論聲學定位儀器與可探測警示帶定位對燃氣埋地PE管道定位的異同

張亞虎 劉松 王敬淇

【關鍵詞】聲學定位儀器;可探測警示帶;燃氣埋地PE管道;方法;原理

一、引言

本文通過列舉傳統(tǒng)的燃氣管道可探測警示帶定位方法與Gas Tracker聲學定位儀器定位方法，從兩者的原理、使用方法、優(yōu)缺點等方面綜合對比，探討埋地PE管道定位的相關問題，同時，列舉一例現(xiàn)場定位檢測實驗，測試GasTracker聲學定位儀的可靠性及實操性，并進行操作性、準確性分析。

二、可探測警示帶定位方法

（一）可探測警示帶

夾金屬可探測警示帶，是以PE聚乙烯薄膜和金屬鋁箔為基材，通常被使用在于各種直埋式燃氣管道、輸油管道、電力電纜、通訊光纜等運輸體系及信息傳輸系統(tǒng)的警示防護，起到警示作用以及對日常維護起到可跟蹤探測其位置的作用（如圖1所示）。（二）探測原理

由上式可見：警示帶產(chǎn)生的磁場強度大小B與信號電流強度I成正比，與遠離可探測警示帶中心位置的距離r成反比。當選用的材料確定后，影響探測信號強度的因素就是信號電流的大小和探測距離。以Y軸為警示帶垂直位置，X軸為地面，產(chǎn)生的感應磁場分布可以圖表形式表現(xiàn)（如下圖2所示）。

（三）探測方法

1、直接法

直接法也稱為充電法，利用可探測警示帶的出露點直接向警示帶充電。此方法信號強，定位、定深精度高，易區(qū)分相鄰管道，但警示帶必須要有出露點和良好的接地條件。

2、感應法

該方法不要求可探測警示帶有出漏點，根據(jù)實地條件又可分為直接感應法和壓線法兩種情況。

（1）直接感應法：把發(fā)射機直接放到可探測警示帶的正上方施加信號，該方法優(yōu)點是探測效率高、不需要有出露點，但易受臨近管道的干擾。

（2）壓線法：利用發(fā)射機發(fā)射線圈正交于干擾管道，不向干擾管道施加信號的特性，靈活改變發(fā)射機的放置位置，抑制非可探測警示帶的信號，達到加強可探測警示帶信號的方法。該方法對與多條管道交叉以及近距離平行等疑難管道探測具有較好的效果，同時，根據(jù)管道的埋設特點又可分為水平壓線法、傾斜壓線法和垂直壓線法三種方法。

三、Gas Tracker聲學定位儀器的定位方法

Gas Tracker地下PE管線聲學定位儀基于聲波傳播原理，應用特定傳感器及信號分析軟件跟蹤燃氣用PE埋地管道，確定管道位置及走向。

（一）產(chǎn)品組成：包括發(fā)射裝置及接收裝置兩大基礎系統(tǒng)設備（如圖3所示）：

其中，發(fā)射裝置包含控制器、內(nèi)部電池、用于連接發(fā)射器和共振箱的橙色線纜、充電插頭、充電線纜及共振箱;接收裝置包含手持型接收器、地面監(jiān)聽器、手持桿及充電器。

（二）工作原理

設備共振箱連接管道，以管道內(nèi)氣體為介質(zhì)在管道中傳輸聲波信號，共振箱內(nèi)的共振膜產(chǎn)生一個帶有特殊標識的聲波信號，聲波帶動其附近的氣體粒子振動，振動粒子間相互傳播形成共振，聲波信號在管道內(nèi)向前傳輸，最終通過管道經(jīng)土壤傳播至地表，通過接收裝置截獲型號。由于是通過聲波震動形成信號數(shù)據(jù)，對于傳輸介質(zhì)有一定要求，例如土壤條件越好，越能測得準確數(shù)值，若橫向?qū)Ρ?，則夯實土壤較松軟土壤檢測效果好、傳輸距離遠。

（三）操作方法

1、聲波發(fā)射環(huán)節(jié)

第一步：選擇管道連接口，如調(diào)壓箱放散閥、閘井放散閥、入戶管道等;第二步：使用轉(zhuǎn)接頭將共振箱與管道連接，并確保接頭位置密封無泄漏;第三步：打開共振箱閥門，緩慢打開管道閥門約5秒，排出共振箱中空氣后關閉共振箱閥門，再完全打開管道閥門;第四步：使用橙色連接線連接共振箱與發(fā)射器，按下綠色按鈕開機，開始發(fā)射聲波（如圖4-a所示）。

2、信號接收環(huán)節(jié)

第一步：使用連接器插頭將手持接收機與監(jiān)聽裝置連接;第二步：按下綠色按鈕、打開手持接收器，進入待機狀態(tài);第三步：使用prelocate模式，快速確認管道探測區(qū)域;第四步：測得管道大致位置后，打開Pinpoint精確定位模式，找到管道并在地面上進行標記（如圖4-b所示）。

（四）定位方法

1、初步定位

以接入點為圓心做一個圓（半徑大約3-5米）確定管線的大致走向，打開接收器，切換到預定位模式，沿曲線盲找，尋找到信號值最大的點，將其作為第一個管道上的點。找出的這個點位于管道正上方，將接入點與第一個點連接，這個方向就是管道的大致走向。

2、精確定位

以圖5為例，參照47%的點，在與管線走向垂直的方向上，至少定位3個點，如：22%、47%、31%，找出相對最高點47%，就是管線所在位置。依次類推找出更多點，通過找到的點畫一個平均線，所得到的平均線就是管線的走向和位置。如果在直線方向沒有找到下一個有效信號點，可判斷管線截止或拐彎。以61%的點為圓心，作一條圓弧曲線，沿著圓弧曲線方向進行檢測，出現(xiàn)圖中的情況，再次找到信號較強的點，圖示為71%這個點，則證明管線在這個地方存在彎曲。如果仍舊檢測不到信號，就可以簡單的判斷管線在該位置為終點。

四、檢測實例

（一）試用地點一：A區(qū)兩條城區(qū)主干道交叉口西南角（如圖6所示）

信號源接入點：前進東路南側(cè)人行道上一處閘井

如下圖所示，紅線為埋地PE管道位置和走向，即本次定位管道。此次定位以驗證管位為主，整個檢測過程持續(xù)約40分鐘、非常迅速，準確定位了約200米管道。

（二）試用地點二：A區(qū)西鐵興盛小區(qū)

如下圖所示，使用Gas Tracker聲學定位儀之前，施工單位參照竣工圖紙，為尋找碰口點，經(jīng)過2天的挖掘已開挖出一處3米長、1米寬、1.5米深的作業(yè)坑，但由于圖紙繪制粗糙、原有參照物拆除、可探測警示帶未接電等原因，一直未找到原有埋地PE管道，給正常的碰口通氣工作造成困難。

信號源接入點：小區(qū)大門前約20米處一座中壓閥井

通過使用Gas Tracker聲學定位儀對埋地PE管道走向具體定位后，施工人員按照指示位置，繼續(xù)向下開挖了約0 5米，即挖出碰口作業(yè)尋找的管道（該管道于2014年前后建成、DE160口徑、SDR11規(guī)格，埋深約2米，可探測警示帶已破損），驗證了Gas Tracker定位的準確性（如圖7所示）。

（三）試用地點三：B縣安置小區(qū)內(nèi)

信號源接入點：樓棟旁調(diào)壓箱

該小區(qū)庭院中壓管道上一處閥井在調(diào)壓箱下方，閥井附近一段長約2米的埋地PE管道，計劃與新建的一段中壓管道碰口，為安置小區(qū)內(nèi)剩余用戶供氣?，F(xiàn)場已開挖出5米長、0 8米寬、1，5米深的作業(yè)坑尋找碰口點，耗時兩天、仍未挖出管道，由于庭院中壓管道走向圖繪制簡易、無參照物、無可探測警示帶，施工單位暫停了開挖工作，正在尋找其他解決方案。通過使用Gas Tracker聲學定位儀對埋地PE管道走向具體定位后，施工人員按照定位儀指示位置進行開挖，但挖至1.5米深處時仍未發(fā)現(xiàn)管道，再次進行走向校準后，向調(diào)壓箱相反方向平移約0.5米，擴大開挖范圍及深度繼續(xù)挖掘，挖至2米深時發(fā)現(xiàn)了碰口作業(yè)尋找的管道（該管道于2011年前后建成、DE110口徑、SDR11規(guī)格，埋深約2米，無可探測警示帶），驗證了Gas Tracker定位的準確性（如圖8所示）。

誤差原因分析：通過開挖現(xiàn)場照片可以發(fā)現(xiàn)，管道正上方約0.4米處（紅色圓圈標記），有一個厚度約8公分的水泥板夾層。此夾層走向與管道基本相同，覆蓋在管道正上方，受此影響導致聲波信號自管道內(nèi)向地表傳輸過程中發(fā)生了偏移。

五、結(jié)語

可探測警示帶定位法與Gas Tracker聲學定位儀定位法工作原理均為：信號源發(fā)射信號，通過傳播介質(zhì)傳遞管線位置信號，由接收裝置分析接收到的信息，最終通過信號強度大小來判斷管位。區(qū)別點如下：

（一）Gas Tracker聲學定位儀器

連接共振箱及發(fā)射器發(fā)出聲音信號，通過打開的放散閥等管道接口進入管道天然氣中，由操作人員進行工藝連接。

（二）可探測警示帶

5.2.1直接法—一將可探測警示帶與電信號發(fā)射器連接;

5.2.1間接法——將感應裝置放于可探測警示帶上方產(chǎn)生率，L：材料的長度，S：可探測警示帶橫截面積）。無論是直接法還是間接法，對可探測警示帶完好性、接地性都有較高要求，如因可探測警示帶接地性差，造成感應電流過小，則無法達到檢測儀器的最小識別程度，出現(xiàn)識別失敗。相反的，若可探測警示帶接地良好、外圍絕緣性能優(yōu)良則不會產(chǎn)生電流衰減，全程產(chǎn)生均等磁場，可以根據(jù)測試儀器檢測出可探測警示帶具體埋深位置。

兩相比較，可以看出：Gas Tracker聲學定位儀器具有定位準確性較高、聲音衰減不可避免、一次測量長度有限、遏管道上方地質(zhì)環(huán)境突變易產(chǎn)生測量誤差需修正參數(shù)的特點。可探測警示帶對完好性、接地性要求較高，若因前期施工不規(guī)范斷裂、偏移、絕緣層損壞、接地不良等情況則無法測量，如使用間接法還會因臨近金屬管道產(chǎn)生感應磁場干涉而無法確定管位，綜合對比，Gas Tracker聲學定位法更便于定位和準確度更高。

各城市燃氣公司可結(jié)合自身運營情況、管網(wǎng)體量及城區(qū)環(huán)境復雜程度，綜合考慮使用兩種定位方法，若使用GasTracker聲學定位儀器則需要一次性投入設備購置費用，培訓員工熟練掌握測量方法，并結(jié)合竣工圖繪制詳細的管網(wǎng)走向圖，同時，定期復測、更新數(shù)據(jù)、實現(xiàn)與SCADA等控制系統(tǒng)的信息互用;若沿用傳統(tǒng)的可探測警示帶定位法，則須加強施工現(xiàn)場管理，從敷設、下溝、回填等施工環(huán)節(jié)進行全面管控，確保可探測警示帶與埋地管道走向吻合，且不斷裂、偏移、損毀，日常巡檢對接地預留口進行保養(yǎng)維護，同時密切關注第三方施工、占壓等對可探測警示帶的破壞，及時修補、更換。