鋼質(zhì)氣管線覆土層厚度檢測(cè)方法的應(yīng)用研究*

何沫 郭霄雄 馮慶華

(1.中石油西南油氣田分公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院 成都 610041； 2.中石油西南油氣田分公司氣田開發(fā)管理部 成都 610051； 3. 中石油西南油氣田分公司川渝頁巖氣前線指揮部 成都 610051)

0 引言

覆土層厚度檢測(cè)是油氣管線檢測(cè)的核心項(xiàng)目之一，準(zhǔn)確計(jì)算管線覆土層厚度對(duì)保證油氣管線的安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義[1]。在某些特殊地形，如管線河流穿越段中，管線覆土層厚度可能超過30 m。在此覆土層厚度條件下，如何選用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段實(shí)現(xiàn)管線覆土層厚度的測(cè)量是亟待解決的問題。國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用交變感應(yīng)法檢測(cè)管線覆土層厚度，現(xiàn)有交變感應(yīng)法檢測(cè)設(shè)備中，對(duì)覆土層厚度的計(jì)算方法主要有兩種，即雙探頭法和單探頭法。其中，雙探頭法為國(guó)內(nèi)常見地下管線探測(cè)儀廣泛采用的方法，而單探頭法在國(guó)內(nèi)運(yùn)用較少，目前國(guó)內(nèi)外缺乏針對(duì)兩種方法適用性的對(duì)比研究[2]。本文針對(duì)管線覆土層厚度檢測(cè)，通過對(duì)雙探頭法和單探頭法基本原理的深入研究，分析對(duì)比兩種計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出兩種方法在大埋深管段覆土層厚度檢測(cè)中的適用性。

1 交變感應(yīng)法管線覆土層厚度檢測(cè)的基本原理

運(yùn)用交變感應(yīng)法檢測(cè)覆土層厚度時(shí)，通過管道測(cè)試樁將發(fā)射系統(tǒng)與管線連接，發(fā)射系統(tǒng)向管線路發(fā)射低頻交變信號(hào)，此時(shí)管線周邊形成圓柱狀交變電磁場(chǎng)，根據(jù)低頻交變感應(yīng)探頭在管線附近不同位置信號(hào)值的變化情況，找到信號(hào)峰值點(diǎn)，可確定管道中心線位置。

當(dāng)接收探頭位于管線中心線正上方時(shí)，記錄該點(diǎn)電磁感應(yīng)參數(shù)，并根據(jù)對(duì)應(yīng)公式計(jì)算低頻信號(hào)感應(yīng)探頭與管線間距h[3-5]。

常見穿越管段中，管徑大小與穿越管段總長(zhǎng)相比可忽略不計(jì)，因此采用無限長(zhǎng)線性模型來近似模擬穿越管段周邊電磁場(chǎng)分布情況是可取的。由相關(guān)定律可知，管線磁場(chǎng)呈線型、圓柱狀分布[6-7]。在空間中假定點(diǎn)A的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

(1)

式中，IZ為管線電流強(qiáng)度，A；r為管線中心到A點(diǎn)的距離，m；μ0為介質(zhì)磁導(dǎo)率，H/m。

根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度值反算接收低頻交流接收探頭與管線中心的距離，進(jìn)而可計(jì)算管線表面覆土層厚度。

盡管基礎(chǔ)原理相同，但根據(jù)實(shí)際運(yùn)用中接收機(jī)對(duì)電磁信號(hào)取值方式的不同，可將交變感應(yīng)法管線覆土層厚度檢測(cè)分為雙探頭法和單探頭法[8-9]。

2 雙探頭法檢測(cè)管線覆土層厚度的原理

雙探頭法在管道常規(guī)檢測(cè)使用的探管儀中應(yīng)用廣泛，探管儀內(nèi)部距離已知，上下平行的兩根平行探頭對(duì)管中交變感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采集[10-11]，如圖1、圖2所示。

圖2 雙探頭法計(jì)算覆土層厚度示意

圖1 雙探頭法接收機(jī)內(nèi)部的天線

若下方低頻交流接收探頭的磁感應(yīng)強(qiáng)度為BX，上方低頻交流接收探頭磁感應(yīng)強(qiáng)度為BY，由式(1)可得

(2)

(3)

式中，D為兩根低頻交流接收探頭距離，m；h為下方低頻交流接收探頭距離管心距離，即管線覆土層厚度，m。

用式(3)除以式(2)，可求得管線覆土層厚度h為

(4)

當(dāng)D=0.5 m時(shí)，BX與BY的比值隨覆土層厚度變化如圖3所示。

圖3 上下線圈電磁信號(hào)比值隨覆土層厚度變化曲線

從圖3可以看出，當(dāng)管線深度小于5 m時(shí)，上下線圈間的電磁信號(hào)比值隨著覆土層厚度的增加明顯均勻增大，大于5 m時(shí)信號(hào)比值逐漸減小，大于10 m時(shí)比值接近1，且隨著覆土層厚度繼續(xù)增大基本不再變化。

3 單探頭法檢測(cè)管線覆土層厚度的原理

單探頭法與雙探頭法的區(qū)別在于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用單個(gè)探頭讀取各數(shù)據(jù)點(diǎn)的交變感應(yīng)強(qiáng)度參數(shù)，基于交變感應(yīng)強(qiáng)度和管道深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將該參數(shù)帶入反算模型，得到管道深度。因此，應(yīng)用單探頭法必須在檢測(cè)開始前，構(gòu)建一個(gè)至少能在全穿越管段使用的管線深度計(jì)算模型，這就要求每次計(jì)算模型的構(gòu)建都必須建立在目標(biāo)管段處的信號(hào)定標(biāo)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上[12-13]。

同時(shí)，想要建立處處適用的模型，理想狀況下應(yīng)保證交變電流沿管線均勻流動(dòng)，處處相等，不會(huì)因?yàn)楣艿婪栏瘜悠茡p點(diǎn)的存在導(dǎo)致電流散失。為降低電流散失的比例，應(yīng)用單探頭法檢測(cè)時(shí)必須在現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)一根環(huán)形電纜，兩端分別通過測(cè)試樁與管道連通，低頻交變信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)串聯(lián)在該低電阻環(huán)路中，在此情況下即使存在防腐層破損點(diǎn)，也能保證電流被閉合在目標(biāo)管段中，如圖4所示。

圖4 單探頭法檢測(cè)管線覆土層厚度的線路連接示意

應(yīng)用單探頭法實(shí)現(xiàn)深埋管道檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)工程由以下3項(xiàng)主要內(nèi)容組成[14]。

3.1 模型建立

在目標(biāo)管段上尋找某處覆土層厚度已知點(diǎn)，確定此點(diǎn)為定標(biāo)點(diǎn)，在此點(diǎn)上通過不斷改變探頭與管道中心的距離，同時(shí)記錄距離對(duì)應(yīng)的交變感應(yīng)信號(hào)值，可獲得信號(hào)與距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算出電磁信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算模型為

B=φ(h)

(5)

3.2 模型修正

受到電容效應(yīng)等各種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響，在大型穿越管段中，管中電流依然可見與空間變化相關(guān)的線性衰減的情形。因此，必須引入空間修正系數(shù)α，控制這種衰變的影響。

同時(shí)，由于供電源和現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的不穩(wěn)定性對(duì)信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)帶來的影響，目標(biāo)管段周邊電磁場(chǎng)狀態(tài)在不同時(shí)間可能發(fā)生細(xì)微改變。因此，必須在發(fā)射系統(tǒng)植入發(fā)射信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊，全程監(jiān)控信號(hào)發(fā)射，通過數(shù)據(jù)處理形成時(shí)間修正系數(shù)β，對(duì)穿越管段沿線各測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行一一修正。

由此，可將管線覆土層厚度計(jì)算模型表達(dá)為

B=α·β·φ(h)

(6)

3.3 覆土層厚度計(jì)算

根據(jù)工程需要確定數(shù)據(jù)采集密度，在目標(biāo)管段沿線各點(diǎn)采集電磁信號(hào)值，同步記錄各點(diǎn)坐標(biāo)和采集時(shí)間，代入模型完成覆土層厚度的反算。

低頻交流接收探頭中電磁信號(hào)強(qiáng)度絕對(duì)值隨管線深度變化情況如圖5所示?？梢钥吹剑姶判盘?hào)絕對(duì)值在管線深度超過20 m時(shí)隨管線深度的變化依然明顯，即使在管線深度達(dá)到40 m時(shí)依然具有較強(qiáng)的可讀性。

對(duì)圖5橫縱坐標(biāo)分別取對(duì)數(shù)，可得圖6，可見電磁信號(hào)強(qiáng)度在40 m范圍內(nèi)隨管線深度變化具有很好的線性度。

圖6 對(duì)數(shù)坐標(biāo)下電磁信號(hào)絕對(duì)值隨管線深度變化曲線

圖5 電磁信號(hào)絕對(duì)值隨管線深度變化曲線

4 適用性分析

運(yùn)用雙探頭法計(jì)算管線覆土層厚度時(shí)，在同一點(diǎn)同時(shí)采集上下線圈的電磁信號(hào)值，覆土層厚度值根據(jù)信號(hào)比值計(jì)算。由于在管線任一點(diǎn)，上下天線的電磁信號(hào)比值為相對(duì)值，與該點(diǎn)管內(nèi)電流強(qiáng)度、環(huán)境磁導(dǎo)率無關(guān)，故運(yùn)用雙探頭法對(duì)管線覆土層厚度的計(jì)算不受管內(nèi)電流衰減和環(huán)境變化影響，且能即時(shí)讀取管線覆土層厚度，操作簡(jiǎn)便，對(duì)復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)。當(dāng)管線覆土層厚度超過5 m時(shí)，運(yùn)用雙探頭法計(jì)算管線覆土層厚度的精度會(huì)逐漸降低，超過20 m時(shí)已無法正常計(jì)算。

與雙探頭法不同，單探頭法根據(jù)所采集的各點(diǎn)信號(hào)絕對(duì)值反算獲得管線覆土層厚度。從圖5可看到，電磁信號(hào)隨著接收天線與管線的距離不斷減小，在40 m范圍內(nèi)依然具有可讀性，故通過增大發(fā)射機(jī)發(fā)射功率、提高信噪比等強(qiáng)化硬件設(shè)施的途徑，可有效提高檢測(cè)系統(tǒng)的最大量程，使之適用于40 m以下超大覆土層厚度管線的檢測(cè)。必須注意到，單探頭法的計(jì)算結(jié)果受管內(nèi)電流衰減、環(huán)境變化影響明顯，雖然采用了大回路法電路連接，同時(shí)在空間、時(shí)間上進(jìn)行校正，依然不可能完全消除影響；且由于管線覆土層厚度根據(jù)電磁信號(hào)絕對(duì)值計(jì)算，必須首先建立電磁信號(hào)強(qiáng)度隨管線覆土層厚度的變化模型，現(xiàn)場(chǎng)操作程序復(fù)雜，覆土層厚度值反算需借助專用軟件實(shí)現(xiàn)，耗時(shí)較長(zhǎng)。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)雙探頭法和單探頭法的研究，得出兩種計(jì)算方法的技術(shù)原理，并對(duì)各自優(yōu)缺點(diǎn)展開分析，獲得以下結(jié)論：

(1)常用埋地鋼質(zhì)管道探測(cè)儀采用雙探頭法檢測(cè)管線覆土層厚度，同步讀取兩個(gè)平行探頭的交變感應(yīng)信號(hào)，在探頭間距已知的情況下實(shí)現(xiàn)探頭與管道中心線距離的測(cè)定。

(2)單探頭法對(duì)管線深度的測(cè)試，必須包括交變感應(yīng)信號(hào)值-管道探頭距離計(jì)算模型的建立，模型在時(shí)間、空間方面的修正，模型的應(yīng)用等3部分，且測(cè)試工作必須在“管道—電線”閉合低電阻通路形成的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

(3)雙探頭法在管線覆土層厚度<5 m時(shí)可精確計(jì)算管線覆土層厚度，計(jì)算結(jié)果不受管中電流衰減和環(huán)境變化的影響，且操作方法簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快，對(duì)復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有較好的適應(yīng)性；當(dāng)覆土層厚度>5 m后，雙探頭法的計(jì)算精度不斷降低，超過20 m無法計(jì)算。

(4)單探頭法在>5 m的覆土層厚度范圍內(nèi)依然可以保持較高的精度，但計(jì)算結(jié)果受環(huán)境變化、管中電流衰減影響較大，且操作流程復(fù)雜，檢測(cè)周期長(zhǎng)。在防腐層質(zhì)量較好的管線上，通過增大發(fā)射機(jī)功率提高信噪比的方法，可以實(shí)現(xiàn)覆土層厚度40 m以下管線的精確檢測(cè)。