无示踪线的聚乙烯埋地燃气管道的探测技术研究

陈潇 曾杰

（1.江苏省特种设备安全监督检验研究院; 南京市 210035）

（2.武汉华通正勤检测技术有限公司 武汉市 430000 ）

引言

根据中国城市燃气协会安全管理委员会发布的《全国燃气事故分析报告》显示，从2017年至2021年上半年，近五年来国内发生燃气事故3618起，造成至少4046人伤亡，经济损失数十亿元，其中，居民用气事故占燃气事故总数的比例最大，其次是管网事故，而第三方施工破坏，是燃气管网事故主因。作为整城镇中压燃气管网中的聚乙烯埋地燃气管道，则是管网事故中最容易“受伤”的部分。

我国从上世纪80年代初，开始聚乙烯燃气管材的研究工作，并于1982年在上海，铺设了第一条聚乙烯材质的燃气管道。随着高分子材料科学技术的飞速发展和管材制作厂商的工艺升级，聚乙烯管材耐腐蚀、高韧性、重量轻，材质稳定的特性，使其在燃气领域，都得到了广泛的运用。特别是2000年后的国内新铺设的城镇中压燃气管道，100%都为聚乙烯材质。因此，对于聚乙烯燃气管道的探测检验工作，关乎燃气安全；特别是针对无示踪线的聚乙烯埋地燃气管道的探测技术研究，就尤为重要和急迫了。

1 管线定位探测

1.1 从2017年开始，一种名为主动声源探测法的新技术，在聚乙烯埋地燃气管道的探测检验项目中，开始被燃气管道业主方、压力管道检验机构所了解和接受。顾名思义，主动声源探测法中的“主动”，是相对于管道漏水检测行业的“被动”听漏检测法。听漏检测法，是用听漏棒，和电子听漏仪器，查找地下供水管道的漏水点。原理是用听音方法，查找在管道破损点处，泄露水流与管体和周围填埋介质发生摩擦，生成的音频信号。由于漏水点的数量和位置未知，所以只有在，已知供水管道的位置和走向的情况下，才可以使用听漏检测法。一般是在周围环境噪音较低、管道内流体压力值稳定的时段（夜晚22点至凌晨4点），由经验丰富的检测人员，使用听漏检测设备，通过寻找地下的特别音频信号，来判断可能的漏水位置。（图1）

图1

1.2 根据听漏检测法，在供水管道漏水检测方面的实际运用；我们推论出一个假设：如果能让目标管道，主动持续的发出特定音频信号，那只需通过查找和跟踪这个特定信号，是不是就可以找到目标管线的具体水平位置和走向？主动声源探测法的原理图如下（图2）

图2

1.3 通过大量现场实验和探测数据，我们证明了主动声源探测法，是可以在不停气、不开挖的情况下，连续探测无示踪线的聚乙烯埋地燃气管道。通过近4000余公里聚乙烯燃气管道探测数据的统计，使用主动声源探测法，在实际探测中，管道水平位置精度误差可以达到±10cm，可探测的管道最大深度为4M，单向探测距离800M，双向探测距离3000M（理想状态下）。目前，该方法已经广泛运用在非金属管道探测和检验项目中。

2 管线深度探测

2.1 在解决了无示踪线的聚乙烯埋地燃气管道的水平位置探测问题后，我们开始研究聚乙烯埋地燃气管道的填埋深度问题。根据管道阀井铺设位置的不同，我们分为有阀井直埋管道（图3），和无阀井直埋管道两种情况来具体研究。图3为常见的燃气阀井内，双放散阀安装示意图，其中H1为放散阀口距离地面的垂直距离，H2为为放散阀口距离埋地管道的管顶垂直距离。参考放散阀规格尺寸图，就可以得到具体的H2，在现场量取了放散阀口与地面的垂直距离H1后，该处直埋燃气管道的填埋深度H=H1+H2。这种放散阀直接测量法，适用于有燃气阀井放散阀的直埋管道的深度探测。根据现场阀井内阀门的具体规格和型号，都可以通过这种直接测量法，来确定埋地燃气管道的实际埋深。

图3

2.2 当埋地燃气管道周围无燃气阀井，或在燃气阀井内的燃气管道，通过了不同填埋区域（不同区域的覆土高度发生了变化），就不能依据放散阀口的离地距离，来作为管道填埋深度的数据依据了。此时，就得采用一种适合的管线物探技术，来进行埋地管道的深度探测。通过参考APL探测法【1】、地磁静电法探测技术【2】、探地雷达探测法【3】等综合管线探测技术，我们采用了高频脉冲电磁信号反射法与主动声源探测法，相结合的综合探测技术，来对无示踪线的聚乙烯（PE）埋地燃气管道，进行精准定位定深探测。

3 高频脉冲电磁信号反射法

3.1 高频脉冲电磁信号反射法，是一种无损探测技术。其工作原理是，当传播介质密度发生变化时，在介质内传播的电磁信号发生反射和衰减，通过相关计算，就可以得出介质变化面到信号天线的垂直距离【4】。该方法最典型的运用，是在地质雷达设备上，通过电磁信号反射的时域分析，来对隧道工程面进行提前预警，对桥墩等工程基桩的浇筑质量分析，等工程项目的无损检测上。

3.2 近些年来，有优秀的学者针对地质雷达在管线探测上的运用，发表了很多高质量的论文，如“应用探地雷达探查地下近间距非金属管线”【5】，“基于探地雷达的城镇燃气PE管道探测方法”【6】地质雷达探测地下非金属管线的波形特征分析【7】。这些理论方法，都非常有学术价值和运用参考性。但也都反映出，地质雷达在聚乙烯（PE）埋地燃气管道探测上的局限性：1、在未知埋地管道的水平位置，和走向的前提下，无法运用地质雷达，垂直于管道方向做断面扫描，无法达到最有效的电磁波扫描效果。2、非金属管道材质不导电，介电常数小，使得反射弧面信号难以分析；针对地质雷达现场探测的原始数据图，分析难度大，易造成误判和错判。

3.3 基于上述现况，我们设计了一套针对无示踪线的聚乙烯埋地燃气管道的精准探测方案：第一步，采用主动声源探测法对埋地管道进行精准定位。第二步，运用AI辅助图像分析技术，对高频脉冲电磁信号的原始信号，进行算法分析，来辅助探测人员，探测出聚乙烯埋地燃气管道的准确埋深。

4 不同材质埋地管道在高频脉冲电磁波下的反射信号特征分析

4.1 通过研究高频脉冲电磁信号的反射特性，我们发现，当脉冲电磁波通过在不同介电常数的物体时，会在电磁波信号剖面图上，形成强弱不同的回波信号。其中，金属管线由于自身材质导电，因为电磁反应，会激发出多次非常明显的反射信号（见图4）。而非金属管道，由于自身材质不导电，反射波信号较弱，所以在信号剖面图上，就不如金属管线、电缆的反射信号明显（图5）。聚氯乙烯（PVC）材质的给水管线的反射信号，要比聚乙烯（PE）材质的燃气管道，反射信号更加明显。这是因为给水管中的水是电的良导体，介电常数远大于PVC管材；而燃气管道中的甲烷气体，介电常数与PE管材接近。所以在电磁波反射信号剖面图上，燃气管线的反射弧线非常暗淡，而且只有一条；给水管线的反射弧线非常明亮，通常同时会出现管顶和管底两条弧线。

图4

图5

4.2 通过大量现场测试，我们发现不同频率的脉冲电磁波，对地面的穿透表现也不一样。通过反复实验，我们汇总出这样的数据表（见表1）

表1

根据燃气管线相关设计规范中，对管线埋深的要求；通过现场作业的便捷性和易操作性的考虑，我们最终选择了200Mhz频率的信号天线，在江苏省某地现场，进行燃气管线探测实验。

5 200Mhz脉冲电磁波管道探测现场

5.1 探测地点：常州市某小区前绿化带（图6）

图6

探测步骤：红线为已知走向的埋地燃气支管，管径为90mm；黄色箭头为检测人员拖动雷达天线的行走路径；A点拖到B点，然后再从B点拖到。

探测结果：我们先使用分析软件，对原始信号图进行AI算法自动分析，但结果是无法识别。分析软件没能在原始信号中，标注出目标燃气管线的埋深。从原始信号剖面图上，我们在160cm标尺高度，分辨出一个PE管线反射信号（见图7）。通过打开图7中的支线阀井，测量出支管的实际埋深为140cm。减掉信号基准距离30cm，该支管的探测深度为130cm，与实际深度相差10cm，满足误差要求。5.2 探测地点：常州市某小区前绿化带（图8）

图7

图8

探测步骤：红线为已知走向的埋地燃气主管，管径为315mm；黄色箭头为检测人员拖动雷达天线的行走路径：A点拖到B点，再从B点拖到A点。

探测结果：无论是肉眼识别原始信号图（图9），还是分析软件进行AI算法识别，都无法发现目标管线。通过阀井测量，得知该主管的实际埋深为230cm。5.3 探测地点：常州市某小区柏油沥青车道（图10）

图9

图10

探测步骤：红线为已知走向的埋地燃气主管，管径为315mm；黄色箭头为检测人员拖动雷达天线的行走路径：B点拖到A点，再从B点拖到A点。

探测结果：AI算法无法识别管线；我们从原始信号剖面图上（图11），我们在250cm标尺高度，分辨出2个PE管线反射信号。通过打开图9中的主线阀井，测量出该主管的实际埋深为230cm。减掉信号基准距离30cm，该主管的探测深度为220cm，与实际深度相差10cm，满足误差要求。

图11

5.4 探测地点：常熟市某小区内的柏油路面单车道

探测步骤：以已知位置管线为中心，拖拽雷达天线走一次。

探测结果：AI算法自动识别出目标管线（图12），管线口径160mm，实际埋深100cm，探测埋深100cm，满足误差要求。

图12

5.5 探测地点：常州市某镇的临街水泥路面（图13），红线为直径63mm的支线，黄线为直径250mm的主管。

图13

探测步骤：以已知位置管线为中心，拖拽雷达天线来回走两次。

探测结果：AI算法无法自动识别目标管线，通过人工识别原始信号图（图14），信号显示埋深130cm，探测埋深为100cm；通过核对管线资料，该管线口径63mm，实际埋深100cm，满足误差要求。

图14

6 现场测试情况总结

6.1 采用200Mhz高频脉冲电磁波信号反射法，配合主动声源探测技术，可以用于无示踪线的埋地聚乙烯（PE）燃气管道的位置及深度探测，可探测深度探测范围为1～4M，可探测管道直径范围为63～315mm。

6.2 在绿化带泥土路面上，电磁波信号反射法的探测效果较差，无法用AI软件自动识别管线；当埋深超过1.5M后，采用人工分析，也无法找出反射信号。其原因是地下土壤中含水量高，填埋介质松软不紧实，导致PE管反射信号不明显。

6.3 水泥路面、柏油沥青路面，探测效果比较理想；分析原因是路边被压实，适于射频天线的来回拖动；地下填埋介质密度均匀，目标管道反射信号明显。当管道直径大于埋深的1/10时，目前的AI软件可以自动识别；当管道直径小于埋深的1/10时，AI软件无法自动识别管线，只能通过人工查看原始信号图，来辨别反射信号。

6.4 AI分析软件的最大优势，在于能通过海量数据来进行自我学习，自我升级。我们相信，通过不断采集现场探测数据，持续的为AI分析软件提供学习内容，高频脉冲电磁波信号反射法在管线探测中的运用范围，会越来越广泛；分析结果，会越来越准确。