無示蹤線的聚乙烯埋地燃?xì)夤艿赖奶綔y技術(shù)研究

陳瀟 曾杰

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院; 南京市 210035）

（2.武漢華通正勤檢測技術(shù)有限公司 武漢市 430000 ）

引言

根據(jù)中國城市燃?xì)鈪f(xié)會安全管理委員會發(fā)布的《全國燃?xì)馐鹿史治鰣蟾妗凤@示，從2017年至2021年上半年，近五年來國內(nèi)發(fā)生燃?xì)馐鹿?618起，造成至少4046人傷亡，經(jīng)濟(jì)損失數(shù)十億元，其中，居民用氣事故占燃?xì)馐鹿士倲?shù)的比例最大，其次是管網(wǎng)事故，而第三方施工破壞，是燃?xì)夤芫W(wǎng)事故主因。作為整城鎮(zhèn)中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)中的聚乙烯埋地燃?xì)夤艿?，則是管網(wǎng)事故中最容易“受傷”的部分。

我國從上世紀(jì)80年代初，開始聚乙烯燃?xì)夤懿牡难芯抗ぷ?，并?982年在上海，鋪設(shè)了第一條聚乙烯材質(zhì)的燃?xì)夤艿?。隨著高分子材料科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和管材制作廠商的工藝升級，聚乙烯管材耐腐蝕、高韌性、重量輕，材質(zhì)穩(wěn)定的特性，使其在燃?xì)忸I(lǐng)域，都得到了廣泛的運(yùn)用。特別是2000年后的國內(nèi)新鋪設(shè)的城鎮(zhèn)中壓燃?xì)夤艿溃?00%都為聚乙烯材質(zhì)。因此，對于聚乙烯燃?xì)夤艿赖奶綔y檢驗(yàn)工作，關(guān)乎燃?xì)獍踩惶貏e是針對無示蹤線的聚乙烯埋地燃?xì)夤艿赖奶綔y技術(shù)研究，就尤為重要和急迫了。

1 管線定位探測

1.1 從2017年開始，一種名為主動聲源探測法的新技術(shù)，在聚乙烯埋地燃?xì)夤艿赖奶綔y檢驗(yàn)項目中，開始被燃?xì)夤艿罉I(yè)主方、壓力管道檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)所了解和接受。顧名思義，主動聲源探測法中的“主動”，是相對于管道漏水檢測行業(yè)的“被動”聽漏檢測法。聽漏檢測法，是用聽漏棒，和電子聽漏儀器，查找地下供水管道的漏水點(diǎn)。原理是用聽音方法，查找在管道破損點(diǎn)處，泄露水流與管體和周圍填埋介質(zhì)發(fā)生摩擦，生成的音頻信號。由于漏水點(diǎn)的數(shù)量和位置未知，所以只有在，已知供水管道的位置和走向的情況下，才可以使用聽漏檢測法。一般是在周圍環(huán)境噪音較低、管道內(nèi)流體壓力值穩(wěn)定的時段（夜晚22點(diǎn)至凌晨4點(diǎn)），由經(jīng)驗(yàn)豐富的檢測人員，使用聽漏檢測設(shè)備，通過尋找地下的特別音頻信號，來判斷可能的漏水位置。（圖1）

圖1

1.2 根據(jù)聽漏檢測法，在供水管道漏水檢測方面的實(shí)際運(yùn)用；我們推論出一個假設(shè)：如果能讓目標(biāo)管道，主動持續(xù)的發(fā)出特定音頻信號，那只需通過查找和跟蹤這個特定信號，是不是就可以找到目標(biāo)管線的具體水平位置和走向？主動聲源探測法的原理圖如下（圖2）

圖2

1.3 通過大量現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和探測數(shù)據(jù)，我們證明了主動聲源探測法，是可以在不停氣、不開挖的情況下，連續(xù)探測無示蹤線的聚乙烯埋地燃?xì)夤艿?。通過近4000余公里聚乙烯燃?xì)夤艿捞綔y數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，使用主動聲源探測法，在實(shí)際探測中，管道水平位置精度誤差可以達(dá)到±10cm，可探測的管道最大深度為4M，單向探測距離800M，雙向探測距離3000M（理想狀態(tài)下）。目前，該方法已經(jīng)廣泛運(yùn)用在非金屬管道探測和檢驗(yàn)項目中。

2 管線深度探測

2.1 在解決了無示蹤線的聚乙烯埋地燃?xì)夤艿赖乃轿恢锰綔y問題后，我們開始研究聚乙烯埋地燃?xì)夤艿赖奶盥裆疃葐栴}。根據(jù)管道閥井鋪設(shè)位置的不同，我們分為有閥井直埋管道（圖3），和無閥井直埋管道兩種情況來具體研究。圖3為常見的燃?xì)忾y井內(nèi)，雙放散閥安裝示意圖，其中H1為放散閥口距離地面的垂直距離，H2為為放散閥口距離埋地管道的管頂垂直距離。參考放散閥規(guī)格尺寸圖，就可以得到具體的H2，在現(xiàn)場量取了放散閥口與地面的垂直距離H1后，該處直埋燃?xì)夤艿赖奶盥裆疃菻=H1+H2。這種放散閥直接測量法，適用于有燃?xì)忾y井放散閥的直埋管道的深度探測。根據(jù)現(xiàn)場閥井內(nèi)閥門的具體規(guī)格和型號，都可以通過這種直接測量法，來確定埋地燃?xì)夤艿赖膶?shí)際埋深。

圖3

2.2 當(dāng)埋地燃?xì)夤艿乐車鸁o燃?xì)忾y井，或在燃?xì)忾y井內(nèi)的燃?xì)夤艿溃ㄟ^了不同填埋區(qū)域（不同區(qū)域的覆土高度發(fā)生了變化），就不能依據(jù)放散閥口的離地距離，來作為管道填埋深度的數(shù)據(jù)依據(jù)了。此時，就得采用一種適合的管線物探技術(shù)，來進(jìn)行埋地管道的深度探測。通過參考APL探測法【1】、地磁靜電法探測技術(shù)【2】、探地雷達(dá)探測法【3】等綜合管線探測技術(shù)，我們采用了高頻脈沖電磁信號反射法與主動聲源探測法，相結(jié)合的綜合探測技術(shù)，來對無示蹤線的聚乙烯（PE）埋地燃?xì)夤艿?，進(jìn)行精準(zhǔn)定位定深探測。

3 高頻脈沖電磁信號反射法

3.1 高頻脈沖電磁信號反射法，是一種無損探測技術(shù)。其工作原理是，當(dāng)傳播介質(zhì)密度發(fā)生變化時，在介質(zhì)內(nèi)傳播的電磁信號發(fā)生反射和衰減，通過相關(guān)計算，就可以得出介質(zhì)變化面到信號天線的垂直距離【4】。該方法最典型的運(yùn)用，是在地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備上，通過電磁信號反射的時域分析，來對隧道工程面進(jìn)行提前預(yù)警，對橋墩等工程基樁的澆筑質(zhì)量分析，等工程項目的無損檢測上。

3.2 近些年來，有優(yōu)秀的學(xué)者針對地質(zhì)雷達(dá)在管線探測上的運(yùn)用，發(fā)表了很多高質(zhì)量的論文，如“應(yīng)用探地雷達(dá)探查地下近間距非金屬管線”【5】，“基于探地雷達(dá)的城鎮(zhèn)燃?xì)釶E管道探測方法”【6】地質(zhì)雷達(dá)探測地下非金屬管線的波形特征分析【7】。這些理論方法，都非常有學(xué)術(shù)價值和運(yùn)用參考性。但也都反映出，地質(zhì)雷達(dá)在聚乙烯（PE）埋地燃?xì)夤艿捞綔y上的局限性：1、在未知埋地管道的水平位置，和走向的前提下，無法運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)，垂直于管道方向做斷面掃描，無法達(dá)到最有效的電磁波掃描效果。2、非金屬管道材質(zhì)不導(dǎo)電，介電常數(shù)小，使得反射弧面信號難以分析；針對地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場探測的原始數(shù)據(jù)圖，分析難度大，易造成誤判和錯判。

3.3 基于上述現(xiàn)況，我們設(shè)計了一套針對無示蹤線的聚乙烯埋地燃?xì)夤艿赖木珳?zhǔn)探測方案：第一步，采用主動聲源探測法對埋地管道進(jìn)行精準(zhǔn)定位。第二步，運(yùn)用AI輔助圖像分析技術(shù)，對高頻脈沖電磁信號的原始信號，進(jìn)行算法分析，來輔助探測人員，探測出聚乙烯埋地燃?xì)夤艿赖臏?zhǔn)確埋深。

4 不同材質(zhì)埋地管道在高頻脈沖電磁波下的反射信號特征分析

4.1 通過研究高頻脈沖電磁信號的反射特性，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脈沖電磁波通過在不同介電常數(shù)的物體時，會在電磁波信號剖面圖上，形成強(qiáng)弱不同的回波信號。其中，金屬管線由于自身材質(zhì)導(dǎo)電，因?yàn)殡姶欧磻?yīng)，會激發(fā)出多次非常明顯的反射信號（見圖4）。而非金屬管道，由于自身材質(zhì)不導(dǎo)電，反射波信號較弱，所以在信號剖面圖上，就不如金屬管線、電纜的反射信號明顯（圖5）。聚氯乙烯（PVC）材質(zhì)的給水管線的反射信號，要比聚乙烯（PE）材質(zhì)的燃?xì)夤艿溃瓷湫盘柛用黠@。這是因?yàn)榻o水管中的水是電的良導(dǎo)體，介電常數(shù)遠(yuǎn)大于PVC管材；而燃?xì)夤艿乐械募淄闅怏w，介電常數(shù)與PE管材接近。所以在電磁波反射信號剖面圖上，燃?xì)夤芫€的反射弧線非常暗淡，而且只有一條；給水管線的反射弧線非常明亮，通常同時會出現(xiàn)管頂和管底兩條弧線。

圖4

圖5

4.2 通過大量現(xiàn)場測試，我們發(fā)現(xiàn)不同頻率的脈沖電磁波，對地面的穿透表現(xiàn)也不一樣。通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，我們匯總出這樣的數(shù)據(jù)表（見表1）

表1

根據(jù)燃?xì)夤芫€相關(guān)設(shè)計規(guī)范中，對管線埋深的要求；通過現(xiàn)場作業(yè)的便捷性和易操作性的考慮，我們最終選擇了200Mhz頻率的信號天線，在江蘇省某地現(xiàn)場，進(jìn)行燃?xì)夤芫€探測實(shí)驗(yàn)。

5 200Mhz脈沖電磁波管道探測現(xiàn)場

5.1 探測地點(diǎn)：常州市某小區(qū)前綠化帶（圖6）

圖6

探測步驟：紅線為已知走向的埋地燃?xì)庵Ч?，管徑?0mm；黃色箭頭為檢測人員拖動雷達(dá)天線的行走路徑；A點(diǎn)拖到B點(diǎn)，然后再從B點(diǎn)拖到。

探測結(jié)果：我們先使用分析軟件，對原始信號圖進(jìn)行AI算法自動分析，但結(jié)果是無法識別。分析軟件沒能在原始信號中，標(biāo)注出目標(biāo)燃?xì)夤芫€的埋深。從原始信號剖面圖上，我們在160cm標(biāo)尺高度，分辨出一個PE管線反射信號（見圖7）。通過打開圖7中的支線閥井，測量出支管的實(shí)際埋深為140cm。減掉信號基準(zhǔn)距離30cm，該支管的探測深度為130cm，與實(shí)際深度相差10cm，滿足誤差要求。5.2 探測地點(diǎn)：常州市某小區(qū)前綠化帶（圖8）

圖7

圖8

探測步驟：紅線為已知走向的埋地燃?xì)庵鞴?，管徑?15mm；黃色箭頭為檢測人員拖動雷達(dá)天線的行走路徑：A點(diǎn)拖到B點(diǎn)，再從B點(diǎn)拖到A點(diǎn)。

探測結(jié)果：無論是肉眼識別原始信號圖（圖9），還是分析軟件進(jìn)行AI算法識別，都無法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)管線。通過閥井測量，得知該主管的實(shí)際埋深為230cm。5.3 探測地點(diǎn)：常州市某小區(qū)柏油瀝青車道（圖10）

圖9

圖10

探測步驟：紅線為已知走向的埋地燃?xì)庵鞴?，管徑?15mm；黃色箭頭為檢測人員拖動雷達(dá)天線的行走路徑：B點(diǎn)拖到A點(diǎn)，再從B點(diǎn)拖到A點(diǎn)。

探測結(jié)果：AI算法無法識別管線；我們從原始信號剖面圖上（圖11），我們在250cm標(biāo)尺高度，分辨出2個PE管線反射信號。通過打開圖9中的主線閥井，測量出該主管的實(shí)際埋深為230cm。減掉信號基準(zhǔn)距離30cm，該主管的探測深度為220cm，與實(shí)際深度相差10cm，滿足誤差要求。

圖11

5.4 探測地點(diǎn)：常熟市某小區(qū)內(nèi)的柏油路面單車道

探測步驟：以已知位置管線為中心，拖拽雷達(dá)天線走一次。

探測結(jié)果：AI算法自動識別出目標(biāo)管線（圖12），管線口徑160mm，實(shí)際埋深100cm，探測埋深100cm，滿足誤差要求。

圖12

5.5 探測地點(diǎn)：常州市某鎮(zhèn)的臨街水泥路面（圖13），紅線為直徑63mm的支線，黃線為直徑250mm的主管。

圖13

探測步驟：以已知位置管線為中心，拖拽雷達(dá)天線來回走兩次。

探測結(jié)果：AI算法無法自動識別目標(biāo)管線，通過人工識別原始信號圖（圖14），信號顯示埋深130cm，探測埋深為100cm；通過核對管線資料，該管線口徑63mm，實(shí)際埋深100cm，滿足誤差要求。

圖14

6 現(xiàn)場測試情況總結(jié)

6.1 采用200Mhz高頻脈沖電磁波信號反射法，配合主動聲源探測技術(shù)，可以用于無示蹤線的埋地聚乙烯（PE）燃?xì)夤艿赖奈恢眉吧疃忍綔y，可探測深度探測范圍為1～4M，可探測管道直徑范圍為63～315mm。

6.2 在綠化帶泥土路面上，電磁波信號反射法的探測效果較差，無法用AI軟件自動識別管線；當(dāng)埋深超過1.5M后，采用人工分析，也無法找出反射信號。其原因是地下土壤中含水量高，填埋介質(zhì)松軟不緊實(shí)，導(dǎo)致PE管反射信號不明顯。

6.3 水泥路面、柏油瀝青路面，探測效果比較理想；分析原因是路邊被壓實(shí)，適于射頻天線的來回拖動；地下填埋介質(zhì)密度均勻，目標(biāo)管道反射信號明顯。當(dāng)管道直徑大于埋深的1/10時，目前的AI軟件可以自動識別；當(dāng)管道直徑小于埋深的1/10時，AI軟件無法自動識別管線，只能通過人工查看原始信號圖，來辨別反射信號。

6.4 AI分析軟件的最大優(yōu)勢，在于能通過海量數(shù)據(jù)來進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，自我升級。我們相信，通過不斷采集現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)，持續(xù)的為AI分析軟件提供學(xué)習(xí)內(nèi)容，高頻脈沖電磁波信號反射法在管線探測中的運(yùn)用范圍，會越來越廣泛；分析結(jié)果，會越來越準(zhǔn)確。