地下金屬管道電磁探測(cè)技術(shù)研究

陳澤輝　黨瑞榮　謝榮勃

摘要：天然氣能源在中國(guó)的應(yīng)用逐漸深入，以及天然氣在工業(yè)節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用將迎來一個(gè)繁榮期，對(duì)地下儲(chǔ)氣庫(kù)的需求量將日益增加。地下儲(chǔ)氣庫(kù)作為天然氣上下游一體化應(yīng)用系統(tǒng)的重要組成部分，將有效地解決天然氣用氣季節(jié)性不平衡的問題。然而，現(xiàn)有的天然氣管道檢測(cè)爬行管道檢測(cè)系統(tǒng)，成本高，施工風(fēng)險(xiǎn)大，在整個(gè)管道的檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)，甚至影響到傳輸通道中斷運(yùn)行成本。在這種情況下，對(duì)非接觸式地面檢測(cè)系統(tǒng)的研究具有很大的優(yōu)勢(shì)，且不存在風(fēng)險(xiǎn)操作。它不會(huì)造成管道運(yùn)輸中斷，也不需要復(fù)雜的施工。該文對(duì)地下金屬管道電磁探測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入分析，為提高地下管線探測(cè)精度提供了有效的方法和理論。

關(guān)鍵詞：電磁探測(cè)技術(shù)；地下金屬管線；地下儲(chǔ)氣庫(kù)群；探測(cè)方法

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）22-0220-02

本文試圖研究和建立適用于地下管線探測(cè)的理論和方法，包括管徑、管線電導(dǎo)率、滲透率、探測(cè)深度對(duì)結(jié)果的影響等，并進(jìn)行相關(guān)理論研究和仿真?；谘芯康母拍?，在地面探測(cè)地下管道，特別是樁牌移動(dòng)的或樁牌缺失的狀態(tài)、為日常維護(hù)、檢測(cè)維修、故障排除和運(yùn)作，提供位置，實(shí)現(xiàn)快速施工和運(yùn)作。在理論研究的基礎(chǔ)上，探討識(shí)別管道包括管道位移、破損等嚴(yán)重缺陷的電磁檢測(cè)技術(shù)的可行性，在檢測(cè)性能和電磁檢測(cè)系統(tǒng)之間的關(guān)系的研究，檢測(cè)和調(diào)查管道存在問題的研究。

1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

作為一個(gè)行業(yè)，地下管道檢測(cè)技術(shù)服務(wù)在中國(guó)已經(jīng)發(fā)展了十五年。目前，電磁探測(cè)技術(shù)作為地下管線探測(cè)技術(shù)的核心技術(shù)已被廣泛應(yīng)用。這兩個(gè)因素起了關(guān)鍵的作用：一是與現(xiàn)有的電磁檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r相一致，在地下管線探測(cè)中的“便攜式現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備經(jīng)濟(jì)”占據(jù)著應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，它的出現(xiàn)在一定程度上提高了工作效率和降低服務(wù)檢測(cè)行業(yè)的成本。

在國(guó)際社會(huì)，電磁儀器在工程和環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用正在逐步擴(kuò)大，主要是電磁儀器性能的不斷提高和配套軟件的不斷創(chuàng)新。電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的結(jié)合，使電磁儀器更加有前途，使排除技術(shù)問題的難易程度質(zhì)化的降低。而探地雷達(dá)測(cè)量的探測(cè)深度、頻率、速度和效率、時(shí)域解釋的精度和效果仍是今后探測(cè)技術(shù)開拓的重點(diǎn)。基于電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)等重要部件體積的最小化，檢測(cè)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，儀器性能更穩(wěn)定，噪聲更小，還需要進(jìn)一步研究。

2電磁探測(cè)技術(shù)原理

導(dǎo)電性、磁導(dǎo)率的差異是鑒別地下金屬管線與周圍介質(zhì)的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，電磁感應(yīng)原理總結(jié)了基于空間的電磁場(chǎng)分布特性的研究，根據(jù)地下金屬管道檢測(cè)結(jié)果定位。發(fā)射線圈是諧波電流，在它們周圍形成一個(gè)“一次場(chǎng)”，即諧變磁場(chǎng)。諧變磁場(chǎng)對(duì)地下金屬管道產(chǎn)生激勵(lì)作用，使管道內(nèi)產(chǎn)生諧變電流，形成管道周圍的“二次場(chǎng)”，即二次諧變磁場(chǎng)。二次場(chǎng)的大小與發(fā)射源的波形、電流的大小、頻率、管道的物理性質(zhì)和幾何形狀以及測(cè)量點(diǎn)的位置有關(guān)。用電磁法探測(cè)地下金屬管道時(shí)，可以通過測(cè)量這二次場(chǎng)的變化來探測(cè)管道。通過接收裝置，在一定距離處接收到“二次場(chǎng)”信號(hào)，分析其分布特征，尋找地下金屬管道。

當(dāng)金屬管的直徑很大，不能看成是線性體時(shí)，它被認(rèn)為是無限長(zhǎng)的水平圓柱體。在一次場(chǎng)的作用下，二次場(chǎng)分布曲線如圖2所示。

3方法實(shí)驗(yàn)

在基準(zhǔn)管線的檢測(cè)中，通常采用方法試驗(yàn)，這種方法對(duì)勘探工作十分重要。首先，有必要做一個(gè)方法實(shí)驗(yàn)來確定具體的工作方法。

1）根據(jù)該方法的實(shí)驗(yàn)要求，建立了一致性、最小最優(yōu)、最大發(fā)射和接收距離、最佳工作頻率、最佳發(fā)射功率和深度校正系數(shù)等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

2）對(duì)影響檢測(cè)信號(hào)的影響因素的分析，首先分析了目標(biāo)管材的特點(diǎn)，根據(jù)特征分析確定檢測(cè)信號(hào)的應(yīng)用范圍，如導(dǎo)電性、信號(hào)傳輸?shù)男阅苜|(zhì)量和確定最大傳輸距離。根據(jù)被測(cè)管線的直徑大小確定峰值的強(qiáng)度和寬度以及傳播距離。此外，埋深和長(zhǎng)度也會(huì)產(chǎn)生很大影響。其次，與管道相比，相鄰管線和干擾源對(duì)目標(biāo)管道的影響較大。第三，輸入信號(hào)的特性和頻率產(chǎn)生的二次場(chǎng)，也會(huì)干擾管道的作用。最后，與地電條件相關(guān)，信號(hào)的強(qiáng)度與土壤的導(dǎo)電率成正比。

發(fā)射機(jī)放置方式的選擇

1）被動(dòng)源法?？梢岳媒邮諜C(jī)響應(yīng)所產(chǎn)生的被動(dòng)源來檢測(cè)目標(biāo)，包括工頻法或低頻法。前者利用電力電纜實(shí)現(xiàn)探測(cè)金屬管線的定位，調(diào)查通信電纜，并找出電纜和金屬管道位于何處。后者利用極低頻無線電發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)在金屬管線感應(yīng)后產(chǎn)生的二次場(chǎng)，通過分析二次場(chǎng)分布特征來實(shí)現(xiàn)管道定位。

2）主動(dòng)源法，包括感應(yīng)、直連與夾鉗三種方法。感應(yīng)法的原理，即通過感應(yīng)線圈感應(yīng)電磁場(chǎng)，根據(jù)金屬管道在二次場(chǎng)進(jìn)行管道定位。直連法是在金屬管道的一端接地且另一端連接發(fā)電機(jī)，然后根據(jù)金屬管線上的信號(hào)定位管道。夾鉗方法是在金屬管上安裝一個(gè)卡套。感應(yīng)線圈通過夾持感應(yīng)線圈直接輸入金屬管線。

4電磁法管線探測(cè)誤差分析

4.1同源干擾分析

在地下管線勘探中，通常利用信號(hào)發(fā)送器將交流電流作用于目標(biāo)管道，生成由檢測(cè)儀器識(shí)別的磁場(chǎng)信號(hào)，然后進(jìn)行分析。在檢測(cè)過程中，由于設(shè)備發(fā)送的主信號(hào)對(duì)接收到二次場(chǎng)信號(hào)的接收機(jī)產(chǎn)生了影響，出現(xiàn)了同源干擾現(xiàn)象。當(dāng)在目標(biāo)管道上發(fā)射信號(hào)時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生這些干擾信號(hào)，關(guān)閉發(fā)射機(jī)，干擾信號(hào)也會(huì)同步消失。同源干擾受相鄰管道和目標(biāo)管道兩個(gè)方面的影響，前者會(huì)引起旁路干擾，既本文分析的關(guān)鍵內(nèi)容；后者由于自身的物理特性，會(huì)引起信號(hào)場(chǎng)的失真。包括由相鄰管線引起的旁路干擾和信號(hào)本身物理特性引起的目標(biāo)管線本身的信號(hào)場(chǎng)失真。

4.2旁線干擾

如果目標(biāo)管道周圍有平行管道，就會(huì)產(chǎn)生相同的頻率電流，信號(hào)會(huì)發(fā)生疊加，從而影響目標(biāo)管道的磁場(chǎng)分布，導(dǎo)致磁場(chǎng)信號(hào)失真。因此，在實(shí)際工作中，應(yīng)考慮到管道的流向，在選擇校正方法時(shí)應(yīng)考慮電流方向，以保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

5提高地下金屬管道檢測(cè)精度方法的改進(jìn)

5.1注意控制同源干擾引起的誤差

在實(shí)際情況下，發(fā)射機(jī)發(fā)送的主信號(hào)會(huì)對(duì)接收到的二次場(chǎng)信號(hào)產(chǎn)生干擾。這種干擾現(xiàn)象是同源干擾。換句話說，同源干擾是當(dāng)接收器接收到電流信號(hào)時(shí)，它受到其信號(hào)磁場(chǎng)的干擾，并接收除目標(biāo)信號(hào)以外的信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，接收機(jī)應(yīng)盡可能避免靠近發(fā)射磁場(chǎng)。

5.2防止雜波干擾

雜散電磁波通常來其他頻率的干擾。在正常情況下，只有調(diào)整測(cè)試參數(shù)不能完全消除雜波干擾，并行天線方法更有效，但前提必須是研究的干擾因素來自于遠(yuǎn)雜波干擾。一般來說，兩個(gè)平行天線可以通過并聯(lián)天線方法產(chǎn)生相同的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，然后通過接收天線的響應(yīng)值的不同來避免雜波。對(duì)于來自其他頻率的干擾，可以使用窄帶濾波器來消除干擾。

6結(jié)束語

隨著工業(yè)管道建設(shè)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，非開挖技術(shù)在輻射地下管線的使用已更多方面的在管道建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用。為了保證地下管線的穩(wěn)定運(yùn)行，需要采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的檢測(cè)技術(shù)。檢測(cè)人員應(yīng)充分了解干擾探測(cè)精度客觀因素與電流磁場(chǎng)的實(shí)際分布狀況，掌握不同檢測(cè)方法的技術(shù)原理和適用條件，確保能夠靈活的根據(jù)不同檢測(cè)方法，科學(xué)地解決檢測(cè)過程中遇到的各種問題，確保檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。endprint