改進型大埋深金屬管道高精度電磁法定位技術(shù)

葉宇峰 陳 偉 王鋒淮 嚴俊偉

（1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院；2.浙江省特種設(shè)備安全檢測技術(shù)研究重點實驗室）

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展和城市化進程的不斷推進，我國先后經(jīng)歷了3次油氣管線建設(shè)的高峰期［1］。據(jù)統(tǒng)計，截止2018年年底，我國累計建設(shè)油氣長輸管道里程數(shù)為13.6萬公里。根據(jù)國家發(fā)改委和能源局發(fā)布的《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，到2025年，我國油氣管網(wǎng)規(guī)模將達到24萬公里，其中原油、成品油、天然氣管道里程分別為3.7萬公里、4.0萬公里、16.3萬公里［2］。

長輸管線在穿越鐵路、公路及江河等時會加大埋設(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］，同時要在管線運行管理和后續(xù)的工程施工環(huán)節(jié)中對這些超埋深管線進行定位測深。傳統(tǒng)的管線儀測量超過10 m埋深的管線時測量精度會大幅降低，無法滿足工程測量的精度要求；而打探測井的測量方法，同樣需要事先定位管道的位置走向，且要面臨施工難度大、工程費用高及施工周期長等難題［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，高精度實現(xiàn)管線定位和埋深測量的技術(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)的金屬管線是一項成熟的定位技術(shù)。其原理是應(yīng)用信號發(fā)射機在埋地管道與接地極之間施加某一頻率的交變電壓，將檢測信號電流發(fā)射到待檢測的管道上并使用信號接收機應(yīng)用峰/谷值探測模式在地面上精確定位出管線的路由和走向［5］。通過接收機的兩組豎直布置的水平線圈測量感應(yīng)信號強度差，將該信號輸入擬合公式中便可計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量方法具有操作簡單、施工成本低等優(yōu)點，對埋深在10 m內(nèi)的管道測量精度能夠滿足工程技術(shù)要求，但對于埋深超出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)間而無法精確定位管道的埋深，這主要是因為在長跨度大埋深的穿越管道檢測中，電磁定位方法尚需解決以下技術(shù)難題：

a.信號強度。影響管道埋深測量精度的首要因素是現(xiàn)場檢測信號的信噪比。對于超埋深管線定位，需對管道施加比小埋深管道大得多的檢測信號［6］。但由于超埋深管線往往會伴隨大跨距，因此不能近距離給管線施加檢測信號，導(dǎo)致普通管線探測儀的信號發(fā)射機因為功率的限制和大跨度的應(yīng)用場景而難以為超埋深管線建立足夠的檢測信號強度，致使測量現(xiàn)場的信噪比很小，難以實現(xiàn)超埋深管線的高精度定位和埋深測量。

b.測量傳感器精度。磁芯線圈作為普通定位接收機的信號拾取裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、輸出信號強及后繼信號調(diào)理電路簡單等特點。但這類線圈靈敏度低，基于此構(gòu)成的管線儀對弱信號的反應(yīng)不靈敏，在后繼信號調(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.測量線圈布置形式。電磁法測量管線埋設(shè)深度時依靠的是上、下兩組線圈上感應(yīng)電流的強度差。常規(guī)探測儀上、下兩組線圈的間距一般在40 cm以內(nèi)。但對于埋深超過10 m的管道，上、下兩組線圈間距過小則難以形成足夠的測量差值，進而直接影響深度測量值的有效精度。為提高超深管線的探測能力，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)星同步信號發(fā)射技術(shù)

為解決大埋深、長跨度埋地、水下穿越金屬管道探測信號因衰減導(dǎo)致信號強度和傳輸距離無法滿足探測要求的問題，采用GPS衛(wèi)星信號同步管道探測信號發(fā)射裝置。該裝置通過接收GPS秒脈沖信號實現(xiàn)輸出探測信號在時序上的嚴格同步，使兩臺發(fā)射機給管道施加的檢測電流能夠完全同步疊加，實現(xiàn)管道上檢測電流在傳輸過程中的相互補強，從而增加探測信號的強度，增大對管道的有效探測深度和距離，從而實現(xiàn)對大埋深、長跨度穿越管道的準確探測［7］。

同步模式是指使用多臺發(fā)射機為檢測段管道同時施加低頻電流信號，發(fā)射機之間通過衛(wèi)星授時功能來同步施加信號，從而加強管道中的檢測信號強度。同步模式可以選擇在檢測段的同一位置為其施加檢測信號，也可以選擇在檢測段的兩端為其施加檢測信號。同步模式不僅局限于兩臺發(fā)射機同時為檢測段加載信號，亦可多臺發(fā)射機同時為檢測段加載信號［8］。圖1為雙側(cè)同步模式發(fā)射機連接示意圖。雙側(cè)同步模式是指將多臺發(fā)射機分別放置在管道的兩處測試樁位置為檢測段施加檢測信號。將發(fā)射機全部連接GPS天線并開啟同步模式，此時發(fā)射機對管道施加電流信號并產(chǎn)生疊加效果。若TP1測試樁位置發(fā)射機綠色信號輸出線接管道，黃色信號輸出線接地極，則TP2測試樁發(fā)射機綠色信號輸出線接地極，黃色信號輸出線接管道。兩處測試樁發(fā)射機信號輸出線與管道和地極的連接順序需相反，否則兩臺發(fā)射機的輸出電流將產(chǎn)生相互抵消的效果。

圖1 雙側(cè)同步模式發(fā)射機連接示意圖

2.2 空芯測量線圈的應(yīng)用

磁芯線圈作為傳統(tǒng)管線定位接收機的信號拾取裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、輸出信號強及后繼信號調(diào)理電路簡單等特點。但這類線圈普遍具有靈敏度低的缺點，基于此構(gòu)成的管線儀對弱信號的反應(yīng)不靈敏，難以用于后繼信號調(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］。空芯線圈是利用電磁感應(yīng)原理進行作業(yè)的器材，具有體積小巧且電感頻率影響小的特點。當電流流過線圈導(dǎo)線時，會在導(dǎo)線的周圍產(chǎn)生一定的電磁場，而這個電磁場的導(dǎo)線本身又會對處在這個電磁場范圍內(nèi)的導(dǎo)線產(chǎn)生感應(yīng)效果［10］。

2.3 測量線圈大間距布置方法

將超深管線定位儀的上、下兩組測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調(diào)理和數(shù)字濾波技術(shù)，可有效提升超深管道的測量范圍和測量精度［11］。在檢測信號良好的前提下，超深管線的探測深度達到40 m。通過現(xiàn)場實際測量可知，該設(shè)備對1～10 m埋深管道的測深精度優(yōu)于2%；對10～20 m埋深管道的測量精度達到5%；對20～40 m埋深管道的測量精度優(yōu)于10%。

3 應(yīng)用實例

應(yīng)用大埋深金屬管道高精度電磁法定位技術(shù)，對穿越龍河的天津天然氣管道進行檢測?，F(xiàn)場檢測過程中接收機在管線正上方行走，沿管線走向?qū)芫€進行切向運動，觀察信號響應(yīng)最大值即為管線正上方，按下測量鍵對當前位置的埋深和電流進行測量。對200 m的穿越段進行定位和測深，發(fā)現(xiàn)管道埋深處于10.0～23.2 m范圍內(nèi)，最深點處測量值與探井的測量結(jié)果進行對比，二者之間的誤差小于5%。

4 結(jié)束語

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