电磁感应法在埋地非金属管道探测中的应用

高显泽 刘 亮 冯 骋 李 寄

(中国石油天然气管道工程有限公司,河北 廊坊 065000)

埋地管道是城市的生命线,保障市政基础设施正常运转。非金属管由于抗污染能力强、成本低、重量轻、耐腐蚀、方便施工,在管材选用中优势明显。目前,塑料管、陶瓷管与混凝土管等非金属管材已广泛应用[1]。但埋地管线交叉并行、分布杂乱的现象日趋严重。第三方施工因对管线资料掌握不准确而导致管道泄露所引起的火灾、爆炸、环境污染等事故频发[2]。因此,加强埋地管线探测工作有利于管道的完整性管理工作。

由于非金属管既不导电也不具有磁性,常规的金属管线探测器不能用于定位非金属管道。快速获取精密、可靠的非金属管道的属性数据已成为探测工作的重点

[3]。文章系统介绍了电磁感应法在非金属管道定位探测中的应用。分析了电磁感应法在埋地非金属管道探测中的技术原理及其平面定位与深度定位的方法。重点介绍了电磁示踪线法和示踪探头法的技术特点,并针对各自技术的优缺点归纳了相关的改进措施。最后,对电磁感应法在埋地非金属管道探测中的未来发展前景进行了展望。

1 电磁感应法探测原理

电磁感应法以电磁感应原理为理论基础,利用接收机接收导线或探头发出的电磁感应信号,分析感应磁场的空间、时间变化规律,进而确定管道的位置和埋深[4]。根据信号传输介质的不同,分为电磁示踪线法与示踪探头法。

确定埋地非金属管线平面位置的常用方法有极大值法与极小值法；确定埋深常用的方法有直读法、45°法和特征点法[5]。

1.1 平面定位方法

1.1.1 极大值法

探头通过测量管线正上方形成磁场的水平分量极大值,以确定目标管线的平面投影位置,见图1a。

1.1.2 极小值法

探头通过测量埋地管线正上方形成磁场的垂直分量极小值,以确定目标管线的平面位置,见图1b。

图1 极小值法(a),极大值法(b)定位原理

1.2 深度定位方法

1.2.1 直读法

直读法要求接收机位于管线上方,利用其内部上、下两个垂直线圈分别测定管线产生的磁场水平分量梯度,根据公式求解管线埋深,可直接读取深度值。直读法操作简单快捷,测量准确度较高。

1.2.2 45°法

45°法配合极小值定位法使用,极小值法确定管道平面位置后,调整接收机角度使之与地面成45°,随后沿垂直管线走向的一侧移动,探头显示极小值后,此处探头所在位置与管线在地面投影位置的直线距离即为管线埋深,见图2。

图2 45°测深法定深原理

1.2.3 特征点法

特征点法是常用的管线定深方法,该方法配合极大值定位法使用,极大值法确定管道平面位置后,沿垂直管线走向方向移动,测得感应磁场曲线峰值两侧某一百分比值处两点之间的距离,进而确定管线埋深。常见的特征点法有70%ΔHx法、80%Hx法与50%Hx法等,其定深原理如图3 所示。其中70%ΔHx法因其探测精度高、抗干扰能力强,应用较为广泛。

图3 70%ΔHx 法(a),与80%Hx 法、50%Hx 法(b)定深原理

2 电磁示踪线法

根据发射机对示踪线施加信号方法的不同,电磁示踪线法可分为直连法和感应法[6]。

2.1 直连法

发射机直接向示踪线施加电流,管道的位置和埋深由探测器接收到的磁场信号确定,见图4。直连法可以调节发射电流强度,抗干扰能力强,易区分相邻管线。但直连法要求示踪线必须有外露点以便与发射机连接。该方法适用于探测具有完整示踪线的埋地非金属管道。

图4 直连法探测管道示意图

2.2 感应法

感应法探测时,发射机宜设置在目标示踪线附近的地面,确保土壤与示踪线形成闭合的回路。探测时,发射机发射一次感应磁场,示踪线产生感应电流,同时形成二次感应磁场。发射机沿示踪线方向移动,接收机通过探测二次感应磁场的中心位置,确定示踪线的位置与埋深,见图5。

图5 感应法探测管道示意图

感应法操作简单,无需示踪线具有引出地面的裸露端点。但干扰信号多,感应信号强度弱。

2.3 电磁示踪线法的局限性及改进方式

示踪线产生磁场强度与材料的选用有关,与流经示踪线的电流强度正相关,与示踪线和接收机的距离负相关,且与示踪线和土壤之间形成的回路电阻负相关。此外,在第三方施工或发生地质灾害时,示踪线很容易应强度不够而被破坏,探测工作将无法进行。为解决上述问题,改进方法如下。

2.3.1 提高示踪线的可靠性

示踪线强度低,往往会受到拉应力而被拉断。有研究设计了一种三层铜包覆钢的示踪线,最外层为绝缘的聚乙烯塑料,中间层为高导电的铜丝,最内层为高抗拉强度的钢丝,提高了示踪线的抗拉强度,并解决了示踪线抗老化性能差、接头易渗水等问题[7]。

2.3.2 降低示踪线与土壤间的回路电阻

回路电阻越大,感应信号越弱。主要从示踪线的敷设位置和埋设条件进行改进。改良示踪线埋地端接头的接地措施,如去除示踪线分支末端绝缘层以裸露线芯30cm 以上,从而减小示踪线接地电阻[8]。

2.3.3 提高信噪比

张汉春等通过分析从1m 到21m 埋深情况下感应电磁场的异常分布特征确定了深埋管线探测存在的干扰因素,提出了频率、电流、远端接地等提高感应信号信噪比的技术方案,并结合广州市特深管线的成功探测实例验证了该方案的良好效果[9]。

3 示踪探头法

示踪探头法通过将小型发射器放置在非金属管道中,发射器为能够发射特定频率的微型磁偶极子线圈,通过不断改变其在管道中的位置对非金属管道进行探测[10]。

如图6(a)所示,接收机手持方向垂直于管道轴向并沿着管道轴向移动,在经过探头时接收机仪表会显示出具有三个响应峰值的曲线,其中主峰值点即为示踪探头纵向峰值点。然后以纵向峰值点为中心沿垂直于管道轴线的方向移动,图6(b)中所示的横向峰值点位置即为示踪探头所在的平面位置。

图6 示踪探头法(a)纵向、(b)横向定位示意图

若接地条件良好,能有效避免示踪线探测存在的弊端,不易受外部管线与周边介质的干扰,并能准确提供的目标管线的三维空间信息。黄鹏飞等通过里奇SR-20微型示踪探头结合惯性陀螺仪定位技术实现了对多个非开挖管线精确探测[11]。

但示踪探头的尺寸和转向能力都对非金属管道的探测有影响。因此,有研究从以下几方面进行了改进：

(1)缩小示踪探头的尺寸。有研究研制了一种直径仅为22mm 微型示踪探头,体积小且通用性强,常用的穿线器均可通过螺纹连接探头,可送入所有的预留管道。经测试该探头的探测深度可达15 米[12]。

(2)提高探头的移动性。祖立元等通过增设示踪探头的导向组件与转向组件以解决其难以通过管线直角弯的问题。导向组件包括利于转过直角弯的圆柱形发射头,发射头通过滚轮与前端的导向头连接且滚轮的半径大于发射头的半径,利于示踪探头通过管线的直角弯[13]。

(3)提高倾斜示踪探头的探测精度。韦乙杰等人通过对磁偶极子的理论公式进行推导,发现示踪探头的倾角显著影响磁场水平分量双峰值比值。管线在地表投影的修正量可通过拟合后的倾角进行推导求解。经过管线探测实例验证,该方法提高了示踪探头探测的水平定位精度[10]。

4 对未来研究的展望

随着现代城市的快速发展,对埋地非金属管道进行精确定位尤为重要。但各种电磁感应法在探测埋地非金属管道时均存在局限性。因此,该技术亟须创新升级改造,文章认为发展趋势如下：

4.1 增强抗干扰能力。在地下管线分布杂乱、干扰信号强的情况下均能顺利探测,提高信噪比及测量精度。

4.2 增强适用性。探测仪应满足对各种常见管材、管径和埋深的管线探测要求,且能够适用于各种复杂的地理条件。

4.3 丰富探测设备功能性。发展低成本、小型化、易操作、便携化的探测设备的同时可考虑丰富探测设备的功能性。如探头本体内增设超声探头,示踪探头定位的同事可利用超声探头获取超声影像,以确认定位探头是否到达管道病变位置,从而提升定位的精确性。

4.4 提高自动化程度。采用人工智能技术,降低主观判断在测量中的比重,提高探测工作效率与结果的客观程度。此外,探测结果可通过数字化将管道的三维信息实时立体显示,利于运营商全面、直观地掌控管道信息。

4.5 建立埋地非金属管道的完整性管理系统。便于运营商对管线数据的管理,利于管线远程控制和统计分析。形成管道实时检测系统,有助于提高探测精度。利用管道的完整性管理系统,对可能的危害因素进行识别、划分风险等级与故障预警等。