超高压燃气管道探测技术探讨

曹震峰

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州510060)

一、引 言

城市地下管线在每个现代城市都扮演着极其重要的角色，是城市赖以生存和发展的基础设施。管线竣工测量系指城市规划部门对批准新建(扩建或改建)的各类市政管线在施工过程中，由测绘单位根据管线规划设计、审批的相关要求及规划条件进行管线工程的相关测量活动。竣工验收测量的成果数据将作为地下管线的不动产登记的主要依据，同时也是管线工程规划验收和管线信息动态管理的基础。

超高压燃气管道(一般指压力＞4 MPa)是城市能源供给的大动脉，它与城市的工业生产、交通运输和人民生活息息相关，直接关系到城市安全及社会稳定，也是城市重要地下管线管理对象之一。

该管道竣工测量另一个的特点是管线铺设多采取分段施工，工期较长，施工受征地、拆迁和开挖等因素影响较大，覆土前不易跟踪测量，不少管段还采用非开挖穿越方式铺设等。这些因素增加了超高压燃气管道探测的难度，也对竣工测量提出了新的技术要求。

二、探测方法技术及措施

1．电磁法探测

高压燃气管道的材质一般为钢，具有良好的导电性，管道外壁均有绝缘的外防腐层保护，与周围土壤等介质有明显的物性差异，也为使用电磁法的管线仪探测管线位置及埋深提供了良好的物理前提。所以，电磁法探测仍然是该管道竣工测量的主要方法。

从地下管线的探测方法原理上讲，当忽略地介质和空气的变化影响时，若导线直径远小于埋深，则管道可视为均匀介质中的一条无限长直导线。当将交变电流I0e－iωt加载到管道上时，根据毕奥-萨伐尔定律，其总电磁场强度和分布规律符合下面公式

式中，H为磁场感应强度;I0为导线中的电流幅值;r为距离导线中心的垂直距离。

磁场的水平分量Hx和垂直分量Hz分别为

式中，h为导线的埋深;x为观测点到导线在地面投影的垂直距离。

通常情况下以观测Hx或ΔHx(峰值法)进行管线的探测定位，ΔHx、ΔHz曲线形态见图1。

图1 管道的电磁场异常ΔHx、ΔHz曲线图

在低频电磁法的工作频率范围内，电磁场的衰减系数b可用公式描述

式中，ω为工作频率;μ为磁导率;δ为电导率。

由此可见，电磁场的衰减，在其周围介质的磁导率、电导率一定时，其衰减系数与频率的平方根成正比。也就是说，管线仪的工作频率越高，电磁场的衰减就越快，传播距离越短，反之则衰减慢，传播距离较远。

2．探测方式及参数的选择

有两种方式向管道施加信号，一种是通过电导体连接直接把信号施加在管道上(直连法)，即发射机将信号电流直接加载在管道上而产生一个电磁场(一次场)信号，通过接收机探测一次场的分布来确定管道的位置和埋深。该方法的优点是信噪比高、不易受临近管线干扰，探测结果比较准确;局限是探测时需要有检测桩或管道裸露点来施加信号。

另一种是通过发射机产生一个交流电磁场，以感应的方式在管道上产生交变电流，感应电流会再以管道为中心形成另一个电磁场(二次场)。通过接收机探测二次场的异常分布来确定管道的空间位置(感应法)。它优点是使用简便、无需有管道的裸露点，缺点是感应信号相对弱、易受干扰，特别是当管道附近有其他浅表金属管线时，易被干扰而造成探测结果不准确。

管线的定位方式有峰值法和谷值法两种，工作中一般采用峰值法定位和测深。

管线探测工作模式建议以直连法为主，感应法为辅。首先，利用高压燃气管道的阴极保护(或牺牲阳极)检测桩，采用直连法探测;在受现场条件限制无法用直连法探测的区域，再采用感应法探测。但放置发射机宜避开或垂直非目标管线，以减少非目标管线的影响。

埋深宜在相对直线段进行，采用70%法正、反向测定，当其互差符合规定时，取两次测定的平均值为管线中心埋深。

对于工作参数的选择，从上述公式可以看出，管道在地面产生的磁场强度(H)大小与流经管道的信号电流强度(I0)成正比，与该点距离管道的距离(r)成反比，影响探测信号强度的主要因素就是信号电流大小和探测点到管道的距离。当探测方法确定之后，管道中信号电流强度大小的主要取决管道和大地之间构成的回路电阻了，若回路电阻越大则信号越弱，反之就越强;而工作频率的高低则主要影响管线信号的衰减速度和传播距离。所以，探测效果与回路电阻、工作频率、接地方式之间密切相关，选择恰当的探测方式和工作参数组合可增加信噪比，提高探测精度，减少错误。

根据上面的公式(4)可知，使用低频探测，可有效降低围岩和导电覆盖层的影响，突出地下管线的异常，信号衰减得较慢，可将信号传播更远，保证电磁波信号具有足够强度，有利于追踪长距离或深埋管线。在外界无强电磁场干扰的地区，宜使用低于8 Kz的工作频率。具体频率，可通过试验确定。在广州及珠三角地区，对于管线仪而言，直连法一般采用640 Hz会有较好的探测效果。

当使用感应法探测管道时，工作频率可选择8 Kz或33 Kz。过高的频率会加速电磁场的衰减，不但缩短单次探测的有效长度，若高压管道周围有其他金属管线存在时，还容易干扰探测结果。

电磁场信号强度与电流I成正比，在埋深、接地电阻一定的情况下，加大发射功率能增大电流。由于高压管道的探测距离较远，应将施加的信号的功率保持在可满足探测信号需要的最低水平。采取直连法时，调节输出功率到能观察到管线的清晰信号为准，必要时增大供电电流(一般至少要100 mA以上)，以提高信噪比，保证探测效果。

当使用感应法探测管道时，输出功率根据需要在50%～100%之间调节。

3．电磁法的其他技术措施

(1)接线端与接地端的处理

直连法的接地端应采用远端接地方式，尤其是对于大埋深的管道。将长导线(＞50 m为宜)沿垂直管线走向的方向与接地电极(棒)连接，为改善接地电阻可使用多电极或长接地棒。其目的是增大信号沿管道传输的距离，并使地下高压燃气管道内形成的一次电流相对较大，形成较强的管线异常。

探测时，一般选择检测桩为加载信号的接线端，而检测桩的管道端线头通常是与牺牲阳极(或阴极保护)端线头连接的，如直接将发射机的输出端夹在接线端上，会导致发射机的电流信号直接通过牺牲阳极端线头短路到地。这样会极大地减弱管道上的电流信号，同时容易将发射信号扩散到其他非目标管线上去，甚至造成非目标管线的异常反而比目标管线还要强的错误信息。

正确的做法是将接线盒端头临时分开，将发射机的输出端夹在管道端线头上。接线盒的处理需要特别注意的是工作前一定要征得权属单位的同意及配合，探测完毕后一定要恢复接线盒的连线。

(2)其他管线干扰的识别

当高压管道周围有其他金属管线存在时，将对探测结果产生较大的影响。非目标金属管线的位置和埋深不同，其影响也不一样，以下用几个实际案例分析探讨。

其一是一条中压燃气管道与超高压燃气管道平行埋设的情况。这两条管线的间距和埋深均为1 m，两条管道的材质均为钢。当发射机靠近非目标管道(中压管)放置时，其上面的感应电流要比目标管道(高压管)上的大很多，那非目标管道的二次感应电磁场信号就会掩盖目标管道的电磁场，使仪器无法找到高压管道的定位信号(异常)峰值点。这种情况下，发射机的放置就显得重要了，第一是将发射机放在目标管道一侧上，第二是选择与非目标管线垂直的目标管线走向上施加发射信号，或采用压线法来抑制非目标管线的信号。

第二个案例是其他金属管线埋深比超高压管道浅或者在其上方的情况。由于非目标管线距离地面近，感应法的电流大，产生的二次电磁场比管道强很多，就掩盖了超高压管道的二次电磁场信号，导致无法探测到目标管道的异常峰值点。对于这种情况宜采用较低频率的直连法探测方式加以区分。

在实践中还发现，不论是感应法还是直连法，当工作频率较高(65 KHz以上)时，发射机的电磁信号极易感应到邻近的其他金属管线上，造成浅表的非目标管线的电磁场信号大于目标管道的信号，而造成错误的探测结果，故仪器不宜使用太高的工作频率。

三、其他探测方法

除电磁法探测外，还有以下几种方法可以使用，但是需要有一定的使用条件限制。

1．磁梯度法

井中磁梯度探测是一种精度较高的探测方式或验证手段，它还可通过比较磁梯度和电磁法探测的结果，评价相关探测方法的有效和准确性。

该方法是基于管道材料属于强铁磁性物质，在其周围可产生较强的磁场。野外作业时，在根据电磁法探测定位出的地下管线旁侧钻孔(深度要超过管道埋深，平面距离为1～2 m)，成孔后将塑料套管下入孔中，将仪器探头放到钻孔内，从孔底部开始以0．2 m的点距往上测量各点的磁梯度值，并逐孔完成观测。根据磁梯度值的变化情况即可准确地确定地下管线的埋深和位置。该方法的局限性是在探测之前需要在管道的两侧布设可投放磁力仪探头的钻孔和塑料套管。

2．陀螺仪定位法

惯性陀螺定位仪三维定位技术是近年来出现的一项管线测量新技术。它结合了陀螺仪定向、惯性导航、计算机三维计算等技术，拖曳惯性陀螺定位仪穿行于待测管线，自动追踪记录其在管线内的运动轨迹，生成管道中心轴线的三维坐标与位置图。该方法的特点是测量时受管线材质、管线埋深、周围环境和地质影响较小，但需要将惯性陀螺定位仪的探头往返穿行于待测管道中，即可实现高精确度的管线测量。其结构如图2所示，其工作原理是陀螺仪确定系统瞬时方向，加速度计确定系统瞬时前进方向加速度值，由此可求得定位系统的瞬时加速度向量α，再将α分解到惯性坐标系X、Y、Z三轴上可得各自的加速度分量。分别积分并与X、Y、Z三方向上的初始速度Vx0、Vy0、Vz0相加即可得到定位系统的当前速度分量Vx、Vy、Vz。再将Vx、Vy、Vz进行积分计算，与初始坐标相加即可得定位系统的当前坐标位置。电子单元不断记录其运动轨迹数据，通过数据链传输至计算主机，根据起终点三维坐标数据计算管道中心的实时三维坐标。其测量精度可达到长度的0．1%。但该方法仅适合与管道铺设施工同期进行。

图2 惯性陀螺定位仪结构

四、工作流程

根据超高压燃气管道竣工测量的特点，在总结该类工程经验基础上，提出竣工验收测量工作流程如图3所示。

五、结束语

超高压燃气管道竣工测量具有其项目的特殊性，首先是管道铺设施工周期长，目标管线明显点较少，部分区域与其他管线邻近、交叉，空中电线、电缆易形成干扰电磁场等，使得管线信号不稳定，异常不明显，容易形成管线探测的疑难点，这些都是管线竣工测量需要面对的难题。对于开挖施工的管道，可在未覆土前跟踪测量，直接测出管顶坐标和高程。

该类管道的另一个特点是多处采用非开挖铺设技术，用于穿越铁路、高速公路、路口、河流、厂区、山区等。由于高压燃气管道一般在城市的外围铺设，而竣工测量的管线和地形呈带状分布，沿途一般缺少或没有测量控制点，宜优先采用GNSS测量技术，以提高工作效率和测量精度。

图3 工作流程

［1］ 周凤林，洪立波．城市地下管线探测技术手册［M］．北京:中国建设工业出版社，1998．

［2］ 区福邦．城市地下管线普查技术研究与应用［M］．南京:东南大学出版社，1998．

［3］ 曹震峰．感应式电磁法在地下管网探测中的应用［J］．中南冶金地质，1992(2):69-73．

［4］ 张汉春，莫国军．特深地下管线的电磁场特征分析及探测研究［J］．地球物理学进展，2006，21(4):1314-1322．

［5］ 任秀艳，杜晓娟，孙瑞雪，等．地面磁梯度测量在勘查地下污水管道中的应用［J］．世界地质，2014，33(3):659-665．

［6］ 任广振，罗进圣，胡伟．惯性陀螺仪定位三维测量技术在非开挖电力管线探测中的应用［J］．浙江电力，2014(7):32-36．