葉宇峰 陳 偉 王鋒淮 嚴(yán)俊偉

（1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院；2.浙江省特種設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國(guó)先后經(jīng)歷了3次油氣管線建設(shè)的高峰期［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2018年年底，我國(guó)累計(jì)建設(shè)油氣長(zhǎng)輸管道里程數(shù)為13.6萬(wàn)公里。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委和能源局發(fā)布的《中長(zhǎng)期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，到2025年，我國(guó)油氣管網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到24萬(wàn)公里，其中原油、成品油、天然氣管道里程分別為3.7萬(wàn)公里、4.0萬(wàn)公里、16.3萬(wàn)公里［2］。

長(zhǎng)輸管線在穿越鐵路、公路及江河等時(shí)會(huì)加大埋設(shè)深度，特別是定向鉆穿越施工技術(shù)的普及，使得大跨距超埋深的金屬管線線纜數(shù)量急劇增加［3］，同時(shí)要在管線運(yùn)行管理和后續(xù)的工程施工環(huán)節(jié)中對(duì)這些超埋深管線進(jìn)行定位測(cè)深。傳統(tǒng)的管線儀測(cè)量超過(guò)10 m埋深的管線時(shí)測(cè)量精度會(huì)大幅降低，無(wú)法滿足工程測(cè)量的精度要求；而打探測(cè)井的測(cè)量方法，同樣需要事先定位管道的位置走向，且要面臨施工難度大、工程費(fèi)用高及施工周期長(zhǎng)等難題［4］。因此，工程行業(yè)迫切需要一種能夠在不打探孔的前提下，高精度實(shí)現(xiàn)管線定位和埋深測(cè)量的技術(shù)。

1 超埋深管線電磁法定位面臨的挑戰(zhàn)

電磁法定位常規(guī)埋設(shè)的金屬管線是一項(xiàng)成熟的定位技術(shù)。其原理是應(yīng)用信號(hào)發(fā)射機(jī)在埋地管道與接地極之間施加某一頻率的交變電壓，將檢測(cè)信號(hào)電流發(fā)射到待檢測(cè)的管道上并使用信號(hào)接收機(jī)應(yīng)用峰/谷值探測(cè)模式在地面上精確定位出管線的路由和走向［5］。通過(guò)接收機(jī)的兩組豎直布置的水平線圈測(cè)量感應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度差，將該信號(hào)輸入擬合公式中便可計(jì)算出埋地管道中心距離底部線圈的距離。

該管道電磁定位和埋深測(cè)量方法具有操作簡(jiǎn)單、施工成本低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)埋深在10 m內(nèi)的管道測(cè)量精度能夠滿足工程技術(shù)要求，但對(duì)于埋深超出10 m的大埋深管道，該方法往往只能給出管道埋深參考區(qū)間而無(wú)法精確定位管道的埋深，這主要是因?yàn)樵陂L(zhǎng)跨度大埋深的穿越管道檢測(cè)中，電磁定位方法尚需解決以下技術(shù)難題：

a.信號(hào)強(qiáng)度。影響管道埋深測(cè)量精度的首要因素是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)的信噪比。對(duì)于超埋深管線定位，需對(duì)管道施加比小埋深管道大得多的檢測(cè)信號(hào)［6］。但由于超埋深管線往往會(huì)伴隨大跨距，因此不能近距離給管線施加檢測(cè)信號(hào)，導(dǎo)致普通管線探測(cè)儀的信號(hào)發(fā)射機(jī)因?yàn)楣β实南拗坪痛罂缍鹊膽?yīng)用場(chǎng)景而難以為超埋深管線建立足夠的檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，致使測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的信噪比很小，難以實(shí)現(xiàn)超埋深管線的高精度定位和埋深測(cè)量。

b.測(cè)量傳感器精度。磁芯線圈作為普通定位接收機(jī)的信號(hào)拾取裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、輸出信號(hào)強(qiáng)及后繼信號(hào)調(diào)理電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但這類(lèi)線圈靈敏度低，基于此構(gòu)成的管線儀對(duì)弱信號(hào)的反應(yīng)不靈敏，在后繼信號(hào)調(diào)理和抗干擾電路的構(gòu)成環(huán)節(jié)上數(shù)字濾波算法難以取得良好的應(yīng)用效果。

c.測(cè)量線圈布置形式。電磁法測(cè)量管線埋設(shè)深度時(shí)依靠的是上、下兩組線圈上感應(yīng)電流的強(qiáng)度差。常規(guī)探測(cè)儀上、下兩組線圈的間距一般在40 cm以內(nèi)。但對(duì)于埋深超過(guò)10 m的管道，上、下兩組線圈間距過(guò)小則難以形成足夠的測(cè)量差值，進(jìn)而直接影響深度測(cè)量值的有效精度。為提高超深管線的探測(cè)能力，需加大上、下線圈的布置間距。

2 提高電磁法定位精度的技術(shù)途徑

2.1 衛(wèi)星同步信號(hào)發(fā)射技術(shù)

為解決大埋深、長(zhǎng)跨度埋地、水下穿越金屬管道探測(cè)信號(hào)因衰減導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度和傳輸距離無(wú)法滿足探測(cè)要求的問(wèn)題，采用GPS衛(wèi)星信號(hào)同步管道探測(cè)信號(hào)發(fā)射裝置。該裝置通過(guò)接收GPS秒脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)輸出探測(cè)信號(hào)在時(shí)序上的嚴(yán)格同步，使兩臺(tái)發(fā)射機(jī)給管道施加的檢測(cè)電流能夠完全同步疊加，實(shí)現(xiàn)管道上檢測(cè)電流在傳輸過(guò)程中的相互補(bǔ)強(qiáng)，從而增加探測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度，增大對(duì)管道的有效探測(cè)深度和距離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大埋深、長(zhǎng)跨度穿越管道的準(zhǔn)確探測(cè)［7］。

同步模式是指使用多臺(tái)發(fā)射機(jī)為檢測(cè)段管道同時(shí)施加低頻電流信號(hào)，發(fā)射機(jī)之間通過(guò)衛(wèi)星授時(shí)功能來(lái)同步施加信號(hào)，從而加強(qiáng)管道中的檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度。同步模式可以選擇在檢測(cè)段的同一位置為其施加檢測(cè)信號(hào)，也可以選擇在檢測(cè)段的兩端為其施加檢測(cè)信號(hào)。同步模式不僅局限于兩臺(tái)發(fā)射機(jī)同時(shí)為檢測(cè)段加載信號(hào)，亦可多臺(tái)發(fā)射機(jī)同時(shí)為檢測(cè)段加載信號(hào)［8］。圖1為雙側(cè)同步模式發(fā)射機(jī)連接示意圖。雙側(cè)同步模式是指將多臺(tái)發(fā)射機(jī)分別放置在管道的兩處測(cè)試樁位置為檢測(cè)段施加檢測(cè)信號(hào)。將發(fā)射機(jī)全部連接GPS天線并開(kāi)啟同步模式，此時(shí)發(fā)射機(jī)對(duì)管道施加電流信號(hào)并產(chǎn)生疊加效果。若TP1測(cè)試樁位置發(fā)射機(jī)綠色信號(hào)輸出線接管道，黃色信號(hào)輸出線接地極，則TP2測(cè)試樁發(fā)射機(jī)綠色信號(hào)輸出線接地極，黃色信號(hào)輸出線接管道。兩處測(cè)試樁發(fā)射機(jī)信號(hào)輸出線與管道和地極的連接順序需相反，否則兩臺(tái)發(fā)射機(jī)的輸出電流將產(chǎn)生相互抵消的效果。

圖1 雙側(cè)同步模式發(fā)射機(jī)連接示意圖

2.2 空芯測(cè)量線圈的應(yīng)用

磁芯線圈作為傳統(tǒng)管線定位接收機(jī)的信號(hào)拾取裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、輸出信號(hào)強(qiáng)及后繼信號(hào)調(diào)理電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但這類(lèi)線圈普遍具有靈敏度低的缺點(diǎn)，基于此構(gòu)成的管線儀對(duì)弱信號(hào)的反應(yīng)不靈敏，難以用于后繼信號(hào)調(diào)理和抗干擾電路的構(gòu)成以及數(shù)字濾波算法的應(yīng)用［9］?？招揪€圈是利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行作業(yè)的器材，具有體積小巧且電感頻率影響小的特點(diǎn)。當(dāng)電流流過(guò)線圈導(dǎo)線時(shí)，會(huì)在導(dǎo)線的周?chē)a(chǎn)生一定的電磁場(chǎng)，而這個(gè)電磁場(chǎng)的導(dǎo)線本身又會(huì)對(duì)處在這個(gè)電磁場(chǎng)范圍內(nèi)的導(dǎo)線產(chǎn)生感應(yīng)效果［10］。

2.3 測(cè)量線圈大間距布置方法

將超深管線定位儀的上、下兩組測(cè)深線圈的間距增加到100 cm并配合使用高精度空芯線圈以及后繼信號(hào)調(diào)理和數(shù)字濾波技術(shù)，可有效提升超深管道的測(cè)量范圍和測(cè)量精度［11］。在檢測(cè)信號(hào)良好的前提下，超深管線的探測(cè)深度達(dá)到40 m。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量可知，該設(shè)備對(duì)1～10 m埋深管道的測(cè)深精度優(yōu)于2%；對(duì)10～20 m埋深管道的測(cè)量精度達(dá)到5%；對(duì)20～40 m埋深管道的測(cè)量精度優(yōu)于10%。

3 應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用大埋深金屬管道高精度電磁法定位技術(shù)，對(duì)穿越龍河的天津天然氣管道進(jìn)行檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中接收機(jī)在管線正上方行走，沿管線走向?qū)芫€進(jìn)行切向運(yùn)動(dòng)，觀察信號(hào)響應(yīng)最大值即為管線正上方，按下測(cè)量鍵對(duì)當(dāng)前位置的埋深和電流進(jìn)行測(cè)量。對(duì)200 m的穿越段進(jìn)行定位和測(cè)深，發(fā)現(xiàn)管道埋深處于10.0～23.2 m范圍內(nèi)，最深點(diǎn)處測(cè)量值與探井的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，二者之間的誤差小于5%。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)超埋深管線定位和測(cè)深存在的技術(shù)難點(diǎn)，結(jié)合衛(wèi)星同步信號(hào)發(fā)射裝置，采用高精度空芯線圈、優(yōu)化線圈間距等技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種改進(jìn)的超埋深管道定位和測(cè)深技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，通過(guò)多場(chǎng)景對(duì)比證明了筆者所提技術(shù)具有操作便捷、探測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)，可為管道行業(yè)和工程單位提供可靠的技術(shù)保障。