電磁感應法在埋地非金屬管道探測中的應用

高顯澤 劉 亮 馮 騁 李 寄

(中國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,保障市政基礎設施正常運轉。非金屬管由于抗污染能力強、成本低、重量輕、耐腐蝕、方便施工,在管材選用中優勢明顯。目前,塑料管、陶瓷管與混凝土管等非金屬管材已廣泛應用[1]。但埋地管線交叉并行、分布雜亂的現象日趨嚴重。第三方施工因對管線資料掌握不準確而導致管道泄露所引起的火災、爆炸、環境污染等事故頻發[2]。因此,加強埋地管線探測工作有利于管道的完整性管理工作。

由于非金屬管既不導電也不具有磁性,常規的金屬管線探測器不能用于定位非金屬管道。快速獲取精密、可靠的非金屬管道的屬性數據已成為探測工作的重點

[3]。文章系統介紹了電磁感應法在非金屬管道定位探測中的應用。分析了電磁感應法在埋地非金屬管道探測中的技術原理及其平面定位與深度定位的方法。重點介紹了電磁示蹤線法和示蹤探頭法的技術特點,并針對各自技術的優缺點歸納了相關的改進措施。最后,對電磁感應法在埋地非金屬管道探測中的未來發展前景進行了展望。

1 電磁感應法探測原理

電磁感應法以電磁感應原理為理論基礎,利用接收機接收導線或探頭發出的電磁感應信號,分析感應磁場的空間、時間變化規律,進而確定管道的位置和埋深[4]。根據信號傳輸介質的不同,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°法和特征點法[5]。

1.1 平面定位方法

1.1.1 極大值法

探頭通過測量管線正上方形成磁場的水平分量極大值,以確定目標管線的平面投影位置,見圖1a。

1.1.2 極小值法

探頭通過測量埋地管線正上方形成磁場的垂直分量極小值,以確定目標管線的平面位置,見圖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

直讀法要求接收機位于管線上方,利用其內部上、下兩個垂直線圈分別測定管線產生的磁場水平分量梯度,根據公式求解管線埋深,可直接讀取深度值。直讀法操作簡單快捷,測量準確度較高。

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,調整接收機角度使之與地面成45°,隨后沿垂直管線走向的一側移動,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,見圖2。

圖2 45°測深法定深原理

1.2.3 特征點法

特征點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,測得感應磁場曲線峰值兩側某一百分比值處兩點之間的距離,進而確定管線埋深。常見的特征點法有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法因其探測精度高、抗干擾能力強,應用較為廣泛。

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

根據發射機對示蹤線施加信號方法的不同,電磁示蹤線法可分為直連法和感應法[6]。

2.1 直連法

發射機直接向示蹤線施加電流,管道的位置和埋深由探測器接收到的磁場信號確定,見圖4。直連法可以調節發射電流強度,抗干擾能力強,易區分相鄰管線。但直連法要求示蹤線必須有外露點以便與發射機連接。該方法適用于探測具有完整示蹤線的埋地非金屬管道。

圖4 直連法探測管道示意圖

2.2 感應法

感應法探測時,發射機宜設置在目標示蹤線附近的地面,確保土壤與示蹤線形成閉合的回路。探測時,發射機發射一次感應磁場,示蹤線產生感應電流,同時形成二次感應磁場。發射機沿示蹤線方向移動,接收機通過探測二次感應磁場的中心位置,確定示蹤線的位置與埋深,見圖5。

圖5 感應法探測管道示意圖

感應法操作簡單,無需示蹤線具有引出地面的裸露端點。但干擾信號多,感應信號強度弱。

2.3 電磁示蹤線法的局限性及改進方式

示蹤線產生磁場強度與材料的選用有關,與流經示蹤線的電流強度正相關,與示蹤線和接收機的距離負相關,且與示蹤線和土壤之間形成的回路電阻負相關。此外,在第三方施工或發生地質災害時,示蹤線很容易應強度不夠而被破壞,探測工作將無法進行。為解決上述問題,改進方法如下。

2.3.1 提高示蹤線的可靠性

示蹤線強度低,往往會受到拉應力而被拉斷。有研究設計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,中間層為高導電的銅絲,最內層為高抗拉強度的鋼絲,提高了示蹤線的抗拉強度,并解決了示蹤線抗老化性能差、接頭易滲水等問題[7]。

2.3.2 降低示蹤線與土壤間的回路電阻

回路電阻越大,感應信號越弱。主要從示蹤線的敷設位置和埋設條件進行改進。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

張漢春等通過分析從1m 到21m 埋深情況下感應電磁場的異常分布特征確定了深埋管線探測存在的干擾因素,提出了頻率、電流、遠端接地等提高感應信號信噪比的技術方案,并結合廣州市特深管線的成功探測實例驗證了該方案的良好效果[9]。

3 示蹤探頭法

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

如圖6(a)所示,接收機手持方向垂直于管道軸向并沿著管道軸向移動,在經過探頭時接收機儀表會顯示出具有三個響應峰值的曲線,其中主峰值點即為示蹤探頭縱向峰值點。然后以縱向峰值點為中心沿垂直于管道軸線的方向移動,圖6(b)中所示的橫向峰值點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存在的弊端,不易受外部管線與周邊介質的干擾,并能準確提供的目標管線的三維空間信息。黃鵬飛等通過里奇SR-20微型示蹤探頭結合慣性陀螺儀定位技術實現了對多個非開挖管線精確探測[11]。

但示蹤探頭的尺寸和轉向能力都對非金屬管道的探測有影響。因此,有研究從以下幾方面進行了改進：

(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,常用的穿線器均可通過螺紋連接探頭,可送入所有的預留管道。經測試該探頭的探測深度可達15 米[12]。

(2)提高探頭的移動性。祖立元等通過增設示蹤探頭的導向組件與轉向組件以解決其難以通過管線直角彎的問題。導向組件包括利于轉過直角彎的圓柱形發射頭,發射頭通過滾輪與前端的導向頭連接且滾輪的半徑大于發射頭的半徑,利于示蹤探頭通過管線的直角彎[13]。

(3)提高傾斜示蹤探頭的探測精度。韋乙杰等人通過對磁偶極子的理論公式進行推導,發現示蹤探頭的傾角顯著影響磁場水平分量雙峰值比值。管線在地表投影的修正量可通過擬合后的傾角進行推導求解。經過管線探測實例驗證,該方法提高了示蹤探頭探測的水平定位精度[10]。

4 對未來研究的展望

隨著現代城市的快速發展,對埋地非金屬管道進行精確定位尤為重要。但各種電磁感應法在探測埋地非金屬管道時均存在局限性。因此,該技術亟須創新升級改造,文章認為發展趨勢如下：

4.1 增強抗干擾能力。在地下管線分布雜亂、干擾信號強的情況下均能順利探測,提高信噪比及測量精度。

4.2 增強適用性。探測儀應滿足對各種常見管材、管徑和埋深的管線探測要求,且能夠適用于各種復雜的地理條件。

4.3 豐富探測設備功能性。發展低成本、小型化、易操作、便攜化的探測設備的同時可考慮豐富探測設備的功能性。如探頭本體內增設超聲探頭,示蹤探頭定位的同事可利用超聲探頭獲取超聲影像,以確認定位探頭是否到達管道病變位置,從而提升定位的精確性。

4.4 提高自動化程度。采用人工智能技術,降低主觀判斷在測量中的比重,提高探測工作效率與結果的客觀程度。此外,探測結果可通過數字化將管道的三維信息實時立體顯示,利于運營商全面、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。便于運營商對管線數據的管理,利于管線遠程控制和統計分析。形成管道實時檢測系統,有助于提高探測精度。利用管道的完整性管理系統,對可能的危害因素進行識別、劃分風險等級與故障預警等。