基于管道内磁场精确测量海底管道地理坐标关键技术研究

Accurate geographic coordinate has become a primary parameter of submarine pipeline inspection, as it can help quickly locate and repair submarine pipeline failures, effectively reduce the risk of offshore operation collisions, and evaluate pipeline drifts and the resulting stress concentration levels. As external detection methods are with high cost and long cycle, and internal inertial navigation method cannot independently work for long distances, the team of this project proposed a method of calculating pipeline directions and coordinates by using the magnetic fields inside pipelines and carrier accelerations. Previous studies have demonstrated the valid and advantages of this method, but also found the key factors restricting the positioning accuracy and their solutions, which require further deep investigations. This project will study the non-ideal original magnetizations of pipelines to eliminate the deviations of conventional magnetic shielding models. The sensor output function without deviation will be obtained by studying the inner detector’s movement law and precisely manipulating its posture, and will be converted into accurate algorithms for magnetic field inversion and pipeline orientation. The expected objective accuracy will be evaluated and further guaranteed by conducting researches on error analyses, data fusion and structure optimization. The research results of this project will provide an innovative low-cost, high-precision geographic coordinate measurement method and system for subsea pipelines.

精确的地理坐标能够帮助快速定位与抢修海底管道故障、有效降低海上作业刮碰风险、评估位置漂移与由此造成的应力集中程度，已经成为海底管道检测的首要参数。针对外检测法成本高、周期长，内检测法无法长距离独立惯性导航的问题，项目组提出了一种利用管道内磁场和载体加速度计算管道走向和坐标的方法。前期研究已经证实了该方法的有效性和优势，也发现了制约其精度的关键因素及解决办法，需要继续深入研究。本项目拟通过研究管道的非理想原始磁化，消除管道磁屏蔽模型偏差；通过研究内检测器的运动规律和位姿精准调控，消除传感器输出模型偏差；从而形成精确的磁场反演和管道定向定位算法；研究通过误差分析、数据融合和结构优化来评估和进一步保障预期精度。本项目的研究成果将提供一种新的低成本、高精度的海底管道地理坐标测量方法和系统。

精确的地理坐标能够帮助快速定位与抢修海底管道故障、有效降低海上作业刮碰风险、评估位置漂移与由此造成的应力集中程度，已经成为海底管道检测的首要参数。针对外检测法成本高、周期长，内检测法无法长距离独立惯性导航的问题，本项目提出了一系列利用管道内磁场和载体加速度计算管道走向和坐标的方法，并开展了相关理论及关键技术研究。.（1）揭示了非理想磁化管道的磁屏蔽模型，提供了管道内磁场反演及管道坐标测量的方法。明确了在地磁环境下含非理想原始磁化的多节长管道磁屏蔽模型，指出管道走向可以用平均磁屏蔽系数、测量的管内平均磁场以及管外的地磁场来计算。给出了管道内磁场测量、反演、管道坐标计算方法，简化了管道内滚动坐标系到平动坐标系的坐标变换关系，开展了现场管道实验，实现了对管线中磁异常点和拐点的检测以及管道走向的计算。.（2）提出了管道坐标测量精度改进方法，与基于管道磁屏蔽模型的管道定位方法构成互补效应，以保证测量精度。提出一种基于交流磁接近开关的管道俯仰角测量方案、在实验室条件下管道俯仰角测量误差总体小于0.2°，大部分小于0.15°。提出了利用螺旋焊缝和弯曲管道作为标记点校正里程误差的方法，并开展实验验证。提出了通过外部磁场测量来精确定位海底管道，可以和利用管道内磁场测量管道地理坐标的结果作对比或融合。.（3）管道轨迹球形内检测器优化设计。分析了球形内检测器的特点和规律，设计了球体质量分布方案和转动惯量分配方案，并开展了定轴滚动测试，实现了球形内检测器在管道内的长时间定轴滚动。研究与验证了球形内检测器磁力仪阵列的校准算法，保证对管道内部磁场的精确测量；结果表明，磁梯度张量不变量校准算法能够有效排除背景磁场的干扰且具有很好的鲁棒性。