超深埋地管道探測(cè)與識(shí)別技術(shù)及應(yīng)用

張 磊 羅文學(xué) 梁杏照

（天津市嘉信技術(shù)工程有限責(zé)任公司，天津 300384）

0 引言

隨著管道穿越施工技術(shù)日趨成熟和普及，定向鉆、頂管、微型隧道等不同的穿越技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各類管道的敷設(shè)工程。地下穿越區(qū)域內(nèi)密集分布多條相互交叉并行的管道，且管道間的距離不斷變小。穿越管道的埋深可達(dá)地表下10m以上，這些地下設(shè)施在運(yùn)行期間以及后繼工程施工環(huán)節(jié)，為保證管道安全，需要對(duì)這些超深管道實(shí)施精確測(cè)量。

使用常規(guī)的管線儀探測(cè)埋深在6m范圍內(nèi)的管道，其檢測(cè)精度一般能夠滿足工程的需要，且具有測(cè)量方法簡(jiǎn)單，設(shè)備價(jià)格便宜、施工成本低等優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)埋深超過10m的管道實(shí)施探測(cè)時(shí)，地面接收機(jī)很難獲得足夠信噪比的感應(yīng)信號(hào)，測(cè)量精度往往無法滿足工程的要求。探井磁梯度法是測(cè)量超深管道的有效方法，使用磁梯度法檢測(cè)則需要事先定位目標(biāo)管道的大概位置，然后使用由遠(yuǎn)到近逐步逼近打探井的施工策略，一處管道定位可能要鉆5個(gè)甚至更多的探井才能完成一次測(cè)量。磁梯度法能夠測(cè)量管道的埋深，但不能給出探頭與管道之間的距離，因此無法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)管道的精確定位。此外，在管道分布集中或復(fù)雜的工況下，難以識(shí)別目標(biāo)管道，增加了檢測(cè)的難度、鉆探井的盲目性以及管道的安全風(fēng)險(xiǎn)。探井磁梯度法面臨施工難度大、抗干擾能力差、成本費(fèi)用高、施工周期長(zhǎng)等難題。

結(jié)合電磁感應(yīng)原理和穿越超深管線探測(cè)需求，天津嘉信公司基于多年埋地管道探測(cè)儀器開發(fā)以及探測(cè)施工的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出基于探井法與電磁法相結(jié)合的超深管道測(cè)量系統(tǒng)UPM（Ultra-deep pipeline Measure system）。通過將測(cè)量探頭放入探井中，在足夠近的距離內(nèi)探測(cè)目標(biāo)管道上的電磁信號(hào)，從而大大提高了傳感器的測(cè)量信噪比，實(shí)現(xiàn)高精度的管道位置測(cè)量。工程上的應(yīng)用表明，UPM應(yīng)用于超深管線的探測(cè)，具有較高實(shí)用價(jià)值和良好應(yīng)用前景。

1 超深管線UPM檢測(cè)原理

1.1 井中電磁法

常規(guī)的磁梯度法是磁探測(cè)技術(shù)和探井相結(jié)合的被動(dòng)檢測(cè)方法，原理是將探頭置于探井內(nèi)，在足夠近的距離內(nèi)，通過探測(cè)管道上的磁化磁場(chǎng)實(shí)施檢測(cè)[1]。磁梯度法不能探測(cè)出探頭與目標(biāo)管道的距離以及兩者的相互關(guān)系，在管道分布密集或有其他鐵磁性物體時(shí)的工況下，難以區(qū)分目標(biāo)管道，給測(cè)量結(jié)果帶來較大的偏差[2]。

UPM將電磁法和探井相結(jié)合，其探測(cè)原理與普通的管線定位儀完全相同，也是需要給目標(biāo)管道施加一個(gè)交流信號(hào)，利用感應(yīng)線圈接收管道上的輻射信號(hào)完成檢測(cè)。與管線儀的不同之處在于UPM將測(cè)量傳感器集成在一個(gè)長(zhǎng)40cm，直徑3.6cm的探頭內(nèi)，將信號(hào)處理、參數(shù)設(shè)置、操作控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能放在測(cè)量主機(jī)中，兩者之間有電纜連接。通過將探頭置于探井內(nèi)并往下輸送，使探頭在足夠近的距離內(nèi)探測(cè)目標(biāo)管道上的電磁信號(hào)，從而大大提高了傳感器的測(cè)量信噪比，實(shí)現(xiàn)高精度的管道位置測(cè)量[3,4]。

探頭在探進(jìn)內(nèi)往下探測(cè)的過程中，由探頭內(nèi)部的電磁感應(yīng)線 圈接收目標(biāo)管道上的電磁信號(hào)，上下兩組線圈各自產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)信號(hào)處理電路中的前置放大、信號(hào)調(diào)理后，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化，然后經(jīng)信號(hào)電纜輸入到地面的測(cè)量主機(jī)，并在屏幕上實(shí)時(shí)顯示測(cè)量曲線，如圖1所示。隨著探頭下放而逐漸接近目標(biāo)管道，當(dāng)兩線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值達(dá)到最大時(shí)，表示探頭中的底部線圈與目標(biāo)管道中心位于同一水平面，此時(shí)電纜下放的長(zhǎng)度就是管道的埋設(shè)深度。與此同時(shí)，測(cè)量主機(jī)以上下線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，應(yīng)用公式（1）計(jì)算目標(biāo)管道與探頭垂直方向（探井）的水平距離L：

圖1 信號(hào)響應(yīng)曲線

式中：

L為管線的中心與探頭底部線圈中心的距離，單位：m；

X為探頭內(nèi)兩感應(yīng)線圈的距離，單位：m；

Et、Eb分別是頂部和底部線圈測(cè)得的由管線內(nèi)信號(hào)電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，通過兩個(gè)線圈的測(cè)量值，單位：V。

1.2 管道方位測(cè)量原理

當(dāng)探井位置離管線很近，且采用的鉆探工藝不能保證探井的垂直度時(shí)，需要標(biāo)定管線與探井中探頭之間的相對(duì)位置。UPM的探頭中增加了一個(gè)三分量正交線圈組的傳感器，連同內(nèi)置電路板，以及平面電子羅盤，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)管線相對(duì)于探頭方位的電磁法標(biāo)定。該方位信息對(duì)進(jìn)一步探測(cè)管線的水平位置，在管道復(fù)雜的環(huán)境下識(shí)別目標(biāo)管道，避免后繼工程誤傷管線，減少鉆探數(shù)量具有重要意義。

平面電子羅盤的向前方向與三分量線圈的Y軸重疊，向右方向與磁芯線圈的X軸重疊，羅盤平面與探頭的長(zhǎng)軸垂直，靠重力保證羅盤測(cè)量平面與水平面平行。探頭在探井內(nèi)垂直方向接近目標(biāo)管道，由三分量線圈接收目標(biāo)管線上的電磁信號(hào)，根據(jù)矢量的計(jì)算原理，得出三份量線圈與管道的角度關(guān)系，進(jìn)而得出管道的方位角信息。由于施加到目標(biāo)管線上的是正弦波信號(hào)電流，管道上的電流方向周期性翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而環(huán)繞管道的電磁場(chǎng)也是同周期的方向變化，如圖2所示。探頭與管道的位置關(guān)系決定了三分量線圈的水平矢量在電流周期性翻轉(zhuǎn)時(shí)的不同表現(xiàn)，根據(jù)三分量線圈中的水平矢量的變化可判斷出管道與探頭在方位上的相對(duì)關(guān)系。應(yīng)用公式（2）解算出管道的方位。

圖2 電流與電磁場(chǎng)的周期變化

圖4 UPM檢測(cè)流程示意圖

式中：

Ex為三分量正交線圈組中水平X方向線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，單位：V；

Ey為三分量正交線圈組中水平Y(jié)方向線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，單位：V；

β為目標(biāo)管線上探測(cè)信號(hào)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的水平矢量與磁北向的夾角，指示出管道的方位信息。

2 UPM的測(cè)量方法

UPM結(jié)合了探井法與電磁法的優(yōu)點(diǎn)，將探頭置于探井內(nèi)，以保證測(cè)量線圈能檢測(cè)到足夠強(qiáng)度的感應(yīng)信號(hào)，可大幅度降低對(duì)目標(biāo)管線上信號(hào)強(qiáng)度的需求，提高超深管線埋設(shè)位置的測(cè)量精度，解決了常規(guī)管線儀對(duì)超深管道測(cè)深精度差的難題。另外，使用特定頻率的檢測(cè)信號(hào)能準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)管道，三分量感應(yīng)線圈和電子羅盤配合使用可以精確測(cè)量管道的方位，減少鉆井的盲目性，降低對(duì)管道的安全威脅，高效準(zhǔn)確地測(cè)量超深管道的具體位置。

UPM主要由三部分組成，分別是測(cè)量主機(jī)、霍爾測(cè)距器和測(cè)量探頭。測(cè)量探頭是UPM的核心部件，它相當(dāng)于普通管線儀的探測(cè)天線，通過與地面主機(jī)配合來完成測(cè)量功能。測(cè)量探頭是由兩個(gè)電磁感應(yīng)線圈、一個(gè)三份量磁芯線圈、電子羅盤及信號(hào)調(diào)理電路板構(gòu)成。信號(hào)調(diào)理電路板將線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)濾波放大并傳遞給測(cè)量主機(jī)。整個(gè)探頭置于高強(qiáng)度的碳纖維管內(nèi)。

UPM檢測(cè)的實(shí)施方法是：

（1）對(duì)目標(biāo)管道初步定位，劃定探測(cè)區(qū)域，使用方法是電磁法，給目標(biāo)管道施加特定頻率的交流信號(hào)，在地面上使用管線儀初步定位目標(biāo)管道的平面位置和埋深，由此設(shè)定探測(cè)區(qū)域，其寬度約為初測(cè)埋深值的一半，復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)可酌情加大；

（2）在疑似區(qū)域邊緣的一側(cè)，選擇地下管線較為簡(jiǎn)單的位置，用鉆井機(jī)打一個(gè)探井，其深度約為地面初測(cè)埋深的1.5倍，探井孔徑探測(cè)略大于探頭直徑，將鉆井的泥漿抽取干凈并安裝塑料套管；

（3）將探頭放入探井中并往下輸送過程中，探頭接收管道的電磁信號(hào)并通過數(shù)據(jù)電纜傳送到地面的測(cè)量主機(jī)，主機(jī)實(shí)時(shí)顯示探頭的測(cè)量曲線；當(dāng)探頭經(jīng)過目標(biāo)管道時(shí)，測(cè)量主機(jī)有相應(yīng)的峰值響應(yīng)；

（4）在探井與初測(cè)位置中間再次鉆井重復(fù)UPM測(cè)量，獲取目標(biāo)管道埋深和位置；當(dāng)水平距離在3m內(nèi)且測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，則認(rèn)為測(cè)量結(jié)果是可靠的。

3 實(shí)例應(yīng)用

天津某公司使用定向鉆施工敷設(shè)一根天然氣管道，管徑為1016mm，管道沿南北方向延伸，并穿越東西向的國(guó)道（如圖5所示）。設(shè)計(jì)資料顯示在道路南側(cè)約14.3m和18m分別是管徑1016mm的輸氣管道和管徑為325mm的輸油管道。在交叉位置處，油管道設(shè)計(jì)埋深18m，氣管道設(shè)計(jì)埋深15.4m，待施工管道在交叉位置的設(shè)計(jì)埋深為21m。為了施工安全，受施工方委托，對(duì)該區(qū)域內(nèi)管道的真實(shí)埋深及位置實(shí)施精確探測(cè)。2021年4月，檢測(cè)人員使用UPM對(duì)交叉位置處的兩條穿越管道實(shí)施精確測(cè)量，檢測(cè)結(jié)果具有良好的重復(fù)性，得到委托方的肯定。

圖5 檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)管道分布示意圖

具體的實(shí)施方法是：在初步探測(cè)階段對(duì)探測(cè)區(qū)域?qū)嵤┑孛骐姶欧ㄌ綔y(cè)，測(cè)得現(xiàn)有兩條管道相距約為3.5m。選定在油管、氣管道兩條管線中間位置作為探井鉆探點(diǎn)，鉆探深度25m。完成探井鉆探后開始初步定位過程，分別在油管道和氣管道的測(cè)試樁處施加1安培的640Hz交流信號(hào)，使用UPM分別對(duì)兩條管道實(shí)施測(cè)量。由于兩條管線相距不遠(yuǎn)，加之探井專探的垂直度較高，一次鉆探完成了初步和精確定位工作，具體探測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 UPM檢測(cè)結(jié)果（單位：m）

通過測(cè)量，得出輸油管道的埋深為18.57m，與探井的水平距離為1.86m。輸氣管道的埋深為16.66m，與探井的水平距離為1.47m。

4 結(jié)語

UPM檢測(cè)設(shè)備是針對(duì)超深管道的精確定位測(cè)深而開發(fā)的，該設(shè)備結(jié)合了探井法和電磁法的優(yōu)點(diǎn)，解決了地面電磁法和磁梯度法探測(cè)超深管道所面臨的局限。UPM通過將探頭下放至探井內(nèi)，使探頭與管道的距離大大縮小，探頭中的感應(yīng)線圈能探測(cè)到足夠強(qiáng)度的檢測(cè)信號(hào)，提高了檢測(cè)精度，這是常規(guī)的地面電磁法探測(cè)無法比擬的。此外，給目標(biāo)管道施加特定頻率的交流信號(hào)，提高了抗干擾能力，在管道分布復(fù)雜，多條管道并行交叉的工況下，能夠準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)管道的位置，同時(shí)可以精確測(cè)量管道的方位信息，這是磁梯度法無法實(shí)現(xiàn)的功能。通過UPM檢測(cè)，可以測(cè)量出目標(biāo)管道的精確的空間位置，保障了管道的運(yùn)行以及后繼工程的施工安全。