地層剖面儀在地下金屬管線檢測(cè)中的應(yīng)用

孟山雅

（中海油能源發(fā)展采辦共享中心，天津 300452）

地下金屬管道從其設(shè)計(jì)、施工到使用中，受一些因素影響其安全隱患較大，且由于其所處位置特殊，導(dǎo)致無法肉眼觀察到管道問題。

1 地下金屬管道檢測(cè)常用技術(shù)手段

1.1 地下金屬管道管內(nèi)檢測(cè)技術(shù)

管內(nèi)檢測(cè)主要采用在線檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)用各種管內(nèi)檢測(cè)儀器設(shè)備?？稍诓煌Ｖ股a(chǎn)情況下檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道存在隱患以及隱患部位。

首先是變形檢測(cè)清管器，可以檢測(cè)管道幾何和斷面變形情況、存在的屈曲和彎折現(xiàn)象等。國(guó)外智能檢測(cè)清管器可以執(zhí)行變形檢測(cè)，檢測(cè)管道幾何變形與金屬腐蝕。其次是管壁腐蝕檢測(cè)清管器，地下金屬管道輸送介質(zhì)會(huì)腐蝕管壁，管壁腐蝕檢測(cè)清管器主要檢測(cè)內(nèi)壁腐蝕情況。管道更換維修的主要原因就是管壁腐蝕、裂紋等，因此加強(qiáng)管壁腐蝕檢測(cè)十分必要。

1.2 地下金屬管道管外檢測(cè)技術(shù)

地下金屬管道所處環(huán)境因地形條件限制而有所差異，需采用特殊的管外檢測(cè)手段。由于光波、電磁波會(huì)受到干擾，其影響作用距離段，因此在地下金屬管外檢測(cè)中主要采用聲學(xué)遙感設(shè)備、機(jī)器人等進(jìn)行檢測(cè)。

（1）多波束測(cè)深技術(shù)。這種技術(shù)利用了聲波作為能量形式，相比于傳統(tǒng)單波束側(cè)身技術(shù)，可以一次性獲得軌跡上條帶狀區(qū)域地層深度數(shù)據(jù)，其測(cè)量范圍大、精度高、速度快，最后可獲得管道埋藏區(qū)域的地形三維特征地圖。

（2）機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)檢測(cè)范圍廣、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，在地下金屬管道檢測(cè)中有著重要作用。主要包括遙控潛水器檢測(cè)技術(shù)、自治機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)等。

（3）人工檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)工作可以直接通過儀器配合目視檢測(cè)地下金屬管道外狀態(tài)，但測(cè)量區(qū)域有限?？梢酝ㄟ^檢測(cè)確定管道懸跨狀況，通過專業(yè)設(shè)備測(cè)量、記錄，確定懸跨的距離和高度等信息，并繪制管道剖面圖。遇到特殊地質(zhì)區(qū)域，則需要使用聲吶設(shè)備檢測(cè)。

2 淺地層剖面儀應(yīng)用原理分析

淺地層剖面儀利用聲波在地下沉積物內(nèi)傳播、反射特性對(duì)地層設(shè)備探測(cè)，是在回聲探測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。隨著當(dāng)前對(duì)地質(zhì)資源的探索開發(fā)力度加大，地質(zhì)鉆探工程逐漸興起，淺地層剖面儀在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、巷道疏浚建設(shè)等方面發(fā)揮著重要作用。相比于鉆孔取樣技術(shù)，淺地層剖面儀在地質(zhì)調(diào)查中操作更加便利、探測(cè)速度快，可以連續(xù)記錄圖像等。常見的淺地層剖面儀可以按照聲學(xué)機(jī)理劃分為線性、非線性聲源兩種類型。線性生源功率大、穿透力強(qiáng)、體積大，非線性聲源的穿透力弱、體積小，兩種淺地層剖面儀都是利用聲波穿過不同介質(zhì)下，介質(zhì)的波阻抗差異性導(dǎo)致其產(chǎn)生的回波信號(hào)強(qiáng)弱不同特點(diǎn)來實(shí)施檢測(cè)的，在輸出記錄上形成不同記錄。

聲波在穿透地層下行過程中，經(jīng)過各層介質(zhì)的濾波遇聲阻抗界面返回。因地下的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，有著多種不同的層次，在聲波進(jìn)入測(cè)定區(qū)域后會(huì)形成透射、發(fā)射作用，每個(gè)反射層次會(huì)被接收。具體地質(zhì)反射強(qiáng)度與發(fā)射系數(shù)相關(guān)，發(fā)射強(qiáng)度加大，則換能器會(huì)接收到較強(qiáng)反射信號(hào)，淺地層剖面儀接收到攜帶大量有價(jià)值信息的反射信號(hào)，在連續(xù)記錄與分析下可獲得地下金屬管道、地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息。利用淺地層剖面儀形成圖像可以對(duì)地層內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別，還能判斷埋藏物與地上的空間位置關(guān)系等，不同地質(zhì)沉積物深度不同，且由于地層聲阻抗差異性，淺地層剖面儀獲取資料也具有多解性特點(diǎn)。

在實(shí)際應(yīng)用淺地層剖面儀檢測(cè)中，會(huì)將主機(jī)與定位GPS固定在測(cè)量設(shè)備上，利用GPS系統(tǒng)定位，測(cè)量設(shè)備即可依據(jù)預(yù)定航線以一定速度行駛。地面下安置發(fā)射基陣、接收基陣，根據(jù)作業(yè)區(qū)地質(zhì)狀況，設(shè)定好主機(jī)發(fā)射聲波脈沖的頻率、功率等，向下重復(fù)進(jìn)行脈沖發(fā)射，回波被接收基陣接收然后將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，主機(jī)在對(duì)其初步增益、濾波處理后可以以數(shù)字、紙質(zhì)輸出探測(cè)到的情況。測(cè)量設(shè)備在接收處理回波信號(hào)后，即可辨別其具體埋設(shè)位置。

3 淺地層剖面儀在地下金屬管道檢測(cè)中影響因素

3.1 管道與管溝聲學(xué)剖面特征

鋪設(shè)完成管道之后，挖溝處理會(huì)形成一定溝形，管道埋藏狀態(tài)、管溝形態(tài)不同，則會(huì)產(chǎn)生多種繞射波空間特征。

地下金屬管道挖溝后容易形成凸起、凹坑等地貌，溝的兩側(cè)大多為凸起狀，其本身在溝沿兩側(cè)、溝底形成反射弧線。新挖溝的管道，管道剖面測(cè)量會(huì)受到未淤平管溝影響，特別是埋深較淺的管道，其反射波會(huì)與溝沿繞射波疊加，加大管頂辨識(shí)難度。

3.2 檢測(cè)影響因素

3.2.1 不同信號(hào)源影響

在對(duì)同一區(qū)域埋藏管道檢測(cè)中，不同信號(hào)源淺地層剖面系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果不同。其中，Chirp技術(shù)取得的效果更加顯著，其繞射曲線與管道外形接近，在管道檢測(cè)中分辨率較高。PCW技術(shù)檢測(cè)獲得的埋藏管道記錄，其波束開角較大在管道頂端聲波明顯繞射，繞射波寬度較大，偏離管道外形，但在檢測(cè)管道位置、埋深方面則比較準(zhǔn)確。

3.2.2 航行速度影響

以Chirp淺地層剖面儀為例，不同航行速度下其對(duì)于相同地下金屬管道的檢測(cè)結(jié)果存在差異。相同頻率的淺地層剖面儀，在水深相同情況下航行速度慢，則探測(cè)到管道頻次高，會(huì)形成更加明顯的繞射曲線，容易從淺地層剖面儀記錄上識(shí)別出管道位置。航行速度快，則繞射曲線不夠明顯，同時(shí)曲線狀態(tài)與管道真實(shí)形態(tài)的差別也比較大。

3.2.3 水深影響

在水深加大的情況下，管道會(huì)產(chǎn)生愈加明顯的繞射波，水深越大繞射波寬度愈大，在此水深條件下難以對(duì)管道掩埋狀態(tài)進(jìn)行判斷，只可確定管道所處位置。

4 淺地層剖面儀在地下金屬管道檢測(cè)中檢測(cè)方法與成果分析

實(shí)際應(yīng)用淺地層剖面儀進(jìn)行地下金屬管道檢測(cè)中，需結(jié)合檢測(cè)目的、埋藏區(qū)域地形特點(diǎn)等布設(shè)檢測(cè)線，對(duì)于發(fā)現(xiàn)管道存在懸空等問題的區(qū)段，其檢測(cè)線也應(yīng)相應(yīng)加密，以準(zhǔn)確定位管道位置、懸空段長(zhǎng)度等。測(cè)線與管線相交，從點(diǎn)到線探查管道空間賦存狀態(tài)，并結(jié)合磁力調(diào)查數(shù)據(jù)等對(duì)地下金屬管道平面位置、埋藏狀態(tài)進(jìn)行更加準(zhǔn)確的判斷。

4.1 儀器設(shè)備選擇與安裝

當(dāng)前可使用線性調(diào)頻脈沖技術(shù)、非線性調(diào)頻脈沖技術(shù)這兩種新型淺地層剖面儀。兩者的特點(diǎn)各部相同，特定工程檢測(cè)需要，比如對(duì)穿透更加側(cè)重，則適合采用線性調(diào)頻脈沖剖面儀，則檢測(cè)效果較好。如果所檢測(cè)管道埋設(shè)比較淺，需要保證其分辨率足夠高，則適合選擇參量陣淺地層剖面儀。

4.2 檢測(cè)成果分析

地下金屬管道檢測(cè)中，檢測(cè)成果分析關(guān)系著檢測(cè)有效性。在處理數(shù)據(jù)資料過程中，需要考慮到不同情況下地下管道波組形態(tài)變化，以獲得準(zhǔn)確的埋深數(shù)據(jù)。如果管道處于特殊地質(zhì)條件或者水文地質(zhì)狀況較差區(qū)域，則外業(yè)資料中存在干擾因素，會(huì)加大識(shí)別難度。干擾較強(qiáng)無法依據(jù)淺地層剖面儀記錄判斷管道位置的情況下，可以結(jié)合磁力探測(cè)、側(cè)掃聲吶等資料進(jìn)行分析，保證結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性。如果地下金屬管道懸空，需結(jié)合側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)分析管道懸空高度、長(zhǎng)度。地面面以下埋藏的管道，側(cè)掃聲吶與磁力儀對(duì)其檢測(cè)有限，需主要靠淺地層剖面儀探測(cè)資料獲得管道信息。

首先是淺埋狀態(tài)，淺埋金屬管道剖圖中其弧狀管道信號(hào)清楚，上方沉積物自然回淤、下方信號(hào)屏蔽明顯，則表示該處管道受到地下水沖刷影響較小，其狀態(tài)較為穩(wěn)定。

其次是回填碎石狀態(tài)，檢測(cè)管道埋藏狀況就是檢測(cè)管道敷設(shè)后上方覆蓋層是否達(dá)標(biāo)?？山Y(jié)合側(cè)掃聲吶、敷設(shè)施工資料共同分析判斷反射物質(zhì)，以及管道被碎石覆蓋情況。

最后是管道出露狀態(tài)，根據(jù)管道位置以及預(yù)挖溝形態(tài)，以及管道信號(hào)和上方碎石保護(hù)層狀態(tài)，結(jié)合管道頂部、埋藏位置，可以得到管道出露高度。

5 結(jié)語

在實(shí)際地下金屬管道檢測(cè)中，應(yīng)注重經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和問題分析，能夠借助其他測(cè)量手段探測(cè)，重視外業(yè)測(cè)量采集質(zhì)量，以保證資料識(shí)別度、成果分析成效。不斷提升淺地層剖面儀檢測(cè)水平，才能為金屬管道運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供有效參考。