曾传海 石焕 龚志伟 张志深 唐小平

国家管网集团西气东输管道公司南昌输气分公司

 

摘要：针对管道环焊缝开挖作业中频发的光缆损伤与焊口定位偏差问题，提出"三维动态防护+多源融合定位"技术体系。通过构建基于分布式光纤传感的光缆应力监测网络，结合惯性导航与电磁标记复合定位技术，形成全流程数字化管控方案。工程实践表明，该方案显著降低光缆损伤风险，焊口定位精度提升至行业领先水平，为长输管道安全运维提供技术支撑。

关键词：环焊缝开挖；光缆防护；多源定位；数字孪生；管道安全

 

环焊缝质量关系到管道安全运行，影响国家能源动脉安全。近年来随着服役年限延长，管道环焊缝开挖验证工作量每年都在增加。如何减少传统开挖方式导致的光缆损伤，提高焊口定位精度，通过建立“三维动态防护+多源融合定位”技术体系，有效保障了管道环焊缝开挖验证工作的安全性和效率。

1  问题与风险分析

1.1  光缆安全风险

（1）传统雷迪仪测试光缆方法常存在偏差，容易与管道产生耦合，难以精准定位光缆位置。

（2）开挖卸荷光缆悬空段超过安全长度（>3 m），导致光缆应力变化速率达0.5 MPa/min，超出常规监测系统响应能力。

（3）GIS坐标、惯性导航、电磁标记等系统各自独立，未建立有效的协调机制，依据单一数据源定位的误差率比较高。

1.2   焊口定位风险

（1）惯性导航累积误差。里程轮计距受地面起伏影响，轴向误差随距离放大。据某项目实测数据显示，2 km管段焊口定位偏差达±2.1 m，额外增加土方量500 m³。  

（2）物理标记物失效。浅层埋设的磁标易受农耕或洪水移位，10%的焊口因磁信号衰减至背景噪声水平（<50 nT）而无法识别，需二次返工。

2  技术体系构建与应用

2.1  技术体系框架设计

“三维动态防护+多源融合定位”技术体系以数字孪生平台为核心枢纽，集成两大子系统。  

（1）光缆三维动态防护系统。该系统功能包括实时监测光缆应力状态，动态划分开挖禁区；其数据流为：传感数据实时上传至数字孪生平台。  

（2）焊口多源融合定位系统。其功能包括协同处理GIS、惯性导航（INS）、电磁标记数据；其数据流为定位结果反馈至平台进行智能决策。  

两大子系统通过平台实现双向数据联动，即光缆应力突变时，平台自动锁定风险区域并暂停机械作业；焊口定位数据驱动开挖禁区动态调整，形成闭环管控。

2.2  三维动态防护系统

三维动态防护系统由空间定位层、应力监测层、过程控制层构成，实现光缆风险分级管控。

（1）空间定位层。

BIM+GIS融合建模：集成光缆走向、埋深、土壤腐蚀性参数，空间分辨率5 cm；  

RFID智能标识：沿光缆每200 m布设电子标签，手持设备定位精度±10 cm。

（2）应力监测层。

分布式光纤传感（DAS）：Φ0.25 mm紧套光纤螺旋缠绕（螺距15 cm），实时监测应变（精度1με）、振动（灵敏度0.1 g）；  实施动态预警机制（表 1）。

表 1 光缆应变风险分级响应机制

 

（3）过程控制层。

基于应力监测数据，以光缆为中心划定三级防护区（表 2），动态调整施工策略，实现风险分级管控 。

表 2 光缆风险分级管控

2.3  焊口多源融合定位技术

（1）四级定位流程。

GIS粗定位：调用管道数据库数据，圈定200 m范围。  

INS精定位：采用FOG光纤陀螺仪（零偏稳定性0.01 °/h）差分修正，误差缩至±10 m。  

电磁细定位：在焊口两侧埋设NdFeB永磁体（剩磁1.4 T），采用Fluxgate磁强计（灵敏度10 nT） 扫描永磁体，锁定±1 m区域。  

人工复核：手持超声波测厚仪验证焊缝特征。

（2）数据融合算法。

建立基于卡尔曼滤波的定位模型：  

X（k） = A·X（k-1） + B·U（k） + W（k）

Z（k） = H·X（k） + V（k）

其中：状态向量X=[经度，纬度，深度，航向角]；观测矩阵Z融合INS、电磁、GIS数据 。

2.4  工程应用效果     

（1）应用验证。选取国内某天然气干线管道开展工程应用，管径1219 mm，X80钢级，开挖复拍56道环焊缝，光缆类型GYTA53-24B1，结果表明，光缆防护损伤率降至行业标杆水平（较原方案下降94%以上）； 焊口定位平均误差≤±0.25 m，单点定位工时缩短50.8%（表 3）。

表 3 技术体系应用验证效果

（2）典型应用场景。某冲沟段管道开挖，因地质沉降导致原始里程偏差达11.3 m，采用本技术体系提出解决方案。 启用INS轨迹回溯功能重建管道轴线；电磁标记在1.7 m深度成功触发响应； DAS监测到光缆应变突增至45με/min，系统自动暂停挖掘。结果表明，成功规避地质沉降区11.3 m里程偏差，焊口精准暴露，光缆零损伤。

3  结语

“三维动态防护+多源融合定位”技术体系，攻克了光缆应力突变监测与实时预警难题， 突破了复杂地质条件下焊口亚米级定位瓶颈，有效解决了环焊缝开挖中的两大难题。通过构建“监测—定位—管控”全链条数字化解决方案，开发集成化管理系统。实现智能预警，能自动推送风险点位至现场平板终端；设置电子围栏，在GIS地图划定机械作业禁区 ；建立数字孪生，实时映射开挖面地下三维状态 。

未来将在以下方面提升改进，一是研发智能装备，开发光缆避让型挖掘机具，实现DAS数据与机械控制系统联动；二是完善标准体系，推动磁标记定位、动态防护等条款纳入GB 50423等行业标准；三是深化数字孪生，建立管道全生命周期BIM平台，探索数字资产化管理模式。

作者简介：曾传海，南昌输气分公司三级工程师，主要从事腐蚀控制、第三方施工管理等方面的工作。联系方式：18079165260，164195311@qq.com。