在役埋地PE管道探測技術(shù)探析

黃輝 許偉(中國特種設(shè)備檢測研究院、國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局油氣管道工程技術(shù)研究中心， 北京 100029)

在役埋地PE管道探測技術(shù)探析

黃輝 許偉(中國特種設(shè)備檢測研究院、國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局油氣管道工程技術(shù)研究中心， 北京 100029)

PE(聚乙烯，polyethylene的簡稱)管道具有質(zhì)輕價廉、耐腐蝕、施工便捷和韌性好等優(yōu)點(diǎn)，且隨著PE管道生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，強(qiáng)度不斷提高，在埋地管網(wǎng)建設(shè)中應(yīng)用越發(fā)廣泛，尤其是城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿佬袠I(yè)。但其強(qiáng)度低、不耐光，易老化，隨著使用年限延長，PE管道事故也日益增多，絕大多數(shù)事故源于第三方破壞所致，究其根源，因?yàn)榈叵碌腜E管道確切位置不明確，第三方在不知情時將其挖傷、挖斷，導(dǎo)致泄漏、甚至爆炸事故發(fā)生。如何避免此類事故，精準(zhǔn)探測管道的準(zhǔn)確位置首當(dāng)其沖。

在役埋地；PE管道；探測技術(shù)

1 PE管道位置探測技術(shù)

PE管道由于其惰性材質(zhì)，不導(dǎo)電、不導(dǎo)磁，埋地敷設(shè)后，精準(zhǔn)探測其位置比較困難。當(dāng)前，為便于日后管理，安裝時一般通過地面設(shè)置路面標(biāo)志和敷設(shè)示蹤線進(jìn)行定位，前者經(jīng)常遭到破壞甚至丟失，后者安裝時可能已折斷或后期遭破壞而無法實(shí)現(xiàn)電連通。因而，PE管道經(jīng)常被施工機(jī)械挖斷、挖漏，從而導(dǎo)致事故發(fā)生。為避免事故發(fā)生，就需要采用針對在役埋地PE管道的先進(jìn)探測技術(shù)。

目前，在用的PE管道的探測技術(shù)有示蹤線探測、地質(zhì)雷達(dá)探測、聲學(xué)定位探測及弱磁感應(yīng)法探測。而這些探測方法在工程應(yīng)用中都各有自己的優(yōu)點(diǎn)和不足，下文將對各種技術(shù)主要從實(shí)現(xiàn)原理、技術(shù)(性能)特點(diǎn)、現(xiàn)場應(yīng)用情況等方面對各自優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡要分析，重點(diǎn)介紹新型的弱磁感應(yīng)法技術(shù)，以期對今后PE管道的探測工程應(yīng)用提供幫助。

1.1 示蹤線探測

示蹤線是敷設(shè)PE管道正上方緊貼管道埋設(shè)的一條金屬線，并在閥門等位置留有露點(diǎn)。其工作原理是建立在電磁場理論基礎(chǔ)上，首先，在示蹤線上施加一定強(qiáng)度的電流，示蹤線上就會產(chǎn)生電磁場，探測人員持特定的設(shè)備來接收這一電磁場信號，從而確定管道的位置及埋深。

施加電流的方法有兩種，分別為直連法與感應(yīng)法。直連法是將信號電流直接加載在示蹤線上產(chǎn)生一個電磁場信號，在地面上通過配套的接收機(jī)來探測電磁場的中心位置，從而確定示蹤線的位置和埋深。該方法的優(yōu)點(diǎn)是信噪比高，不易受相鄰管道干擾，探測結(jié)果比較準(zhǔn)確；缺點(diǎn)是探測的前提需示蹤線上有裸露點(diǎn)用于施加電流信號。感應(yīng)法則是由發(fā)射機(jī)產(chǎn)生一個交流電磁場，通過感應(yīng)在示蹤線上產(chǎn)生電流，感應(yīng)電流再以示蹤線為中心形成另一個電磁場，通過探測二次感應(yīng)電磁場的中心位置，從而確定示蹤線的空間位置。該方法操作便捷，無需尋找專門的裸露點(diǎn)，缺點(diǎn)是感應(yīng)信號一般較弱，干擾多，并易受附近的金屬管道和電纜干擾[1]。

此方法應(yīng)用較為廣泛的直連法，檢測儀器主要為PCM，但由于示蹤線在埋設(shè)過程中或者后期破壞等原因?qū)е抡蹟?，因此往往在檢測過程中發(fā)現(xiàn)示蹤線無效，導(dǎo)致后續(xù)檢測無法進(jìn)行。因此，此方法局限性較大，一般用于新投用不久的管道(或確認(rèn)示蹤線有效的)探測。

1.2 地質(zhì)雷達(dá)探測

地質(zhì)雷達(dá)探測是以地下各種介質(zhì)的電阻率和介電常數(shù)差異為物理?xiàng)l件，通過向地下發(fā)射高頻電磁波探測地下介質(zhì)分布的無損探測方法。雷達(dá)通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)電磁波遇到不同的電性界面時，就會發(fā)生反射、透射和折射。電介質(zhì)間的電性差異越大，反射回波能量也越大。地面上的接收天線接收到反射回的電磁波后，通過雷達(dá)主機(jī)系統(tǒng)軟件依據(jù)反射回波到達(dá)的時間、相位、振幅、波長等特征，再通過信號疊加放大、濾波降噪、圖像合成等數(shù)據(jù)加工處理手段，形成地下剖面的掃描圖像。通過對雷達(dá)圖像的判讀，便可得到地下目標(biāo)物的分布位置和狀態(tài)。[2]下圖即為一實(shí)測埋地管道剖面圖像。

地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是精度較高、抗干擾、無損害、能區(qū)分并行較近管道，但其缺點(diǎn)也較為明顯，一是對直徑較小的管道和位于鹽堿地、頁巖層或黏土下的管道探測均存在一些局限性，且圖像具有多解性，對操作人員專業(yè)水平及經(jīng)驗(yàn)要求較高。而且，因?yàn)镻E管道與土壤的電性參數(shù)特征差異較小(與金屬管道比較)，雷達(dá)反射回波能量也較弱，加之如果目標(biāo)管道周圍土壤中埋藏鋼筋混凝土塊、磚塊、鋼筋等，在雷達(dá)剖面對目標(biāo)物的干擾很大，影響判讀。二是，檢測過程受管道敷設(shè)環(huán)境影響較大，地表不平坦時，儀器輪無法正常移動等都會影響檢測，如草坪等。

雖然地質(zhì)雷達(dá)探測對于單條大口徑PE管檢測有效，但往往會因地下管道相鄰過近或管道差異不明顯時而無法確認(rèn)哪一根是目標(biāo)管道，這就需要通過開挖來進(jìn)一步驗(yàn)證，因此雷達(dá)探測在目前的PE管道探測中應(yīng)用較少。

1.3 聲學(xué)定位探測

聲學(xué)定位探測技術(shù)是利用聲波在介質(zhì)中的傳播特性探測和定位目標(biāo)的一種新型技術(shù)。檢測時，由發(fā)射機(jī)發(fā)射一組“聲脈沖”到地面，從任何不連續(xù)或帶有不匹配聲波阻抗中反射回聲波，其管道光滑內(nèi)表面和氣體的接觸面反射系數(shù)為100%，土壤與巖石與管道外表面的接觸面的反射系數(shù)均較低，通過接收器接收到表面波和管道反射波來確認(rèn)管道的位置[3]。檢測時，設(shè)備發(fā)射一束持續(xù)約2秒的脈沖，此過程為一個點(diǎn)探測，然后繼續(xù)向左或向右移動15-30厘米，做為第二個探測點(diǎn)，按此方法，在一個截面至少要完成5個檢測點(diǎn)的探測，最終形成管道位置。

目前，部分燃?xì)夤疽褜⒋嗽O(shè)備應(yīng)用到PE管道的探測工作中，其優(yōu)點(diǎn)是無需與管道直連，受電廠或架空電力系統(tǒng)干擾較小，缺點(diǎn)是多條管道并行時，無法準(zhǔn)確確認(rèn)目標(biāo)管道，且儀器受制于管道埋深的影響，導(dǎo)致能探測的管道規(guī)格十分有限。同時，檢測過程顯得過于繁瑣，且對管道屬性的判斷要求較高，人員需經(jīng)專門培訓(xùn)，因此，總體而言應(yīng)用較少。

1.4 弱磁感應(yīng)探測

弱磁感應(yīng)探測原理基于一切物質(zhì)都具有磁性，一切空間都存在磁場，通過將PE管道內(nèi)的介質(zhì)(主要探測輸送天然氣、水、油)的弱磁場放大，在地面上方通過專門儀器拾取該信號，從而探測其位置與埋深。因此，此探測方法不關(guān)心管道材質(zhì)，只關(guān)心管道內(nèi)輸送介質(zhì)。

以天然氣為例，所含氫原子核中的質(zhì)子是一種帶有正電荷不停的自旋的粒子，在外磁場作用下它們將按一定的方向有規(guī)則的排列，從而表現(xiàn)出一定的磁性。但其磁性非常微弱，只能在一些磁化率很低的逆磁性物質(zhì)，如某些碳?xì)溲趸衔?水、天然氣、原油等)中才能反映出來，根據(jù)這一現(xiàn)象，研制出能將弱磁場放大的探測儀，從而實(shí)現(xiàn)對天然氣等管道的檢測。目前，已開展工程應(yīng)用的探測儀，按介質(zhì)類型不同而型號各異。檢測時，檢測人員雙手持金屬桿在運(yùn)動狀態(tài)下通過人體靜電、大地磁場、弱磁場的相互作用下可以探測出被探測物的位置與埋深。

檢測設(shè)備輕便，一人即可獨(dú)立完成。檢測人員需要手持金屬天線以張開的狀態(tài)垂直管線的位置勻速走步，當(dāng)靠近管線時，天線開始相互吸引，直到到達(dá)管線正上方時，天線成平行狀態(tài)，當(dāng)遠(yuǎn)離管道時，天線又開始由平行變?yōu)閺堥_，檢測示意圖如圖2所示。同時，儀器還可以測出管道的埋深及管道的管徑大小。

弱磁感應(yīng)探測儀的優(yōu)點(diǎn)是檢測效率高，屬于無源檢測，操作流程簡單，探測深度大。缺點(diǎn)則是抗干擾能力差，易受目標(biāo)物附近交流供電設(shè)施、礦山、水塘等干擾因素的影響，這種情況下，定位精度不高，需通過重復(fù)測量來減小誤差，且檢測的準(zhǔn)確性與檢測人員經(jīng)驗(yàn)豐富與否直接相關(guān)。

2 分析與展望

從上文分析可以看出，目前，非金屬埋地管道探測方法非常有限，現(xiàn)有儀器探測效果也不甚理想。目前的探測方法都是根據(jù)目的物與其周圍介質(zhì)之間的物性差異探測，例如它的電性、磁性、熱的傳導(dǎo)性，波速傳遞、甚至介電常數(shù)等的差異性進(jìn)行探測的，即便是現(xiàn)在比較先進(jìn)的探地雷達(dá)、超聲波都難以解決非金屬材料管道探測的難題。

綜合來看，不同的檢測方法有不同的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際PE管道的探測過程中，需要綜合考慮管道敷設(shè)的實(shí)際情況，合理選擇探測方法，并對探測結(jié)果進(jìn)行開挖驗(yàn)證，以保證管道的位置清晰明了，減少不必要的第三方破壞導(dǎo)致的事故發(fā)生。比較而言，目前，弱磁感應(yīng)方法因其具有不受管道材質(zhì)影響，不受地形影響，無源追蹤探測，所測管道不需要有示蹤線也無需連接管道或做其它前期處理工作，效率是傳統(tǒng)探測手段的幾倍以上，可廣泛用于特檢、燃?xì)狻④娛隆⒐I(yè)產(chǎn)業(yè)、市政工程等，作為最新開發(fā)的技術(shù)，應(yīng)用前景更為廣闊。

3 結(jié)語

在未來發(fā)展方向上，應(yīng)向研制集成地質(zhì)雷達(dá)、GPS、測距輪和圖像等數(shù)據(jù)采集為一體的管線探地雷達(dá)系統(tǒng)，通過對天線優(yōu)化，提高帶寬，從而提高管線探測分辨能力發(fā)展。而對弱磁感應(yīng)方面，因其作為最新的技術(shù)，在儀器操作的友好性方面以及抗干擾能力方面還有很大的提升空間，尤其是如何克服干擾導(dǎo)致定位精度不夠是亟需解決的問題。

[1]曹震峰.燃?xì)釶E管道示蹤線方法及其探測技術(shù)[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2010,4：62.

[2]杜良法，李先軍.復(fù)雜條件下城市地下管線探測技術(shù)的應(yīng)用[J].地質(zhì)與勘探，2007,(3)：116-117.

[3]曾岳梅，賈向煒，李英杰.埋地PE管道聲學(xué)定位探測技術(shù)應(yīng)用研究[J].煤氣與熱力,2015,(7)，31.

資助課題:質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目 課題編號：201310159

黃輝(1978- )，男，高工，主要從事壓力管道檢驗(yàn)檢測，安全評價等技術(shù)方面工作。