清管器跟踪定位技术发展现状与趋势

石油和天然气作为重要的能源物资，影响着国民经济与各行各业的发展，与人民的生活息息相关，管道作为石油和天然气输送的主要方式，其相比于道路运输具有安全、经济、便捷等特点。然而，对于管道而言，清管作业是油气长输管道投产前和运行中的一项重要且必不可少的工作，清管的作用包括增加流量，提高生产效率，减少内部腐蚀，保障安全生产，降低维护费用，实现在线检测，延长管道寿命等，最终目的是降低成本、提高收益。然而，清管是一项高风险作业，因为一旦清管器卡在某个位置且不能及时定位，则会影响油气的正常输送甚至危及管道安全，因此，清管器的跟踪定位是清管作业中一项极为重要的内容，研究并开发有效的清管器跟踪定位设备，对于保证管道的正常运行、输送效率和安全生产尤为重要。

1清管器跟踪定位设备

在过去近40年的时间里，世界各国研制了许多基于各种原理的清管器跟踪定位设备，其目的是保证清管器的正常运行，监视清管器的运行位置，以避免其卡堵在管道中，成为障碍，影响管道安全。

按照PPSA（英国清管产品服务协会，PiggingProducts&ServicesAssociation）的定义，清管器跟踪定位是指在清管作业过程中监视清管器的运动或者查找其确切位置。通常，清管器跟踪定位设备可以完成通过指示、精确定位和循迹跟踪3种功能。通过指示是指在清管器通过管道特定位置时发出特定提示；精确定位是指当清管器卡、堵在管道内时，确定清管器的确切位置；循迹跟踪是指沿管道连续不断地获得清管器的位置，或者在一系列预先设定的地点逐个定位清管器。与上述3种功能相对应，按照适用场合和使用方法的不同，信号接收部分可以分为：指示器（PassageSignaler）、定位器（Locator）、跟踪器（Tracker）。另外，在智能清管作业中使用的标记器（Marker）也是一种接收器，它在定位精度和时间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产品主要基于放射性、机械、声学、压力、磁学等原理，按照适用场合和使用方法可以分为指示器、定位器、跟踪器3种类型。然而，因放射性元素对人体有危害，许多设备已经被限制和禁止使用；机械式跟踪设备需要直接与清管器接触，需要安装在管道上，使用不灵活，通常只能作为通过指示器，不能用于跟踪定位；声学设备具有有效跟踪距离远的优点，但其定位精度较差；基于磁学方法的跟踪定位设备技术成熟，其设备无需与管道接触，使用方便、灵活，具有定位精度高的优点，是目前跟踪定位设备采用的主流技术。

2传统跟踪定位方法

2.1　放射性同位素法

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，放射源向四周辐射放射性射线，使用盖革-弥勒计数管（Geiger-MullerCounter）作为接收器，探测清管器携带的放射性同位素示踪物，以指示清管器所在的位置。

该方法的优点是定位精度高，可以达到2cm，清管器不需要安装电子元件，尺寸小，而且抗干扰能力强，可以用于检测某些埋地管道。与此同时，该方法的局限性和危险性较大，放射性射线可能对人体造成伤害和对环境造成污染，安装和拆卸放射源都需要有相应资质的人员操作，耗时较长；对于放射性源的管理比较困难，作业成本较高；安装在清管器容器中的放射源一般较小，一旦发生脱落，遗留在管道中，将造成很严重的事故和后果。目前，基于放射性同位素法的跟踪定位设备基本被更加安全的方法和设备所取代。

2.2　机械法

该方法的工作原理是可双向触发的撞针接管探入管道内部靠近管壁，当清管器通过时，撞针被拨动，经密封轴套中的连杆将动作传递给仪表按钮，触发显示仪表工作。该类设备主要作为通过指示器用于站场和阀室管道上。

该方法的优点是原理简单，清管器通过判断准确。该方法的缺点是设备需要安装在管道上，会破坏管道防腐层；会由于清管器破损、管道内壁污垢太厚等情况导致撞针不动作；不能实现定位，只能作为通过指示器使用。

2.3　声学法

声学设备按照声波的来源可以分为有源和无源两种类型。有源设备通常在海上使用，清管操作人员使用声波发射器，发出声波脉冲。声波利用管道外海水和管道内液体介质作为信号传播的导体。该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监测，但因输气管道缺少传播介质，因此，通常不适用于干燥的或管外有大量包覆物的输气管道。

2.3.1　声波特征判别方法

该方法由于没有使用声波发射源，因此属于无源方法。由于清管器运行时清管器密封盘或者直板与管壁摩擦与经过焊缝时产生的噪音与管道无清管器运行时发出的声波频率是不同的，因此，通过记录和对比分析管道中有清管器运行时产生的噪音声波和管道中无清管器运行时的声波特征，就可以跟踪定位清管器的位置。该方法检测的有效距离与清管器的速度和质量以及管道的压力有关。通常，管道的管径和压力越大，清管器的速度和质量越大，信号越好，有效距离越长。

该方法的优点是只需要在管道的发球站或收球站检测声波信号，而不需要在管道沿线设置监测点，现场跟踪定位工作量小。该方法的缺点是受声波传播距离影响，可检测的管道长度短。然而，现在的输气管道距离较长，在清管以前需要预先分析管道内部的声波信号特征，前期工作繁琐，对于不同管道的通用性差。

2.3.2　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发射器，接收器接收到发射器发出的超声波信号后，计算出清管器的位置，从而实现清管器的跟踪与定位。然而，由于声波需要传播介质，为了保证超声波信号发生器正常工作，需要使其与管壁之间充满液体，因此，若使用该方法，管道中必须有液体介质，当清管器上安装超声波发生器时，其前皮碗不做完全密封，以保证发生器周围有液体存在。另外，超声波在传播过程中经过管道中每个界面和土壤时都会发生严重衰减，因而影响该方法的监测距离。

该方法的优点是信号发射距离远，信号监测范围广，可以达到2km，因此，对于海底管道，可以在工作船上对清管器进行跟踪定位作业；定位精度高，使用遥控潜水器作为接收器接收超声波信号时，定位精度可达5~10m。该方法的缺点是超声波的传播必须有液体作介质，因此，不适用于气体和油气混输管道；由于超声波在穿透土壤或其他隔离物时会发生严重衰减，因此，不适用于埋地管道。

2.4　压力法

压力法主要用于站场和阀室的清管器跟踪定位。其原理是在清管器未处于压差式压力变送器两探头之间时，因压力平衡而变送器压差为零；当清管器通过压差式压力变送器前后两压力探头时，因清管器前后两端存在压差，变送器出现压差值。因此，当压力变送器出现压差值时，则可以判断清管器的通过。

该方法原理简单，无需复杂计算，判断条件只与压力变化有关，不受其他因素影响和干扰，而且在清管器通过时压力变化明显。该方法还可以用于跟踪高速清管器，并且在发生卡堵时可以对卡堵位置进行粗略定位。但是，该方法需要将压力变送器安装在管道上，通常只能安装在站场和阀室，安装可能存在困难，而且其不能精确定位清管器的卡堵位置。

2.5　磁学方法

2.5.1　电磁脉冲法

电磁脉冲法的原理是在清管器上安装可以发出特定频率电磁脉冲信号的电磁脉冲发射机，在管道外部通过接收机接收发射机发出的电磁脉冲信号，从而对清管器进行跟踪定位。该方法电磁脉冲发射机的脉冲频率为20~30Hz，因为该频率段电磁脉冲信号对管壁、海水、土壤等具有良好的穿透性。

电磁脉冲法是目前最主流的一种方法，很多清管器追踪定位系统运用了该方法。其优点是可以精确地确定清管器的位置，而且不需要沿线跟踪清管器的运动，设备可以脱离管道本身使用。缺点是使用该方法的跟踪定位设备需要具有较高的技术水平，一般的产品会存在抗干扰性差、误判率高、可靠性差等问题。

2.5.2　永磁法

该方法的跟踪原理与超低频电磁脉冲法相似，工作原理是使管道内的清管器携带永磁铁，在管道外部通过带有霍尔元件的接收机检测磁场的变化来跟踪和定位清管器。该方法的优缺点与电磁脉冲法相似，但是，清管器无需携带发射机，也不必考虑发射机的电量问题；管道对其磁场屏蔽严重，导致其接收机的接收距离近而且抗干扰能力差，对于速度较快的清管器无法实现跟踪。

除了上述直接检测方法之外，还有一些间接计算方法：排量法、工艺计算法、里程轮法，但这些方法准确性不高，应用很少。

3远程在线跟踪定位方法

目前清管器的跟踪主要依赖人工方法，对于频繁清管的管道而言，人工跟踪方法耗费极大的人力、物力、财力；雨、雪、风等天气条件会给现场操作带来很多困难，突发的交通问题也会阻碍人工跟踪方法的顺利进行；不期而至的暴雨、暴雪、强风和雷电等极端恶劣天气，不仅影响跟踪设备的正常工作，而且会危及现场跟踪人员的生命安全。因此，研究清管器在线跟踪定位方法，对于消除环境、天气、交通等客观条件的影响，保障清管人员的安全，降低频繁清管作业成本，具有十分重要的意义。

当前，相对其他方法，磁场法和压力监测法是最简便、最可靠的两种跟踪方法，以这两种方法配合数据无线传输技术实现远程无线跟踪是最有实际意义的。除此之外，基于管道伴行光纤的清管器在线跟踪定位技术也是未来清管器跟踪的发展方向。

3.1　基于磁场法的远程无线跟踪定位法

在磁场法的基础上加入数据无线传输技术可以从数据源头保证数据的准确性和可靠性。其原理是在磁场法跟踪定位的基础上，加入特定算法，提取清管器通过时的磁场信号特征，并对其做出智能判断，将清管器经过的结果数据、时间和GPS定位信息，通过无线GPRS网络、3G网络或者手机短信的形式发送给远程

监控中心，实现现场无人值守的远程无线跟踪（图1，①~⑦为跟踪点）。

该技术本质上是在进一步提高传统磁场法设备抗干扰能力和稳定性的基础上，增加了信号识别算法，无线通信功能和GPS定位功能，采用预先布设大量设备的方式代替人工接力的跟踪作业方式，在一定程度上降低了跟踪定位成本和跟踪人员的作业风险。因此，现场设备的抗干扰能力、信号识别算法的可靠性、无线通信的稳定性是该技术的关键所在。但是，该技术仍然离不开人工，尚未实现真正的连续在线实时跟踪。

3.2　基于压力法的远程无线跟踪定位法

基于压力法的远程无线跟踪定位法是在压力法的基础上，加入远程无线传输技术将现场压力信号数据传送回远程监控中心，远程监控中心利用模式识别算法对压力信号进行判断，捕捉清管器通过时的压力信号特征，自动做出判断。

在输气管道中，因清管器运行速度快，跟踪难度大。而该方法不受外界因素影响，其变化只与管道压力变化有关，而且其使用的压力变送器采样频率高，易于跟踪到高速清管器通过时的压力特征。由于该方法可以将数据传送回远程监控中心，因此，加入高精度的时间同步模块，可以利用压力数据使用特定算法准确判断清管器的卡堵位置。但是，该方法存在安装和供电困难的问题，因而限制了它的应用。

3.3　基于光纤震动原理的跟踪定位法

基于光纤震动原理的清管器跟踪定位是目前比较新颖的一种清管器跟踪定位技术。其原理是清管器在管道中行走，摩擦管壁产生震动，而与管道伴行的光纤对震动灵敏度较高，因此，可以利用管道伴行光纤对清管器进行跟踪。由于震动实时存在，因此，可以实现在线实时跟踪，而且由于光纤定位准确，可以时刻看到清管器运行的位置，即使发生卡堵也可以精确定位卡堵位置（图2）。

管道伴行光纤在清管器跟踪作业中的应用是技术上的一次革新，其设备安装简单，可以降低清管跟踪作业成本和人工劳动强度，提高清管器跟踪定位精度，控制卡堵事故风险和损失；可进行清管器的连续在线实时跟踪，真正实现清管器跟踪的可视化、系统化、智能化和自动化。然而，因该技术目前较为先进，各种元器件的成本较高，因此导致整个设备的投入较高。

基于电磁脉冲法和压力法这两种传统跟踪方法发展远程跟踪就是用智能判断替代人工判断，但并未实现实时在线跟踪，而基于光纤振动原理的跟踪定位法可以实现对清管器位置的全过程监控，且不需要依赖除光纤以外的任何条件，也不需要在管道上施工。

在清管过程中，清管器跟踪定位实际发生费用约占整个清管费用的50％~60％，单次清管的跟踪费用每百公里约3×10⁴元，如果平均需要8次清管达到要求，则总费用高达每百公里24×10⁴元。此外，环境、天气、交通等因素的影响也会使清管器跟踪定位的成本、工人劳动强度和危险增大。但是，使用清管器远程在线跟踪定位方法，可以在很大程度上减少清管器跟踪定位过程中人工和车辆所产生的费用，减轻跟踪人员的劳动强度，保障跟踪人员的安全，消除天气、交通、环境等因素的影响。

4结束语

清管器跟踪定位的主要目的是使清管器通过各种方式与外界取得联系，以便掌控清管器的运行位置，并在卡堵时对卡堵位置进行及时、准确、快速的定位。但管道自身、土壤、海水、外界干扰因素等的影响使清管器的跟踪定位存在各种困难。传统跟踪方法各有优点，如安装简单，定位准确等；但又各自存在局限性，如跟踪方法复杂，抗干扰能力差，只能作通过指示等。综合而言，电磁脉冲法和压力法是传统方法中最佳、最稳定和最成熟的两种方法。目前，虽然清管器的跟踪定位技术经过多年取得很大进步发展，但仍未摆脱依赖人工跟踪的局面，因此，亟需发展远程跟踪定位技术，消除环境、天气、交通等客观条件的影响，保障清管人员安全，降低频繁清管作业成本。而基于电磁脉冲法和压力法这两种最佳的传统跟踪方法发展远程跟踪以及使用基于光纤振动原理的跟踪定位方法是未来清管器跟踪定位的发展方向。