基于電磁法的河流穿越管道埋深探測技術(shù)應(yīng)用研究

馬紅蓮 張 勇 黃 輝 何仁碧 付志強

(1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029)（2. 中國石油化工股份有限公司金陵分公司 南京 210033）

隨著國家對油氣資源需求的增長，管道建設(shè)業(yè)蓬勃發(fā)展，跨市、省甚至跨國長輸管線建設(shè)需求迫切，水下管線建設(shè)公里數(shù)增長迅速。為了從產(chǎn)地、儲存庫、使用單位間輸送商品介質(zhì)（油、氣等），長輸管道經(jīng)常需要跨省、市，穿、跨越（江河、道路等）。“西氣東輸”工程穿越開都河、黑河、黃河、無定河、汾河、沁河、淮河、茨維新河、長江、秦淮新河、京杭大運河等河流，是我國目前為止距離最長，穿越河流次數(shù)最多的輸氣管道?？梢?，在長距離油氣管道輸送中，穿越河流的管道比其他穿越管道的頻次高、距離長，是長輸油氣管道建設(shè)中不可避免的一項關(guān)鍵工程，也是長輸管道安全的薄弱環(huán)節(jié)之一。

根據(jù)文獻(xiàn)資料，從1950年至1974年的24年中，美國穿河管道發(fā)生事故的次數(shù)雖然只占全部事故次數(shù)的3.4%，但從每英里管道發(fā)生的事故次數(shù)看，穿河管道發(fā)生事故的次數(shù)比陸地管道多7倍。從美國、前蘇聯(lián)以及我國局部河流穿越事故統(tǒng)計分析知，雖然，水下穿越管道長度占整個長輸管道的總長度比例極小，但鑒于穿越管道所處自然條件和所受外力作用的復(fù)雜性，監(jiān)測與維護(hù)操作困難，及時發(fā)現(xiàn)管道泄漏或斷裂不易，其事故發(fā)生率卻遠(yuǎn)高于陸地管道的事故發(fā)生率。

降低河流穿越管道的事故發(fā)生率，需要對穿越管道進(jìn)行定期檢查，美國聯(lián)邦規(guī)定至少每5年就要對河流穿越管線進(jìn)行一次檢測，對于流速快的河流，需采用更高的檢測頻率[1]。準(zhǔn)確探明河流穿越管道的位置和狀態(tài)是河流穿越管道檢測的主要目的。為此，本文基于電磁理論，采用數(shù)值模擬的方法，研究了河流穿越管道周圍電磁場在空氣、水、濕潤泥土等不同介質(zhì)中的分布規(guī)律、衰減特征，推導(dǎo)了利用電磁法對水下管道埋深進(jìn)行檢測的算法，并采用基于電磁法的水下管道檢測系統(tǒng)ROV對某河流穿越管道進(jìn)行了埋深檢測示范應(yīng)用。

1 基于電磁法的河流穿越管道埋深探測原理

水下管道埋深探測方法主要有磁法和電磁法探測，此外，也有采用聲吶法和地質(zhì)雷達(dá)法的探測技術(shù)。作為發(fā)展最早、應(yīng)用時間最長、應(yīng)用最為廣泛的管道檢測技術(shù)之一，與聲吶探測和磁法探測技術(shù)相比，電磁法管道檢測技術(shù)可在水面實現(xiàn)管道的定位和埋深檢測，通過激發(fā)和接收特定頻率的磁場信號，能夠抑制干擾，提高檢測精度，具有廣闊的發(fā)展前景。

1.1 電磁法工作原理

電磁法探測的工作原理是利用激勵電流源在所需檢測管道上施加某特定頻率的交變電流，在管道周圍形成以管道為中心的交變磁場，電磁波在向外傳播過程中被地面上的傳感器測得地面的磁感應(yīng)強度。通過對測得的磁感應(yīng)強度數(shù)值分析計算確定管道的埋深。

利用電磁法探測管道埋深的接收機(jī)通常有4個磁場傳感器及1個電磁羅盤，4個傳感器的分布大致如圖1所示。傳感器A、B均能夠測量水平方向上的磁場信號；傳感器C、D能夠測量水平及垂直方向上的磁場信號。利用傳感器對管道埋深及管道位置探測示意圖如圖2所示。

圖1 接收機(jī)的主要傳感器分布

圖2 管道探測示意圖

1.2 電磁法管道埋深確定

利用接收機(jī)上的電磁羅盤可以測得通電管道產(chǎn)生的磁場的方向（管道產(chǎn)生的磁場方向垂直于管道走向），從而可以確定管道走向及接收機(jī)與管道產(chǎn)生的磁場方向的夾角θ，如圖3所示。其次，利用傳感器C、D測得的信號計算管道的埋深h，具體計算如圖4管道埋深計算示意圖。

由傳感器C測得的水平及垂直方向的磁場信號值可以計算得到傳感器C所在位置到管道中心的連線與水平的夾角β1，由傳感器D測得的水平及垂直方向的磁場信號值可以計算得到傳感器D所在位置到管道中心的連線與水平的夾角β2。

圖3 管道磁場與接收機(jī)夾角測量示意圖

圖4 管道埋深計算示意圖

傳感器C距管道中心的距離r1及傳感器D距管道中心的距離r2為：

傳感器C處的磁感應(yīng)強度BC為：

傳感器D處的磁感應(yīng)強度BD為：

聯(lián)立式（5）、式（6）可得：

對式（7）整理后，兩邊取對數(shù)可得：

進(jìn)一步整理可得：

最終推導(dǎo)出管道埋深h的表達(dá)式如下：

1.3 管道周圍電磁波傳播特性

為了直觀了解管道周圍電磁場的分布特征及電磁波的衰減規(guī)律，本文采用數(shù)值模擬的方法，將管道分別置于真空、河水以及濕潤泥土三種不同的環(huán)境中，在管道上通以恒定電流、相同頻率的交變電流，研究管道周圍的電磁場特征及電磁波的衰減特征，以期為實際檢測提供理論指導(dǎo)。

在管道上施加5A、128Hz交變電流條件下，電磁波在空氣介質(zhì)中、河水介質(zhì)中及濕潤泥土介質(zhì)中的傳播衰減結(jié)果如圖5所示。由結(jié)果可知，電磁波在空氣中傳播衰減最慢，電磁波在水中傳播衰減最快。

圖5 濕潤泥土介質(zhì)中柱面電磁波的衰減曲線

2 河流穿越管道埋深探測方法示范應(yīng)用[2]

穿越管道的歷史事故表明，河床沖淤變化引起水下穿越輸油、氣管道局部裸露或懸空，是威脅管道安全的主要誘因，結(jié)合失效機(jī)理的分析不難發(fā)現(xiàn)，裸露和懸空管段處會導(dǎo)致管道發(fā)生疲勞破壞甚至斷裂?？梢姡艿缆裆钍窃u價水下管道安全的一項重要指標(biāo)。2017年3月，中國特種設(shè)備檢測研究院對中石化某河流穿越管道開展了River-ROV（Remote Operated Vehicle）水下檢測系統(tǒng)管道埋深探測工程應(yīng)用，圖6為ROV水下檢測系統(tǒng)。

圖6 河流穿越管道水下檢測器ROV及其主控系統(tǒng)

首先，檢測人員采用DM管道檢測儀的發(fā)射機(jī)通過岸上測試樁對管道施加頻率為640Hz、信號強度為2A的交流檢測信號。

其次，用運輸船將ROV載到預(yù)定位置，將調(diào)試良好的ROV沿著陸上定位的路徑下潛至水底，并近于平行管道的姿勢垂直管道路由的方向行進(jìn)，使用ROV上搭載的電磁法管道定位器將管道位置進(jìn)行精確的定位。圖7和圖8分別為ROV水上控制系統(tǒng)和檢測現(xiàn)場ROV的下水檢測圖。

圖7 ROV水上控制及調(diào)試系統(tǒng)

圖8 檢測現(xiàn)場ROV下水檢測圖

最后，當(dāng)ROV找到管道準(zhǔn)確位置后，在該處完成水深、覆土深度以及管道的埋深測量。圖9為河流穿越管道埋深檢測數(shù)據(jù)圖。

圖9 河流穿越管道埋深檢測數(shù)據(jù)圖

由此可見，采用電磁法檢測技術(shù)可以有效在線檢測出河流穿越管道的埋深情況，從而進(jìn)一步判斷出管道所處的工作狀態(tài)，為管道安全運行及維修檢測提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)及技術(shù)支持。

3 結(jié)論和展望

針對河流穿越管道，本文對電磁法管道埋深確定以及不同環(huán)境下管道周圍電磁波傳播特性開展了理論研究，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實際，采用基于電磁法的ROV設(shè)備對某穿江管道的埋深進(jìn)行了實際工程應(yīng)用研究。研究發(fā)現(xiàn)電磁法埋深檢測技術(shù)可有效在線檢測河流穿越管道的埋深，為管道安全狀態(tài)提供技術(shù)指導(dǎo)，應(yīng)用前景良好。

針對目前國內(nèi)水下管道埋深檢測需求及存在問題，后續(xù)仍需要開展以下方面的研究工作，以促進(jìn)水下管道埋深檢測技術(shù)的發(fā)展。主要包括：

1）在分析現(xiàn)有水下管道埋深檢測技術(shù)工作原理的基礎(chǔ)上，開展試驗研究，明確現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行水下管道埋深檢測的精度，拓展現(xiàn)有設(shè)備的使用范圍；

2）結(jié)合理論和試驗研究，研制管道埋深檢測的原理樣機(jī)，并逐步開發(fā)適用性強便捷的埋深檢測設(shè)備；

3）收集國內(nèi)水下穿越管道的穿越河流水文資料和已完成的檢測數(shù)據(jù)，建立水下管道數(shù)據(jù)庫，為水下管道運行、檢測及維修等提供數(shù)據(jù)支持；

4）開展水下管道完整性評價技術(shù)的研究工作，建立水下管道檢測標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，為水下管道安全運行提供保障。

[1]PHMSA.76 FR 70953 Safety of gas transmission pipelines-Advance notice of proposed rulemaking, extension of comment period[EB/OL]. 2011-11-26[2014-02-11].http://phmsa.dot.gov/pipeline/regs.

[2]金陵石化穿越長江管道水下機(jī)器人ROV檢測報告[R].北京：中國特種設(shè)備檢測研究院.