地下金屬管道定位測量及鋪設(shè)過程監(jiān)測測量

林祖源

（惠州市惠陽區(qū)城市測量隊，廣東 惠州 516000）

大多數(shù)地下金屬管道的鋪設(shè)環(huán)境都比較惡劣，地理環(huán)境并不單一，樓區(qū)和村落是地下金屬管道較為常見的鋪設(shè)地點(diǎn)，地理環(huán)境就決定了管道鋪設(shè)的難易程度，相較于在空曠的地帶埋設(shè)金屬管道，受到地理條件的限制，對管道折點(diǎn)的埋設(shè)就難上加難[1]。并且大部分的金屬管道相較于聚合材料的管道，更容易受到損害，一旦發(fā)生破裂斷裂的情況，管道破裂輕則導(dǎo)致財產(chǎn)受損，重則導(dǎo)致人員傷亡[2]。而管道的防腐層只涂在管道外側(cè)，在鋪設(shè)過程中，外側(cè)的地下金屬管道容易受到劃損和破壞，就會產(chǎn)生相當(dāng)一部分雜散電流，由于電流的產(chǎn)生造成化學(xué)反應(yīng)加劇，對地下金屬管道的腐蝕效果會翻倍，從而導(dǎo)致地下管道穿孔破損。因此，對地下金屬管道的分布情況進(jìn)行把控很有必要。從前對管道分布的定位，通常需要借助竣工圖紙進(jìn)行確定，包括詢問當(dāng)時施工的相關(guān)人員，但人的大致記憶并不足以對金屬管道精準(zhǔn)定位。由于地下管道鋪設(shè)后，在后續(xù)過程中難以進(jìn)行挖掘監(jiān)測，并且施工現(xiàn)場開挖工作量都不小，所以對地下金屬管道進(jìn)行定位和測量就十分重要，在鋪設(shè)的初始階段，就對管道位置進(jìn)行把控，對后續(xù)地下金屬管道的維護(hù)和檢修都有好處，能夠幫助工作人員進(jìn)行故障點(diǎn)鎖定，省去對金屬管道定位的麻煩[3]。

1 地下金屬管道定位測量

1.1 檢測地下金屬管道的走向

首先將測量區(qū)域的地下金屬管道走向進(jìn)行劃分，對每組的金屬管道分別配置4個傳感器，通過運(yùn)動方程對液體、固體邊界條件進(jìn)行確定，根據(jù)震動理論對涉及結(jié)構(gòu)中的聲波進(jìn)行測量，理解固體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化，并對振動發(fā)生土壤位移進(jìn)行監(jiān)測，從而進(jìn)行推導(dǎo)金屬管道的走向，描繪地下金屬管道柱坐標(biāo)系下的管道，如圖1所示。

圖1 坐標(biāo)系下的金屬管道

設(shè)金屬管道殼體的向性相同且管道內(nèi)部為均勻厚度。金屬管道的軸向為X，金屬管道徑向為r，金屬管道軸向為α，測量金屬管道殼中面到中心軸的位移，設(shè)b為管道的半徑，h為金屬管道的壁厚度，計算管道的徑厚比，得到h/b＜1。對金屬管道管壁的軸向位移u進(jìn)行測量，設(shè)管道的周向位移為v，管道向下的徑向位移分別為w。通過建立簡單的管道模型，根據(jù)公式：

對比空心管道與剛性壁圓柱管的波數(shù)分析結(jié)果，根據(jù)分析記過對彈性管波充液數(shù)μ進(jìn)行計算，分析金屬管道的震動對稱波形，疊加每個模態(tài)的管道向量，分別測量低頻與高頻時的模態(tài)變量數(shù)據(jù)，根據(jù)管內(nèi)流體的禍合效應(yīng)對泊松比系數(shù)進(jìn)行分析。對金屬管道內(nèi)頻率較強(qiáng)的禍合效應(yīng)進(jìn)行記錄，當(dāng)徑向震動系數(shù)增加時，對截至頻率測量。測量相速度的具體數(shù)據(jù)，根據(jù)殼體承載能力的大小，對兩者之間的模態(tài)競合進(jìn)行比較。大部分殼體的承載能力受到徑向運(yùn)動的影響，從而呈現(xiàn)出金屬管壁的剛性正向上升，也使得徑向震動能夠達(dá)到預(yù)期的幅度要求。

1.2 檢測地下金屬管道的埋深

對地下金屬管道的埋深進(jìn)行測量，測量得到數(shù)據(jù)等同于管道中心軸線到地表面的位移，對管道沖液的情況進(jìn)行分析。當(dāng)?shù)叵陆饘俟艿缆裆?米時，對周圍土壤軸向位移放大系數(shù)幅值和相位進(jìn)行測量，將土壤徑向位移系數(shù)進(jìn)行放大，得到第二幅值和相位圖。其中地下金屬管道的土壤軸向和徑向位移達(dá)到的波動不符合部分要求，兩者重合的幅度值與剪切波想死，且在高頻段幅度值的壓縮下頻段呈現(xiàn)出減小趨勢。對于部分相位跳變的局部位移情況，通過彈性波的正向發(fā)展距離，可以進(jìn)行位移干涉現(xiàn)象的解釋。通過對對稱流體波速的測量，得到具體波速數(shù)據(jù)為512m/s。根據(jù)聲波反射原理對剪切波波速進(jìn)行測量，測得剪切波為298m/s。根據(jù)折射定律對壓縮波波速進(jìn)行測量，測得結(jié)果為1477m/s。由此可見，在全反射的作用下，壓縮波難以對土壤中的物質(zhì)產(chǎn)生輻射效果，恰恰相反，由于軸對稱流體作用，波速較小的剪切波可以對土壤中的目標(biāo)物質(zhì)產(chǎn)生輻射效果。根據(jù)測量的土壤位移距離，整理得到公式：

其中D為地下管道埋深，P為管道表面積，mc為地下金屬管道半徑，kd為地下金屬管道測量點(diǎn)右側(cè)縱坐標(biāo)，kd+1為地下金屬管道測量點(diǎn)左側(cè)縱坐標(biāo)，H0為地下管道測量點(diǎn)輻射系數(shù)，h為地下位移阻抗系數(shù)，根據(jù)土壤位移計算地下金屬管道的埋深，根據(jù)埋深的具體數(shù)據(jù)，進(jìn)一步確定測量地下金屬管道設(shè)備的設(shè)置位置，進(jìn)行地下金屬管道橫縱坐標(biāo)的測量。

1.3 測量地下金屬管道定點(diǎn)坐標(biāo)

通過對地下金屬管道的埋深確定，在測量地下金屬管道定點(diǎn)坐標(biāo)時，通過運(yùn)用地下測量設(shè)備，判斷金屬管道的相應(yīng)位置。將電能的發(fā)電機(jī)連接發(fā)射機(jī)的輸入端，對發(fā)射機(jī)輸出端的供入點(diǎn)進(jìn)行信號測試，確保端點(diǎn)之間的連接無誤，供入點(diǎn)的另一端與地級相連，構(gòu)成完整的一套信號接收發(fā)射體系，通過對管道發(fā)射器的信號進(jìn)行輸送，避免金屬管道上存在的電流信號不足，確保信號的接收。確定金屬管道埋深的地極位置后，在埋深方向20m～40m左右的位置定點(diǎn)，保證目標(biāo)管線原理極點(diǎn)。對管線涂層的絕緣情況進(jìn)行檢查，保證管道能夠正常使用，確保管道周圍沒有其他金屬構(gòu)筑物。同時，針對電流回路的電阻范圍進(jìn)行衡量，測量電路中電阻的具體數(shù)值，根據(jù)數(shù)值進(jìn)行計算，可以得到地下金屬管道定點(diǎn)坐標(biāo)的具體位置。

2 地下金屬管道鋪設(shè)過程監(jiān)測測量

2.1 監(jiān)測管道中心放線區(qū)域

對地下金屬管道進(jìn)行鋪設(shè)時，首先要考察地下金屬管道埋置的土壤環(huán)境，土壤環(huán)境的判斷決定了監(jiān)測管道的中心放線區(qū)域監(jiān)測結(jié)果，常見的典型參數(shù)如表1所示。

表1 常見管道周圍土壤的性質(zhì)

根據(jù)表中數(shù)據(jù)分析可知，埋設(shè)地下金屬管道周圍沙土和黏土的含量，并對其他化學(xué)元素的含量做出要求，以此判斷地下金屬管道鋪設(shè)中心放線的監(jiān)測區(qū)域。

由于在鋪設(shè)管道是，中心放線區(qū)域較小，在滿足土壤性質(zhì)范圍內(nèi)，對放線區(qū)域的土壤進(jìn)行監(jiān)測，在適合埋設(shè)地下金屬管道的位置，通過對土壤位移頻率的測量，利用土壤固體波的復(fù)波數(shù)進(jìn)行頻響函數(shù)的計算，對二者的結(jié)果進(jìn)行對比統(tǒng)計，對放線的位置進(jìn)行判斷。大部分管道運(yùn)動的禍合效應(yīng)都與管壁相關(guān)，對于管壁的位移距離進(jìn)行測量，得到金屬管道內(nèi)聲壓的具體數(shù)值。

2.2 監(jiān)測地下金屬管道布管作業(yè)過程

通過判斷出鋪設(shè)地下金屬管道中心放線的區(qū)域，進(jìn)一步對該區(qū)域內(nèi)地下金屬管道布管的作業(yè)過程進(jìn)行監(jiān)測，首先，在地下金屬管道布管鋪設(shè)過程中，對于管道的前后連接，要求管道前后首尾相接，對于呈現(xiàn)出鋸齒狀分布的管道進(jìn)行剔除，監(jiān)測鋪設(shè)過程主要是監(jiān)測在進(jìn)行布管作業(yè)時，避免地下金屬管道直接接觸到土壤中的石礫，造成鋪設(shè)時管道受損，管道外壁有保護(hù)涂層，也是避免土壤位移造成涂層刮破，從而在水土酸堿的作用下，導(dǎo)致管道破損。其次，對地下金屬管道鋪設(shè)的進(jìn)度進(jìn)行監(jiān)測，保證地下管道組裝焊接的速度，由于地下金屬管道對施工環(huán)境的要求很高，天氣氣溫的變化都有可能導(dǎo)致鋪設(shè)管道受損，因此要對地下金屬管道鋪設(shè)過程進(jìn)行監(jiān)測測量。

3 結(jié)語

本文研究提出了新的地下金屬管道定位測量思路，簡化了監(jiān)測地下金屬管道鋪設(shè)的步驟，驗證了土壤位移與地下金屬管道埋深的關(guān)系，為實現(xiàn)管道的泄漏檢測提供了良好的研究基礎(chǔ)。

未來研究應(yīng)當(dāng)從充液管道的自由振動入手，對禍合震動的頻率進(jìn)行分析，確定埋地充液管道系統(tǒng)的運(yùn)作過程，推導(dǎo)出埋管周圍的流體波速和傳播距離，完成建立地下金屬管道監(jiān)測體系。