基于皮爾遜法的埋地輸油管線巡查儀設(shè)計(jì)研究

文/左永剛 陳軍 楊靜 張鎮(zhèn)

基于皮爾遜法的埋地輸油管線巡查儀設(shè)計(jì)研究

文/左永剛 陳軍 楊靜 張鎮(zhèn)

由于土壤的腐蝕性以及某些人為因素，常使埋地管線發(fā)生腐蝕穿孔導(dǎo)致泄漏事故，造成油料損失和環(huán)境污染，本文分析了基于皮爾遜法的埋地輸油管道的位置、走向、分支等檢測(cè)原理，并進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)。

皮爾遜法；埋地輸油管線；設(shè)計(jì)

一、引言

由于土壤的腐蝕性以及某些人為因素，常使埋地管線發(fā)生腐蝕穿孔導(dǎo)致泄漏事故，造成油料損失和環(huán)境污染。對(duì)輸油管線進(jìn)行檢測(cè)，可以及時(shí)準(zhǔn)確地了解管線的運(yùn)行狀況，預(yù)測(cè)管線整體與局部失效模式，提高管線腐蝕及防護(hù)狀況評(píng)價(jià)的有效性、準(zhǔn)確性和科學(xué)性，以最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。因此，加強(qiáng)對(duì)埋地輸油管線的安全檢測(cè)，研制相應(yīng)的管線巡查裝備，及時(shí)掌握和診斷輸油管線的安全狀況，具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

二、基本原理

皮爾遜法（Pearson）即人體電容法，是指在埋地管線檢測(cè)過(guò)程中，通過(guò)給待測(cè)管道施加一個(gè)1000赫茲左右的交變電流，在電流沿管道走向傳播時(shí)在管道周圍產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場(chǎng)。對(duì)于這樣的磁場(chǎng)，通過(guò)使用帶有天線的探測(cè)儀可準(zhǔn)確探測(cè)，從而可以判斷得到管道的位置、走向、分支等；同時(shí)，管道外防腐層缺陷處向土壤泄漏電流，通過(guò)大地回流到發(fā)射儀器的接地點(diǎn)，這樣在缺陷處形成一個(gè)以缺陷點(diǎn)為中心的交變電場(chǎng)，并成指數(shù)衰減，當(dāng)兩個(gè)人體站在交變電場(chǎng)內(nèi)（相距約6m）時(shí)，由于人體的電容作用，使每個(gè)人具有一定的交變電位，這時(shí)可以通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)人體的電位差判斷管道缺陷和漏點(diǎn)位置。

1.發(fā)射機(jī)的工作原理

發(fā)射機(jī)分別設(shè)置與管道和大地相連接的線纜，其中與大地相連的線纜需要設(shè)計(jì)成接地棒，工作中與管道走向成90°。有的管網(wǎng)復(fù)雜，四通八達(dá)，導(dǎo)致信號(hào)衰減很快，而且當(dāng)目標(biāo)管線埋土很深時(shí)，接收機(jī)在地面收到的信號(hào)很弱，增加了探測(cè)管線的難度，因此，在接地應(yīng)盡量避免此類位置。為了系統(tǒng)檢測(cè)過(guò)程中獲得理想信號(hào)，接地點(diǎn)應(yīng)盡量選擇在單根管線處，這樣信號(hào)處于單向傳輸或雙向傳輸，電流比較集中，探管、檢漏效果均比較好。

2.探管儀的工作原理

探管儀首先可以進(jìn)行管道位置探測(cè)及增益調(diào)節(jié)。基于人體電容法的埋地管線定位方法有峰值法和零值法，見(jiàn)圖1。其中，峰值法是通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)水平分量，在目標(biāo)管線正上方呈現(xiàn)極大值；零值法是通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)的垂直分量，在目標(biāo)管線正上方呈現(xiàn)極小值。

3.檢測(cè)儀的工作原理

圖1 峰值法、零值法示意圖

檢測(cè)儀主要是進(jìn)行漏點(diǎn)檢測(cè)，并判斷漏點(diǎn)的形狀、位置和對(duì)漏點(diǎn)的大小進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)。漏點(diǎn)的判斷依據(jù)是漏點(diǎn)處的電輻射分布情況。圖2為地下破損點(diǎn)電位梯度示意圖。當(dāng)?shù)叵鹿芫€被加入交變電流信號(hào)后，若在管道上存在防腐層破損，該信號(hào)電流就會(huì)在防腐層破損處泄漏入大地。在地下的等電位分布是以破損點(diǎn)為中心呈立體球形分布，用接地探針可以探到這一現(xiàn)象。當(dāng)此信號(hào)到達(dá)地表以后，則以破損點(diǎn)正上方為中心呈平面圓形分布，其周圍電位分布呈等距離等電位，若兩名檢測(cè)人員站在離中心點(diǎn)等距離位置，接收機(jī)示值為零。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 地下破損點(diǎn)電位梯度圖

基本思路：采用平面化設(shè)計(jì)，鍵盤操作，一鍵多用。對(duì)檢測(cè)全過(guò)程的信號(hào)強(qiáng)度，由內(nèi)部線路進(jìn)行歸一化處理，使各測(cè)段的防腐層漏點(diǎn)大小和絕緣電阻值具有可比性。音響、示值、模擬條形光標(biāo)，顯示信號(hào)強(qiáng)度要直觀。操作方便，使用簡(jiǎn)單，易學(xué)易懂。體積小，重量輕，便于攜帶，適合野外檢測(cè)。圖3為系統(tǒng)組成示意圖。系統(tǒng)由兩部分組成，分別是基于人體電容法的埋地管線走向、埋深和防腐層缺陷的檢測(cè)。

1.發(fā)射機(jī)

圖3 系統(tǒng)組成

發(fā)射機(jī)用于向地下管道發(fā)射1000赫茲的電磁波信號(hào)，建立起單線——大地回路的地下管線檢測(cè)場(chǎng)。根據(jù)功能需求，發(fā)射機(jī)面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4。

發(fā)射機(jī)由數(shù)顯區(qū)、功能選擇區(qū)和工作狀況指示區(qū)三個(gè)部分組成，其中顯示區(qū)主要是顯示發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號(hào)的測(cè)量值，如功率、電壓、電流和接地電阻等，同時(shí)顯示區(qū)還要顯示發(fā)射機(jī)的工作電量；功能選擇區(qū)是發(fā)射機(jī)的核心控制區(qū)域，發(fā)射機(jī)的開(kāi)關(guān)控制、發(fā)射機(jī)的功率控制和發(fā)射機(jī)的測(cè)量選擇等控制部件都在該區(qū)域；工作狀況指示區(qū)則是通過(guò)設(shè)置兩個(gè)指示燈分別顯示發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)和發(fā)射機(jī)充電進(jìn)程。

圖4 發(fā)射機(jī)面板

2.探管儀

探管儀用于探測(cè)管道的位置、走向、深度，采用內(nèi)置DC12V電池供電的方式。根據(jù)功能需求，探管儀的面板設(shè)計(jì)如圖5。

探管儀面板主要由顯示區(qū)和功能按鈕區(qū)兩個(gè)部分組成。其中功能按鈕區(qū)包含了探管儀的電源開(kāi)關(guān)按鈕、探管儀靈敏度增大和減小按鈕、探管儀接收機(jī)音量增大和減小調(diào)節(jié)按鈕和靈敏度的放大及歸一化這兩種模式的選擇按鈕；顯示區(qū)可顯示探管儀靈敏度、信號(hào)強(qiáng)度的模擬條形光標(biāo)和數(shù)值、模式值（T或者P）以及探管儀的內(nèi)置電池電壓數(shù)值。

圖5 探管儀面板布置示意圖

3.檢測(cè)儀

檢測(cè)儀和檢漏線配合使用，用于檢測(cè)防腐層破損點(diǎn)及對(duì)破損點(diǎn)大小進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)。檢測(cè)儀采用內(nèi)置DC12V直流電源供電，根據(jù)其功能需求，檢測(cè)儀面板設(shè)計(jì)如圖6。

檢測(cè)儀面板由顯示區(qū)和功能按鈕區(qū)兩個(gè)部分組成。其中功能按鈕區(qū)包含了檢測(cè)儀的電源開(kāi)關(guān)按鈕、檢測(cè)儀靈敏度增大和減小按鈕、檢測(cè)儀接收機(jī)音量增大和減小調(diào)節(jié)按鈕和靈敏度的放大及歸一化這兩種模式的選擇按鈕；顯示區(qū)可顯示檢測(cè)儀靈敏度、信號(hào)強(qiáng)度的模擬條形光標(biāo)和數(shù)值、模式值以及檢測(cè)儀的內(nèi)置電池電壓數(shù)值。

圖6 檢測(cè)儀面板設(shè)計(jì)

（作者單位：陸軍勤務(wù)學(xué)院）

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