shí)現風(fēng)險分級管控 。

表 2 光纜風(fēng)險分級管控

2.3  焊口多源融合定位技術(shù)

（1）四級定位流程。

GIS粗定位：調用管道數據庫數據，圈定200 m范圍。  

INS精定位：采用FOG光纖陀螺儀（零偏穩定性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區域。  

人工復核：手持超聲波測厚儀驗證焊縫特征。

（2）數據融合算法。

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(guān)測矩陣Z融合INS、電磁、GIS數據 。

2.4  工程應用效果     

（1）應用驗證。選取國內某天然氣干線(xiàn)管道開(kāi)展工程應用，管徑1219 mm，X80鋼級，開(kāi)挖復拍56道環(huán)焊縫，光纜類(lèi)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(diǎn)定位工時(shí)縮短50.8%（表 3）。

表 3 技術(shù)體系應用驗證效果

（2）典型應用場(chǎng)景。某沖溝段管道開(kāi)挖，因地質(zhì)沉降導致原始里程偏差達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(xiàn)；電磁標記在1.7 m深度成功觸發(fā)響應； DAS監測到光纜應變突增至45με/min，系統自動(dòng)暫停挖掘。結果表明，成功規避地質(zhì)沉降區11.3 m里程偏差，焊口精準暴露，光纜零損傷。

3  結語(yǔ)

“三維動(dòng)態(tài)防護+多源融合定位”技術(shù)體系，攻克了光纜應力突變監測與實(shí)時(shí)預警難題， 突破了復雜地質(zhì)條件下焊口亞米級定位瓶頸，有效解決了環(huán)焊縫開(kāi)挖中的兩大難題。通過(guò)構建“監測—定位—管控”全鏈條數字化解決方案，開(kāi)發(fā)集成化管理系統。實(shí)現智能預警，能自動(dòng)推送風(fēng)險點(diǎn)位至現場(chǎng)平板終端；設置電子圍欄，在GIS地圖劃定機械作業(yè)禁區 ；建立數字孿生，實(shí)時(shí)映射開(kāi)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(kāi)發(fā)光纜避讓型挖掘機具，實(shí)現DAS數據與機械控制系統聯(lián)動(dòng)；二是完善標準體系，推動(dòng)磁標記定位、動(dòng)態(tài)防護等條款納入GB 50423等行業(yè)標準；三是深化數字孿生，建立管道全生命周期BIM平臺，探索數字資產(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。