埋地管道腐蝕的成像檢測技術研究

摘 要:根據瞬變電磁全區視電阻率的數值計算方法，以及基于煙圈效應下的反演深度求解，提出了基于埋地管道的視電阻率成像解釋的思路。研制出了埋地管道腐蝕成像檢測的程序，該程序能確定腐蝕大小和位置，通過野外實例的應用，獲得了良好的效果，證明了該方法技術和程序的有效性及實用性，這也為管道的正常運行提供了安全保障。

關鍵詞:埋地管道瞬變電磁全區視電阻率成像

中圖分類號:P631.3文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(b)-0010-02

長期以來，油氣管道大部分采用埋地的工作方式，由于在役時間的延長以及所處環境的惡劣，管道會出現腐蝕穿孔或焊縫缺陷開裂等狀況，所以對埋地管道的在役檢測并成像顯示有著重要的意義。

瞬變電磁法(TEM)是應用于地球物理方面的時間域電磁法，具有簡單易行、不受一次場干擾等優點，所以該方法的成像解釋研究得到了重視。目前，國內外基于TEM的成像技術包括基于薄板模型的S-反演成像、擬波動方程偏移成像和瞬變電磁視電阻率成像等。

視電阻率成像是以地下介質的導電性不同為物性基礎，根據電位差進行數據的反演，實現地下目標體的成像。鑒于埋地管道腐蝕成像的重要性以及視電阻率成像的優異性，筆者嘗試將視電阻率成像技術應用于埋地管道腐蝕度的檢測中，希望通過高精度的視電阻率成像給出管道的腐蝕部位，為地下管道的防腐及更換提供科學依據。

1 視電阻率成像算法

在瞬變電磁系統中，當發送電流忽然斷開時，導電地層中產生感應渦流，該感應電流在接收線圈中又會產生一個隨時間衰減的感應電壓，我們可以直接對這個感應電壓進行測量，將瞬變感應電壓換算成視電阻率、視深度等參數對目標體進行成像。視電阻率成像的關鍵就是精確求取全區視電阻率，全區視電阻率能形象的表達地下電性結構，不會像早、晚期視電阻率出現中期無定義或者多解的現象，由電阻率計算出反演深度，這樣就能反映目標體的形態和位置。

1.1 數據預處理

瞬變電磁法在數據采集時，會出現負數或超大值等數據產生畸變的情況，其原因包括:電極接地條件不良、地下目標體周圍的環境或觀測值中包含背景場的存在等，這些都會導致后期反演計算無法正常進行，產生較大的誤差，所以必須對采集到的數據進行預處理，理論上最佳解決辦法是采用剔除畸變點[1]，保留有用信息。

1.2 全區視電阻率的計算

瞬變電磁儀從接收線圈接收到的信號是感應電壓V(t)值，但經過儀器處理后的輸出為發送脈沖電流幅值歸一化的參數，輸出的讀數為V(t)/I，單位為uV/A，在后續的成像處理中，一般都要換算成磁場瞬變值。

在電阻率為ρ和磁導率為μ的均勻半空間中，假設是在理想場源的激勵下，中心回線裝置下的瞬變感應式[2]為:

(1)

其中:I為發射電流;S為發射框的面積;μ=4π×10-7H/m為磁導率;t為瞬變電磁場的延遲時間;Z為歸一化阻抗;erf(Z)為誤差函數;

將瞬變感應電動勢歸一化后得到我們稱之為歸一化感應電動勢:

(2)

對于非均勻空間中采集到的瞬變磁場值，經過歸一化處理計算得到的歸一化感應電動勢Y值有可能大于Ymax(即相當于觀測到二次場大于一次場)，這時候核函數將出現無解的情況。

為解決核函數無解和多解的問題，基于歸一化感應電動勢，引入了一個校正系數α[3]，α=Ymax/0.70158，轉換之后的歸一化感應電動勢最大值為0.70158，這樣求解歸一化感應電動勢時，不會存在無解的情況，避免了脫節的現象從而連成一條完成的視電阻率曲線。

根據歸一化阻抗Z的公式，可得視電阻率公式:

(3)

這樣，我們可以用(3)式以及誤差函數erf(Z)進行擬合迭代，求出全區視電阻率。

1.3 反演深度的計算

在電法資料的定量解釋中，基本的解釋方法是最優化算法，而目前應用的最為廣泛的成像理論即煙圈反演理論。根據Nabighian的理論推導，在中心回線裝置下，某一時刻“煙圈”的垂向深度[4]可以表示為:

(4)

式中:ρ為均勻半空間的電阻率;

t為采樣時間;

μ0為真空磁導率;以上采用實用單位。

通過(4)式可計算出在某一時刻垂直方向的深度，該深度為某時刻圓環電流的垂向深度，然而我們在實際資料解釋中，需要的深度是反演深度，某時刻視電阻率對應的反演深度為:

(5)

式中:0.441為經驗系數。

1.4 成像算法的過程

對原始資料編輯預處理;求取瞬變電磁場對時間的導數值;不斷迭代求解各個樁點對應每個測道的全區視電阻率;根據煙圈理論求取反演深度;繪制視電阻率ρ為深度h色譜圖。

2 模型計算及效果分析

本試驗采用專用鋼質管道進行試驗研究，長度為6m，通過在鋼管上車削管壁使之變薄來模擬實際產生的腐蝕缺陷，模擬缺陷在鋼管上的示意圖和缺陷的位置及尺寸見圖1，圖中尺寸單位均為mm。

試驗儀器采用WTEM-1QⅡ/GPS雙道淺部瞬變電磁檢測系統，工作裝置采用中心回線裝置，發射線圈0.8m×0.8m(10匝)，接收線圈0.4m×0.4m(20匝)，發射頻率16Hz，供電電流0.76A，埋深0.8M，我們將整根鋼管設定為40個測點。

根據計算得到的視電阻率和反演深度，得到如下的管道成像圖，如圖2，其中，橫坐標表示管道的長度，縱坐標表示管道的埋深，藍色—黃色—紅色的過渡表示視電阻率值從低—中—高的變化，圖中的顏色代表的電阻率數值可參照右邊的顏色條。該圖中，因為管道有腐蝕，腐蝕處充滿空氣，因此視電阻率會變大，從管道2000mm～4000mm為止，電阻率發生變化，與模型相對應，另外在管道4300mm處也有缺陷，由于線圈所測感應電壓是一段區域，并非某一個測點，所以4300mm～4450mm處的缺陷不明顯，缺陷埋深在0.85M左右，這與給定模型相符合。

3 結語

瞬變電磁視電阻率成像法速度快，分辨率高，本文將其應用到埋地管道腐蝕度的檢測中，結果表明。

(1)由于地下管體與周圍土層存在電性差異，當管道因為腐蝕而含有其他物質時，視電阻率有明顯變化，應用全區視電阻率成像得到的結果比較準確，易于解釋。

(2)在過去的資料解釋中，一般以測道或延遲時間為縱坐標，這種方式沒有深度概念，解釋難度大，而且推斷不準，通過時深轉換得到的成像圖易于分析解釋。

參考文獻

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