電磁感應(yīng)法在埋地非金屬管道探測(cè)中的應(yīng)用

高顯澤 劉 亮 馮 騁 李 寄

(中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司,河北 廊坊 065000)

埋地管道是城市的生命線,保障市政基礎(chǔ)設(shè)施正常運(yùn)轉(zhuǎn)。非金屬管由于抗污染能力強(qiáng)、成本低、重量輕、耐腐蝕、方便施工,在管材選用中優(yōu)勢(shì)明顯。目前,塑料管、陶瓷管與混凝土管等非金屬管材已廣泛應(yīng)用[1]。但埋地管線交叉并行、分布雜亂的現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。第三方施工因?qū)芫€資料掌握不準(zhǔn)確而導(dǎo)致管道泄露所引起的火災(zāi)、爆炸、環(huán)境污染等事故頻發(fā)[2]。因此,加強(qiáng)埋地管線探測(cè)工作有利于管道的完整性管理工作。

由于非金屬管既不導(dǎo)電也不具有磁性,常規(guī)的金屬管線探測(cè)器不能用于定位非金屬管道?？焖佾@取精密、可靠的非金屬管道的屬性數(shù)據(jù)已成為探測(cè)工作的重點(diǎn)

[3]。文章系統(tǒng)介紹了電磁感應(yīng)法在非金屬管道定位探測(cè)中的應(yīng)用。分析了電磁感應(yīng)法在埋地非金屬管道探測(cè)中的技術(shù)原理及其平面定位與深度定位的方法。重點(diǎn)介紹了電磁示蹤線法和示蹤探頭法的技術(shù)特點(diǎn),并針對(duì)各自技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)歸納了相關(guān)的改進(jìn)措施。最后,對(duì)電磁感應(yīng)法在埋地非金屬管道探測(cè)中的未來(lái)發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 電磁感應(yīng)法探測(cè)原理

電磁感應(yīng)法以電磁感應(yīng)原理為理論基礎(chǔ),利用接收機(jī)接收導(dǎo)線或探頭發(fā)出的電磁感應(yīng)信號(hào),分析感應(yīng)磁場(chǎng)的空間、時(shí)間變化規(guī)律,進(jìn)而確定管道的位置和埋深[4]。根據(jù)信號(hào)傳輸介質(zhì)的不同,分為電磁示蹤線法與示蹤探頭法。

確定埋地非金屬管線平面位置的常用方法有極大值法與極小值法；確定埋深常用的方法有直讀法、45°法和特征點(diǎn)法[5]。

1.1 平面定位方法

1.1.1 極大值法

探頭通過(guò)測(cè)量管線正上方形成磁場(chǎng)的水平分量極大值,以確定目標(biāo)管線的平面投影位置,見(jiàn)圖1a。

1.1.2 極小值法

探頭通過(guò)測(cè)量埋地管線正上方形成磁場(chǎng)的垂直分量極小值,以確定目標(biāo)管線的平面位置,見(jiàn)圖1b。

圖1 極小值法(a),極大值法(b)定位原理

1.2 深度定位方法

1.2.1 直讀法

直讀法要求接收機(jī)位于管線上方,利用其內(nèi)部上、下兩個(gè)垂直線圈分別測(cè)定管線產(chǎn)生的磁場(chǎng)水平分量梯度,根據(jù)公式求解管線埋深,可直接讀取深度值。直讀法操作簡(jiǎn)單快捷,測(cè)量準(zhǔn)確度較高。

1.2.2 45°法

45°法配合極小值定位法使用,極小值法確定管道平面位置后,調(diào)整接收機(jī)角度使之與地面成45°,隨后沿垂直管線走向的一側(cè)移動(dòng),探頭顯示極小值后,此處探頭所在位置與管線在地面投影位置的直線距離即為管線埋深,見(jiàn)圖2。

圖2 45°測(cè)深法定深原理

1.2.3 特征點(diǎn)法

特征點(diǎn)法是常用的管線定深方法,該方法配合極大值定位法使用,極大值法確定管道平面位置后,沿垂直管線走向方向移動(dòng),測(cè)得感應(yīng)磁場(chǎng)曲線峰值兩側(cè)某一百分比值處兩點(diǎn)之間的距離,進(jìn)而確定管線埋深。常見(jiàn)的特征點(diǎn)法有70%ΔHx法、80%Hx法與50%Hx法等,其定深原理如圖3 所示。其中70%ΔHx法因其探測(cè)精度高、抗干擾能力強(qiáng),應(yīng)用較為廣泛。

圖3 70%ΔHx 法(a),與80%Hx 法、50%Hx 法(b)定深原理

2 電磁示蹤線法

根據(jù)發(fā)射機(jī)對(duì)示蹤線施加信號(hào)方法的不同,電磁示蹤線法可分為直連法和感應(yīng)法[6]。

2.1 直連法

發(fā)射機(jī)直接向示蹤線施加電流,管道的位置和埋深由探測(cè)器接收到的磁場(chǎng)信號(hào)確定,見(jiàn)圖4。直連法可以調(diào)節(jié)發(fā)射電流強(qiáng)度,抗干擾能力強(qiáng),易區(qū)分相鄰管線。但直連法要求示蹤線必須有外露點(diǎn)以便與發(fā)射機(jī)連接。該方法適用于探測(cè)具有完整示蹤線的埋地非金屬管道。

圖4 直連法探測(cè)管道示意圖

2.2 感應(yīng)法

感應(yīng)法探測(cè)時(shí),發(fā)射機(jī)宜設(shè)置在目標(biāo)示蹤線附近的地面,確保土壤與示蹤線形成閉合的回路。探測(cè)時(shí),發(fā)射機(jī)發(fā)射一次感應(yīng)磁場(chǎng),示蹤線產(chǎn)生感應(yīng)電流,同時(shí)形成二次感應(yīng)磁場(chǎng)。發(fā)射機(jī)沿示蹤線方向移動(dòng),接收機(jī)通過(guò)探測(cè)二次感應(yīng)磁場(chǎng)的中心位置,確定示蹤線的位置與埋深,見(jiàn)圖5。

圖5 感應(yīng)法探測(cè)管道示意圖

感應(yīng)法操作簡(jiǎn)單,無(wú)需示蹤線具有引出地面的裸露端點(diǎn)。但干擾信號(hào)多,感應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度弱。

2.3 電磁示蹤線法的局限性及改進(jìn)方式

示蹤線產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度與材料的選用有關(guān),與流經(jīng)示蹤線的電流強(qiáng)度正相關(guān),與示蹤線和接收機(jī)的距離負(fù)相關(guān),且與示蹤線和土壤之間形成的回路電阻負(fù)相關(guān)。此外,在第三方施工或發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害時(shí),示蹤線很容易應(yīng)強(qiáng)度不夠而被破壞,探測(cè)工作將無(wú)法進(jìn)行。為解決上述問(wèn)題,改進(jìn)方法如下。

2.3.1 提高示蹤線的可靠性

示蹤線強(qiáng)度低,往往會(huì)受到拉應(yīng)力而被拉斷。有研究設(shè)計(jì)了一種三層銅包覆鋼的示蹤線,最外層為絕緣的聚乙烯塑料,中間層為高導(dǎo)電的銅絲,最內(nèi)層為高抗拉強(qiáng)度的鋼絲,提高了示蹤線的抗拉強(qiáng)度,并解決了示蹤線抗老化性能差、接頭易滲水等問(wèn)題[7]。

2.3.2 降低示蹤線與土壤間的回路電阻

回路電阻越大,感應(yīng)信號(hào)越弱。主要從示蹤線的敷設(shè)位置和埋設(shè)條件進(jìn)行改進(jìn)。改良示蹤線埋地端接頭的接地措施,如去除示蹤線分支末端絕緣層以裸露線芯30cm 以上,從而減小示蹤線接地電阻[8]。

2.3.3 提高信噪比

張漢春等通過(guò)分析從1m 到21m 埋深情況下感應(yīng)電磁場(chǎng)的異常分布特征確定了深埋管線探測(cè)存在的干擾因素,提出了頻率、電流、遠(yuǎn)端接地等提高感應(yīng)信號(hào)信噪比的技術(shù)方案,并結(jié)合廣州市特深管線的成功探測(cè)實(shí)例驗(yàn)證了該方案的良好效果[9]。

3 示蹤探頭法

示蹤探頭法通過(guò)將小型發(fā)射器放置在非金屬管道中,發(fā)射器為能夠發(fā)射特定頻率的微型磁偶極子線圈,通過(guò)不斷改變其在管道中的位置對(duì)非金屬管道進(jìn)行探測(cè)[10]。

如圖6(a)所示,接收機(jī)手持方向垂直于管道軸向并沿著管道軸向移動(dòng),在經(jīng)過(guò)探頭時(shí)接收機(jī)儀表會(huì)顯示出具有三個(gè)響應(yīng)峰值的曲線,其中主峰值點(diǎn)即為示蹤探頭縱向峰值點(diǎn)。然后以縱向峰值點(diǎn)為中心沿垂直于管道軸線的方向移動(dòng),圖6(b)中所示的橫向峰值點(diǎn)位置即為示蹤探頭所在的平面位置。

圖6 示蹤探頭法(a)縱向、(b)橫向定位示意圖

若接地條件良好,能有效避免示蹤線探測(cè)存在的弊端,不易受外部管線與周邊介質(zhì)的干擾,并能準(zhǔn)確提供的目標(biāo)管線的三維空間信息。黃鵬飛等通過(guò)里奇SR-20微型示蹤探頭結(jié)合慣性陀螺儀定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)非開(kāi)挖管線精確探測(cè)[11]。

但示蹤探頭的尺寸和轉(zhuǎn)向能力都對(duì)非金屬管道的探測(cè)有影響。因此,有研究從以下幾方面進(jìn)行了改進(jìn)：

(1)縮小示蹤探頭的尺寸。有研究研制了一種直徑僅為22mm 微型示蹤探頭,體積小且通用性強(qiáng),常用的穿線器均可通過(guò)螺紋連接探頭,可送入所有的預(yù)留管道。經(jīng)測(cè)試該探頭的探測(cè)深度可達(dá)15 米[12]。

(2)提高探頭的移動(dòng)性。祖立元等通過(guò)增設(shè)示蹤探頭的導(dǎo)向組件與轉(zhuǎn)向組件以解決其難以通過(guò)管線直角彎的問(wèn)題。導(dǎo)向組件包括利于轉(zhuǎn)過(guò)直角彎的圓柱形發(fā)射頭,發(fā)射頭通過(guò)滾輪與前端的導(dǎo)向頭連接且滾輪的半徑大于發(fā)射頭的半徑,利于示蹤探頭通過(guò)管線的直角彎[13]。

(3)提高傾斜示蹤探頭的探測(cè)精度。韋乙杰等人通過(guò)對(duì)磁偶極子的理論公式進(jìn)行推導(dǎo),發(fā)現(xiàn)示蹤探頭的傾角顯著影響磁場(chǎng)水平分量雙峰值比值。管線在地表投影的修正量可通過(guò)擬合后的傾角進(jìn)行推導(dǎo)求解。經(jīng)過(guò)管線探測(cè)實(shí)例驗(yàn)證,該方法提高了示蹤探頭探測(cè)的水平定位精度[10]。

4 對(duì)未來(lái)研究的展望

隨著現(xiàn)代城市的快速發(fā)展,對(duì)埋地非金屬管道進(jìn)行精確定位尤為重要。但各種電磁感應(yīng)法在探測(cè)埋地非金屬管道時(shí)均存在局限性。因此,該技術(shù)亟須創(chuàng)新升級(jí)改造,文章認(rèn)為發(fā)展趨勢(shì)如下：

4.1 增強(qiáng)抗干擾能力。在地下管線分布雜亂、干擾信號(hào)強(qiáng)的情況下均能順利探測(cè),提高信噪比及測(cè)量精度。

4.2 增強(qiáng)適用性。探測(cè)儀應(yīng)滿足對(duì)各種常見(jiàn)管材、管徑和埋深的管線探測(cè)要求,且能夠適用于各種復(fù)雜的地理?xiàng)l件。

4.3 豐富探測(cè)設(shè)備功能性。發(fā)展低成本、小型化、易操作、便攜化的探測(cè)設(shè)備的同時(shí)可考慮豐富探測(cè)設(shè)備的功能性。如探頭本體內(nèi)增設(shè)超聲探頭,示蹤探頭定位的同事可利用超聲探頭獲取超聲影像,以確認(rèn)定位探頭是否到達(dá)管道病變位置,從而提升定位的精確性。

4.4 提高自動(dòng)化程度。采用人工智能技術(shù),降低主觀判斷在測(cè)量中的比重,提高探測(cè)工作效率與結(jié)果的客觀程度。此外,探測(cè)結(jié)果可通過(guò)數(shù)字化將管道的三維信息實(shí)時(shí)立體顯示,利于運(yùn)營(yíng)商全面、直觀地掌控管道信息。

4.5 建立埋地非金屬管道的完整性管理系統(tǒng)。便于運(yùn)營(yíng)商對(duì)管線數(shù)據(jù)的管理,利于管線遠(yuǎn)程控制和統(tǒng)計(jì)分析。形成管道實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng),有助于提高探測(cè)精度。利用管道的完整性管理系統(tǒng),對(duì)可能的危害因素進(jìn)行識(shí)別、劃分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與故障預(yù)警等。