DE10004804A1 - Precise determination of the spatial position of a pipeline as it is being laid using a no-dig procedure by measurement of the tension on the pipe and from this calculation of pipe curvature that is used with pipe length laid - Google Patents

Abstract

During pipe-laying sensors (3) in a measurement region (2) measure the tension in the pipe body. The tension measurement is filtered using suitable calculation and filter programs so that any components not caused by pipe bending can be filtered out. From the measurements pipe curvature in two planes can be calculated and in addition with the measured length of pipe laid the spatial position of the pipe can be determined. An addition pressure measurement tap (7) in the measurement head can be used to determine changes in depth independently of the pipe tension measurements.

Description

Die vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Vermessung der räumlichen Lage von Rohrleitungen während des unterirdischen Verlegevorgangs. Im weiteren wird der Begriff Rohrleitung auch als Synonym für Bohrstrang benutzt.The present invention relates to a method and devices for measurement the spatial position of pipelines during the underground laying process. The term pipeline is also used as a synonym for drill string.

Die Bestimmung der genauen, räumlichen Lage von Rohrleitungen im Untergrund ist aus den vielfältigsten Gründen von großer Wichtigkeit, so z. B. um bei späteren Erdarbeiten in der Nähe dieser Rohrleitung keine Beschädigungen und dadurch Gefahren für Menschen, Umwelt und Maschinen herbeizuführen (z. B. bei Gasleitungen, Ölleitungen oder Schutzrohren für Starkstromkabel). Ebenso wichtig ist es, die genaue Position zu kennen, wenn an der Rohrleitung selbst Reparaturen ausgeführt werden sollen (z. B. bei Undichtigkeiten o. ä.).The determination of the exact spatial position of pipelines underground of great importance for a variety of reasons, e.g. B. order at later Earthwork in the vicinity of this pipe no damage and thereby To cause dangers to people, the environment and machines (e.g. at Gas lines, oil lines or protective tubes for power cables). Is equally important knowing the exact position when repairs to the pipeline itself should be carried out (e.g. in the event of leaks or the like).

Besonders bei Rohrleitungen, die mittels sogenannter steuerbarer, grabenloser Bauverfahren ("No-dig") verlegt werden, ist diese Vermessung besonders schwierig, da die Rohrleitung von der Erdoberfläche her nicht einsehbar ist. Nach dem Stand der Technik werden heute die Bohrwerkzeuge, die das Bohrloch zur Aufnahme der Rohrleitung erstellen, während der Bohrarbeit eingemessen. Hierzu gibt es - je nach Bautechnik - unterschiedliche Verfahren. Als wichtigste Bauverfahren sind in diesem Zusammenhang die steuerbaren Horizontalbohrtechnik (Horizontal Directional Drilling) und das Bohrpressverfahren (Microtunneling) zu nennen. Especially with pipelines using so-called controllable, trenchless Construction process ("No-dig") are relocated, this measurement is particularly difficult because the pipeline cannot be seen from the surface of the earth. According to the state of the Technology today are the drilling tools that hold the borehole Create pipeline, measured during drilling. There are - depending on Construction technology - different processes. The most important construction methods are in this Relationship between controllable horizontal drilling technology (horizontal directional drilling) and to name the drilling press method (microtunneling).  

Beim Horizontal Directional Drilling wird der Bohrkopf entweder elektromagnetisch von der Oberfläche eingemessen (sogenannte "Walk-Over-Systeme") oder mittels Magnetometer, Inklinometer und Accelerometer vom Steuerstand der Bohranlage überwacht (sogenannte "Wire-Line-Systeme"). Vereinzelt werden auch Kreiselkompasse eingesetzt, die die jeweilige Position des Bohrkopfes gegenüber geographisch Nord bestimmen.With horizontal directional drilling, the drill head is either electromagnetically operated by measured the surface (so-called "walk-over systems") or by means of Magnetometers, inclinometers and accelerometers from the control station of the drilling rig monitored (so-called "wire-line systems"). Are also isolated Gyrocompasses are used, which face the respective position of the drill head determine geographical north.

Alle diese Meßverfahren haben systemspezifische Schwachpunkte. So sind die Walk- Over-Verfahren in ihrer Tiefenreichweite (ca. 10 m Überdeckung) begrenzt, sie setzen ein bekanntes (d. h. vermessenes) Geländeprofil voraus, die Topographie im Meßbereich muß gut zugänglich sein (keine Sümpfe etc.) und sie sind relativ ungenau in den Messungen (ca. 5-15% bezogen auf die Tiefenlage des Bohrkopfes).All of these measurement methods have system-specific weak points. So the walk Over procedures limited in their depth range (approx. 10 m coverage), they set a known (i.e. measured) terrain profile ahead, the topography in The measuring range must be easily accessible (no swamps etc.) and they are relatively imprecise in the measurements (approx. 5-15% based on the depth of the drill head).

Bei den Wire-Line-Systemen wirken sich Störungen des Erdmagnetfeldes sehr negativ auf die Meßgenauigkeit aus, mitunter sind sogar Messungen unmöglich. Dies kann z. B. in Bereichen mit großen Metallansammlungen der Fall sein (z. B. Spundwände, Bahnhöfe etc.) oder aber auch in bestimmten Bodenarten (z. B. magnetithaltige Sande etc.). Weiterhin erfordert dieses Meßverfahren eine extrem sorgfältige Vermessung der Startposition. Tritt z. B. beim Justieren des Startazimuts ein Fehler von 0,5° auf, so kann sich dieser Fehler nach 500 m Bohrstrecke bereits in einer Abweichung vom Zielpunkt in Höhe von 4,36 m auswirken.In the wire-line systems, disturbances in the earth's magnetic field have a very negative effect accuracy, sometimes even measurements are impossible. This can e.g. B. in areas with large metal accumulations (e.g. sheet piling, Stations etc.) or also in certain types of soil (e.g. magnetite sands Etc.). Furthermore, this measuring method requires extremely careful measurement of the Starting position. Occurs z. B. when adjusting the starting azimuth to an error of 0.5 °, so this error can already differ from the Impact the target point at a height of 4.36 m.

Diese Empfindlichkeit gegenüber ungenauen Startwerten macht sich bei den Kreiselkompaß-Systemen noch stärker bemerkbar. Außerdem dauern die einzelnen Messungen relativ lange, so daß in Kombination mit den ohnehin sehr hohen Tageskosten für dieses Meßverfahren eine Wirtschaftlichkeit nur in Ausnahmefällen gegeben ist.This sensitivity to inaccurate starting values is evident in the Gyro systems even more noticeable. In addition, the individual last Measurements relatively long, so that in combination with the already very high ones Daily costs for this measuring method are economical only in exceptional cases given is.

Bei dem anderen wichtigen Bauverfahren, dem Microtunneling, wird die Position des Bohrkopfes entweder ebenfalls mittels Kreiselkompaß oder aber optisch mittels Laser ermittelt.In the other important construction process, microtunneling, the position of the Drill head either also using a gyrocompass or optically using a laser determined.

Hinsichtlich des Einsatzes des Kreiselkompasses gelten sinngemäß die bereits angeführten Nachteile. Bei der optischen Vermessung mittels Laser stellen sich - insbesondere bei nicht begehbaren Querschnitten, erheblich Probleme ein, wenn als Bohrachse eine Raumkurve und keine geradlinige Verbindung vorgesehen ist. Darüber hinaus ergeben sich bei großen Bohrlängen (hier wieder besonders in Kombination mit kleineren Querschnitten) Beeinflussungen der Meßgenauigkeit durch die Turbulenzen der Luft im Rohrinneren. Diese Turbulenzen werden besonders durch die Temperaturschichtungen hervorgerufen, die wiederum von Energietransporten bzw. Energieumsetzungen herrühren (z. B. heiße Hydraulikölleitungen, Elektromotoren, Pumpen etc.).With regard to the use of the gyro compass, the same applies accordingly mentioned disadvantages. When measuring optically using a laser - especially with non-accessible cross-sections, considerable problems if when Drilling axis a space curve and no straight line connection is provided. About that In addition, with large drill lengths (here especially in combination with  smaller cross-sections) Influencing the measurement accuracy by the turbulence the air inside the pipe. This turmoil is particularly caused by the Temperature stratifications caused, which in turn from energy transport or Energy conversions originate (e.g. hot hydraulic oil lines, electric motors, Pumps etc.).

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und die zur Umsetzung erforderlichen Vorrichtungen bereitzustellen, um die räumliche Lage von Rohrleitungen während der unterirdischen Verlegung zu ermitteln, ohne eine Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit durch die Tiefenlage, magnetische Störungen, thermische Einflüsse etc. hinnehmen zu müssen und darüber hinaus diese Leistungen zu wirtschaftlich günstigen Bedingungen erbringen zu können.The present invention is therefore based on the object of a method and Devices required for implementation to provide the spatial location of pipelines during underground laying without determining one Impairment of the measuring accuracy due to the depth, magnetic interference, having to accept thermal influences etc. and also these services to be able to provide at economically favorable conditions.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß möglichst nahe hinter dem vorderen Ende der zu verlegenden Rohrleitung ein Meßbereich 2 vorgesehen wird, der mittels geeigneter Sensoren 3 (z. B. DMS) den jeweils aktuellen Spannungszustand im Rohrkörper an der jeweils aktuellen Position im Untergrund bestimmt. Von diesem Meßbereich ist insbesondere das E-Modul, welches für die weiteren Schritte benötigt wird, genauestens bekannt.According to the invention, this object is achieved in that a measurement area 2 is provided as close as possible behind the front end of the pipeline to be installed, which uses suitable sensors 3 (e.g. strain gauges) to determine the current state of tension in the pipe body at the current position in the underground . From this measuring range, the modulus of elasticity, which is required for the further steps, is particularly well known.

Durch geeignete Meßanordnung der Sensoren und entsprechende, aus der Festigkeitslehre allgemein bekannte Berechnungsformeln läßt sich aus dem Spannungszustand die nur durch Biegung hervorgerufene Spannung im Rohrkörper separat ermitteln. Mit Hilfe der maximalen Biegespannung zu jedem beliebigen Zeitpunkt der Verlegung läßt sich der minimale Verlegeradius der Rohrleitung in diesem Moment berechnen. Allein dieser Wert ist z. B. schon von Interesse, wenn - bedingt durch Vorschriften (z. B. bei Gasleitungen) - ein minimaler Verlegeradius nicht unterschritten werden darf.By suitable measuring arrangement of the sensors and corresponding, from the Strength theory of well-known calculation formulas can be derived from the Stress state is the stress in the tube body caused only by bending determine separately. With the help of the maximum bending stress to any At the time of laying, the minimum laying radius of the pipeline can be found in calculate that moment. This value alone is e.g. B. of interest if - due to regulations (e.g. for gas pipes) - a minimum installation radius is not may fall below.

Mittels eines aus der Bohrtechnik bekannten Tool-Face-Indicators wird permanent die Verrollung bzw. Verdrillung des Rohrstrangs ermittelt und mit den berechneten Biegespannungen korreliert. Dadurch lassen sich die Biegemomente in X-Y- und X-Z- Ebene - bei einem auf den Meßbereich ausgerichteten Koordinatensystem 5 - berechnen. Mit diesen Einzelwerten lassen sich entsprechend die aktuellen Verlegeradien in diesen beiden Ebenen feststellen. Using a tool face indicator known from drilling technology, the rolling or twisting of the pipe string is permanently determined and correlated with the calculated bending stresses. In this way, the bending moments in the XY and XZ planes can be calculated with a coordinate system 5 aligned with the measuring range. These individual values can be used to determine the current installation radii in these two levels.

Zusätzlich wird die effektive Verlegelänge 6 zwischen zwei Meßpunkten gemessen. Diese kann "beliebig" klein werden, wodurch die Genauigkeit der Positionsbestimmung der Rohrleitung im Untergrund entsprechend erhöht wird.In addition, the effective laying length 6 is measured between two measuring points. This can be "arbitrarily" small, which increases the accuracy of the position determination of the pipeline in the underground accordingly.

Der gesamte Meßablauf basiert auf dem Prinzip des Polygonzugs, d. h. die Einzelmessungen bauen jeweils auf der vorhergehende Messung auf. Die Übermittelung der Meßdaten kann dabei per Funk oder per Kabel durch das Innere der Rohrleitung erfolgen.The entire measurement sequence is based on the principle of the polygon, i.e. H. the Individual measurements are based on the previous measurement. The The measurement data can be transmitted by radio or cable through the interior of the Pipeline.

Zusätzlich kann an einem definierten Punkt im Meßbereich eine sogenannte Druckmeßdose 7 installiert werden. Dabei handelt es sich um ein aus der Technik bekanntes Verfahren, bei dem der hydrostatische Druck an einer bestimmten Stelle gemessen wird und sich aus diesem Wert die relative Tiefenlage zu einem Bezugsniveau berechnen läßt.In addition, a so-called pressure transducer 7 can be installed at a defined point in the measuring range. This is a method known from the art in which the hydrostatic pressure is measured at a specific point and the relative depth at a reference level can be calculated from this value.

Durch Integration dieser Vorrichtung läßt sich einerseits die aus den Spannungen berechnete Tiefenlage kontrollieren. Außerdem kann mit Hilfe dieser Vorrichtung auch bei Ausfall des Tool-Face-Indicators weiterhin die Position der Rohrleitung berechnet werden, indem von der ermittelten, maximalen Biegespannung der durch die Veränderung der Tiefenlage (X-Y-Ebene) resultierende Teil der maximalen Biegespannung reduziert wird. Dadurch ergibt sich die Biegespannung in X-Z-Ebene, wodurch sich wieder exakt die Verlegeradien in beiden Bezugsebenen zwischen zwei Meßpunkten berechnen lassen. Aus diesen beiden Einzelradien läßt sich wiederum, in Kombination mit der ebenfalls festgehaltenen Verlegelänge zwischen den Meßpunkten, die aktuelle Position der Rohrleitung bestimmen.By integrating this device, on the one hand, the voltages Check the calculated depth. In addition, with the help of this device If the tool face indicator fails, the position of the pipeline continues to be calculated be determined by the maximum bending stress determined by the Change in depth (X-Y plane) resulting part of the maximum Bending stress is reduced. This results in the bending stress in the X-Z plane, which means that the installation radii in both reference planes are exactly between two again Have measuring points calculated. From these two individual radii, in turn Combination with the laying length between the measuring points, also recorded, determine the current position of the pipeline.

Mit Hilfe dieses Verfahrens und der genannten Vorrichtungen ist es möglich, die Raumlage von unterirdisch verlegten Rohrleitungen unabhängig von bisher bekannten Störfaktoren mit hoher Genauigkeit und mit geringem technischen Aufwand und damit verbunden sehr wirtschaftlichen Bedingungen kontinuierlich während der Verlegearbeiten zu ermitteln. Dadurch kann sicher gestellt werden, daß die Verlegung entlang einer vorgegebenen Trasse verläuft und vorgegebene Maximalwerte hinsichtlich der zulässigen Rohrspannung nicht überschritten werden. With the help of this method and the devices mentioned, it is possible to Location of underground pipelines regardless of previously known Disruptive factors with high accuracy and with little technical effort and thus associated very economic conditions continuously during the To determine laying work. This can ensure that the laying runs along a predetermined route and predetermined maximum values with regard to the permissible pipe tension.  

Zeichnungendrawings

In der beigefügten Zeichnungen (Fig. 1, Prinzipiller Aufbau wichtiger Elemente des Verfahrens) wird die Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail in the accompanying drawings ( FIG. 1, principle structure of important elements of the method).

BezugszeichenlisteReference list

11

Rohrleitung
Pipeline

22

Meßring
Measuring ring

33rd

Meßsensor
Measuring sensor

44

Tool-Face-Indicator
Tool face indicator

55

Koordinatensystem
Coordinate system

66

Verlegelänge (Teilstück)
Installation length (section)

77

Druckmeßdose
Pressure cell

Claims (2)

1. Verfahren und Vorrichtungen zur Vermessung der Lage von Rohrleitungen (1) während des unterirdischen Verlegevorgangs dadurch gekennzeichnet, daß während der Verlegung in einem Meßbereich (2) mittels geeigneter Sensoren (3) der Spannungszustand im Rohrkörper gemessen wird, dieser Spannungszustand durch geeignete Berechnungs- und Filterprogramme um den nicht durch Biegung verursachten Anteil bereinigt wird, durch Korrelation mit der ebenfalls gemessenen Verdrillung der Rohrleitung eine Aufteilung der Biegespannung in zwei Ebenen eines definierten Koordinatensystems (5) durchgeführt wird und mittels weitere Berechnungsprogramme über diese Einzelbiegungen die dazugehörigen Krümmungsradien ermittelt werden, wodurch in Korrelation mit der ebenfalls gemessenen Verlegelänge (6) zwischen zwei Meßpunkten die räumliche Veränderung der Rohrleitung in Bezug auf den vorherigen Meßpunkt nachvollzogen werden kann.1. The method and devices for measuring the position of pipes ( 1 ) during the underground laying process , characterized in that the tension state in the tube body is measured during the laying in a measuring area ( 2 ) by means of suitable sensors ( 3 ), this tension state by means of suitable calculation and filter programs are corrected for the portion not caused by bending, a correlation with the likewise measured twisting of the pipeline divides the bending stress into two levels of a defined coordinate system ( 5 ) and the associated radii of curvature are determined by means of further calculation programs via these individual bends, whereby in correlation with the installation length ( 6 ) also measured between two measuring points, the spatial change in the pipeline can be traced in relation to the previous measuring point. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den genannten Meßvorrichtungen eine Druckmeßdose (7) in die Meßapparatur integriert wird, wodurch unabhängig die jeweilige Veränderung der Tiefenlage zwischen zwei Meßpunkten ermittelt werden kann und sich dadurch sowohl die Meßgenauigkeit als auch die Redundanz des Verfahrens erhöhen.2. The method according to claim 1, characterized in that in addition to the aforementioned measuring devices, a pressure cell ( 7 ) is integrated into the measuring apparatus, whereby the respective change in depth between two measuring points can be determined independently and thereby both the measuring accuracy and the redundancy increase the procedure.