穿越管道電磁法探測埋深精度制約因素及改進策略的應用

張 鑫 馬文甲 薄克明 彭記寺 金兆波

（1. 國家管網集團廣東運維中心（廣東省網公司） 廣東 深圳 510710；2. 大慶市匯通建筑安裝工程有限公司，黑龍江 大慶 163311）

0 引言

穿越管段往往都是超長（＞300m）和超深（＞9m）的管線。雖然物探技術在工程勘察方面取得到了極大的進步，但非常規開挖的超長超深管線的精確定位和測深依然是難題，值得進一步研究。

1 電磁法探測技術理論基礎

電磁法是目前探測地下管線最有效、最靈活，也是最經濟的物探手段。電磁法探測埋地管線主要基于經典麥克斯韋電磁場理論和電磁感應原理，以地下金屬管線與其周圍介質的導電性、導磁性的差異為主要基礎，對電磁場空間分布特點進行研究和總結，根據探測儀器的信號響應來實現地下金屬管線的定位和埋深測量。

實現高精度管線探測，一般均需通過信號供入裝置，將交流電流信號施加到待檢測的管線上，從信號供入方式上可分為兩種方法：

（1）感應法：發射線圈供交變電流，在其周圍形成一次交變磁場，管線收到交變磁場的激勵作用產生交變電流，進而在管線周圍形成二次交變磁場。接收裝置在一定距離內接收二次磁場信號并分析其分布特征，從而達到尋找探測定位地下金屬管線的目的（如圖1所示）；

（2）直連法：將諧變電流I0e-iωt通過地下金屬管線的裸露處對其充電，一次場分布曲線如圖1所示。待測管線模擬為無限長水平長圓柱體，根據《場論》知識，可以計算出空間任一點p的總磁場強度H：

圖1 水平長圓柱體磁場異常曲線圖

從圖1可見，Hx、Hz曲線特征與管線位置的關系為：

（1）在x=0處，即管線正上方Hx=Hxmax；Hz= 0；

（2）在x =±h 處，Hx=1/2Hxmax，|Hzmax|= 1/2Hxmax；

Hz正負極值點間的距離為2倍的管線中心埋深。

（3）在x→∞時，Hx及Hz曲線均趨于零。

由上述可知：

（1）在無嚴重干擾場存在時，無論采用直連法還是感應法，均可根據Hx、Hz變化特征判斷地下金屬管線的存在；

（2）根據一次或二次交變磁場強度的極值點，確定地下管線的中心點在地面的投影點位；

（3）采用感應法技術時，應注意對背景場的分析，必要時應對背景場進行改正。

根據實踐效果對電磁法測深理論進行驗證，可總結電磁法對常規埋地鋼質管道定位及測深的應用效果十分理想。但對于超深管線（埋深＞6m）的定位及探深，傳統電磁法受管道埋深、傳感器靈敏度及管線敷設環境等不利因素限制，應用效果并不理想。

2 提升超深管線探測精度的技術路徑

2.1 發射端創新采用衛星同步法增加檢測信號強度

發射裝置通過接收GPS秒脈沖信號實現輸出探測信號在時序上嚴格同步，使兩臺發射機給管道施加的檢測電流能夠實現同步疊加，達到管道上的檢測電流在傳輸過程中相互補強，從而增加探測信號的強度，實現對超埋深、長跨度穿越管線的有效定位和埋深測量。

同步模式可以選擇在檢測段的同一位置或兩端施加檢測信號且不局限于兩臺發射機，可多臺發射機同時為檢測段待測管線加載信號。

圖2 雙側衛星同步模式加載信號示意圖

2.2 接收端采用高靈敏度傳感器提升信號采集精度

圖3 磁芯線圈與空芯線圈對比圖（右為空心線圈）

超深管線定位系統接收機采用高精度空芯線圈，可有效避免磁芯線圈的弊端，通過信號調理和數字濾波等技術，大幅度提升超埋深管線上弱小信號的檢測識別和抗干擾能力。

在檢測信號良好的前提下，超深管線的探測深度達到40m，1～10m的測深精度優于2%，10～20m的測量精度達到5%，20～40m的測量精度優于10%。

3 現場實際應用效果

研發團隊與西氣東輸廣東管理處共同對四處不同位置及埋深管道進行應用與試驗，通過試驗達到了驗證超深管道檢測系統的目的，為解決超深管段檢測困難的問題提供了新的解決方法。

表1為現場試驗管段信息。

表1 項目應用與示范對象情況表

為了達到試驗目的，本次試驗所選取的現場管線敷設環境各不相同，管線敷設埋深也在6～20m之間不等。其中佛山市龍翔大橋物探大鵬燃氣管線為定向鉆穿越管段，埋設位置其他干擾較少，管線埋深最深位置約15m；東莞市石碣北王公路大王洲段LNG定向鉆管線屬于市區內管線，管線周圍并行管線、高壓輸電線等其他金屬結構較多，探測位置埋深超過10m；西氣東輸管線30650環焊縫點位管線敷設位置環境單一，地下水位較高，可驗證系統在不同電阻率的敷設位置定位及測深的精度。

表2 佛山市龍翔大橋物探大鵬燃氣勘測點位超深管道試驗

表3 東莞市石碣LNG定向鉆管線定位物探勘測點位超深管道試驗

表4 西氣東輸管線30650環焊縫點位超深管道試驗

經過與磁梯度測量方法測試結果比對，超深管線測繪系統UPL在大鵬燃氣勘測點10m范圍內埋深測量誤差可保證在4%～4.5%范圍內，在埋深15m的測試點埋深測量誤差在7.1%～9.2%之間，此測試點一側為佛山燃氣伴行管線，導致測量誤差偏大。經過試驗表明，電測法測量管線時，管線并行間距應超過二分之一埋深，此時電磁法測量可保證測量 精度。

經過與磁梯度測量方法測試結果比對，超深管線測繪系統UPL東莞市石碣LNG定向鉆管線定位物探勘測點位的埋深測量誤差可保證在0.7%～4.35%之間。該位置管段位于城區，電磁干擾較多，測試結果表明，在保證信噪比的情況下，超深管線定位系統可較好的完成定位和測深工作。

西氣東輸管線開挖復拍施工30650環焊縫點位已知埋深為6.5m，超深管線定位系統測量結果為7.2m，測量結果偏深，此測量點地下水位較高，該位置土壤電阻率偏低，介質磁導率與常規管道埋設情況存在差異，導致測量結果偏深，證明超深管線定位系統在埋深測量過程中應充分考慮磁導率對測量結果的影響，以保證測量精度，同時此管段未達到超埋深情況，通過試驗對比管線埋深在9～15m是測量精度更高。該發現為系統的后期提升提供了寶貴的基礎數據，指明了該技術在超深管線探測過程中的發展方向。

4 展望

研發團隊應用先進的電磁探測技術和衛星同步技術，通過對埋地管道定位和測深技術的改造及升級，研發出能夠適應當前國內超深埋地管道的專業檢測系統。該系統能夠對埋設深度30m范圍內的管道實現高精度定位及深度測量，為管道的日常維護及第三方施工提供了有效的基礎數據，填補了國內對超深管線探測的技術空白。

超深管線定位系統通過試驗，驗證了該套系統應用的可行性及實用性。檢測所獲得的數據及分析結果，為管道管理方提供了明確的基礎信息。管道基礎數據準確性是后期施工及維護的基礎。越來越先進的技術將被應用到管道檢測技術中，管道的安全運營得以保證，也將更好奉獻能源服務民生。