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        聲波檢測法在燃氣PE管線探測中的應(yīng)用

        2021-12-09 19:48:29李勇
        西部資源 2021年2期

        李勇

        摘要:由于PE管具有一系列優(yōu)點,施工方便、接口穩(wěn)定可靠、材料抗沖擊、抗開裂、耐老化、耐腐蝕等,被大量應(yīng)用于城市中、低壓燃氣管線的埋設(shè)中。由于PE管是惰性材料的原因,導(dǎo)致后期探測定位十分困難。本文通過分析幾種常規(guī)的非金屬管道探測方法及存在的問題,重點介紹聲波檢測技術(shù),并在實地開挖驗證探測技術(shù)的可行性與精度。以臨海為例,主要運用聲波探測法大范圍開展中壓管線探測,為燃氣管線信息化管理提供準(zhǔn)確的管道平面位置和埋深。

        關(guān)鍵詞:PE管;探測定位;聲波檢測法

        地下燃氣管道作為城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一,一方面關(guān)系著城市居民生活及城市工業(yè)的發(fā)展,擔(dān)負著巨大的社會責(zé)任,另一方面由于深埋于地下,管線具有不透明性、縱橫交錯、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信息量及查詢量大、使用期長、不間斷運行等特點,管理極為復(fù)雜。隨著PE管道在天然氣及供水行業(yè)的進一步普及,燃氣中/低壓管網(wǎng)由PE管逐步取代鋼管及鑄鐵管。由于PE管不導(dǎo)電,不導(dǎo)磁,無法對PE管進行追蹤,給日后的管道維修帶來了不便?,F(xiàn)今城市建設(shè)高速發(fā)展與落后的地下管道管理手段之間的矛盾也日益突出。例如因燃氣PE管道埋設(shè)情況不明而導(dǎo)致地面施工造成損壞的事故不斷發(fā)生,也造成了一些社會影響。因此,盡早、盡快查清城市燃氣埋地管道的現(xiàn)狀,全面掌握有關(guān)資料數(shù)據(jù),作為燃氣公司安全運營管理的依據(jù),已是亟待解決的問題。

        1. PE管線探測方法

        目前對燃氣PE管線的探測主要有示蹤線探測法、聲波檢測法、探地雷達及釬探法等。

        1.1示蹤線探測法

        “示蹤線”用于對PE管道的探測、追蹤及定位,一般采用金屬線芯。

        對于有“示蹤線”同PE管一起鋪設(shè)的管線,通過探測設(shè)備給“金屬線”施加信號,由探測接收機接收信號,從而找到示蹤線的準(zhǔn)確位置,即同步追蹤到PE燃氣管道的具體位置,以便對PE管道進行改造及維修。

        由于種種原因,示蹤線常出現(xiàn)斷線等情況,在PE管線探測中發(fā)揮的作用很小,但是盡管這樣,只要閥井中出露有示蹤線,應(yīng)該想辦法利用示蹤線本身尋找PE管線:

        (1)直連法無信號情況或者信號很弱,類似情況是示蹤線距離地下不遠處就已經(jīng)斷開,連接好之后,使用接收機沿信號方向探測,直到信號消失為止,獲取示蹤線的位置及深度,再嘗試使用高頻信號,能否感應(yīng)到更遠處。

        (2)連接信號很好,但是某一端探測距離不遠,類似情況應(yīng)當(dāng)把閥井內(nèi)的示蹤線斷開,形成單向信號傳輸。

        (3)在調(diào)壓箱或者小區(qū)內(nèi)連接示蹤線時,調(diào)壓箱中壓管道的示蹤線可能和低壓或者小區(qū)內(nèi)部的示蹤線放錯,如果首先連接的中壓示蹤線失效或者信號不對,應(yīng)該及時調(diào)換示蹤線重新連接或者嘗試與附近低壓出露的示蹤線連接。

        1.2聲波檢測法

        根據(jù)管線的敷設(shè)狀況,選擇接入放散閥或調(diào)壓箱等接口,對燃氣管道中的燃氣施加特殊調(diào)制的聲波震動信號,聲波震動信號在燃氣管道中順著燃氣向前傳輸,順著燃氣管道向前傳輸?shù)倪^程中也會帶動PE管的振動,PE管振動再帶動埋設(shè)管道土壤的振動,土壤振動再帶動地面振動,在遠端用接收器在地面上采集聲波震動信號的強弱,根據(jù)聲波震動信號的特性和強弱定位管道的位置。如圖1所示。該方案只能探測出平面位置,管道埋深無法探測。

        1.2.1 PE管線直線點探測方法

        由于燃氣PE管線定位儀在探測時需要與閘井的放散閥、入戶登高管上的閥門等管道外露處連接,在探測管線直線位置點時,首先根據(jù)管線外露部分判斷管線走向,沿著管線走向以3m為一段間距,沿管線剖面找出高音量區(qū)作為管線位置點,然后依次找出下一個位置點,并依次做出標(biāo)記。在無法確定管線的大致走向時,我們應(yīng)該以接入點為圓心,以3m~5m為半徑,沿著圓周線盲找,找出音量最高的點標(biāo)記為管線第一個位置點,把接入點與第一個點連接起來,就可以判斷出管線大致走向,如圖2(a)所示;在沿著管線探測時,如果走向出現(xiàn)輕微彎曲,在彎曲線附近應(yīng)當(dāng)減小探測間距,一般情況下由于聲波在管道彎曲部位,震動氣體與管壁摩擦加大,因此聲音會異常響亮。

        由于不同的土壤環(huán)境及管線填埋深度,信號強度會有所不同,在確定管線走向的情況下,選擇相對較大的點作為管線位置點。為了確保管線點的準(zhǔn)確性,通常會選取3個點,第三個點作為驗證確保管線在一條直線方向上,如圖2(b)所示。

        1.2.2 PE管線彎頭的探測方法

        在探測過程中,如果沿管道走向探測時,音量突然減弱,這時可在此點與上一個點之間詳細監(jiān)聽,找出音量最高的點即為彎頭所在位置?;蛘呋氐缴弦粋€點以此點為圓心,以3m為半徑沿圓周線盲找,在找出音量最高點后,再以此點為圓心沿圓周找出另一個音量最高的位置點,將這兩點連成一條直線。在確定兩條管線走向后,將這兩條管線延伸交匯于一點,該點即可判定為管線的拐點。此外如果在沿圓周盲探時,沒有遇到信號強點,可擴大探測半徑尋找信號,如果確定無法找到信號源,可判定此處為管道終點,此時可以在上個點沿走向詳查,找出信號最大點即為管道終點,如圖3。

        在燃氣PE管道的敷設(shè)中,常有支線分出,在進行管道探測時,需要確定出PE管道支線與主線連接的位置,即三通點的位置。聲波信號在傳輸過程中,信號逐漸衰減,遇到管道分支,信號強度有所分散;但是當(dāng)在三通位置點,由于空氣震動體量增加,傳播到路面的聲音較周圍強烈。

        探測三通點時,也可采用間接的幾何交匯法;當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)疑似三通位置時(通常在遇到三通時,三通位置信號會異常強烈),在與主管線垂直平行于主管線進行探測,找出信號最強的一個點后,在延伸方向再找出第二個信號最強點,兩點連成一條直線,用交匯法可以定出三通點的位置,如圖4。

        1.2.4不同環(huán)境探查結(jié)果

        分析燃氣PE管線定位儀探測結(jié)果,首先要了解固體材料中聲波衰減主要有以下三種原因:

        吸收衰減,傳播中質(zhì)點間的摩擦使聲能轉(zhuǎn)化為熱能造成吸收衰減,吸收衰減的大小與頻率有關(guān),頻率越高,吸收系數(shù)越大。

        散射衰減,傳播中多次反射、折射,波型轉(zhuǎn)換造成散射衰減,地下存在大的顆粒(碎石等)構(gòu)成許多聲學(xué)界面,使得聲波在這些界面產(chǎn)生多次反射、折射和波形轉(zhuǎn)換,散射衰減與散射粒子形狀、尺寸、數(shù)量和性質(zhì)有關(guān)。

        擴散衰減,傳播中波束擴散使能量分散造成衰減。

        地下管線錯綜復(fù)雜,地質(zhì)環(huán)境多變,聲波信號在不同的傳播環(huán)境下,會有不同程度的衰減;有時在復(fù)雜的噪聲環(huán)境下,定位變成一個難題,在現(xiàn)場探測時,要注意探測的環(huán)境判斷管道真正位置,并不是所有聲音信號最強的正上方就是管道位置,根據(jù)以往探測的不同界面總結(jié)了以下幾點情況。

        (1)通常情況:同質(zhì)土壤

        例如混凝土、綠草如茵的地面、路面,壓實溝槽,覆蓋層為同一種介質(zhì),接收到的信號不會因介質(zhì)差異而引起信號強弱不相同,在該過程中聲波能量大小主要與傳輸距離有關(guān),距離管道最近的位置聲波能量最強,如圖5。

        (2)特殊情況一:土壤中存在密度較低的界面

        例如管道附近存在地下空洞和軟土質(zhì)層等情況,密度較低的介質(zhì)疏松,增加了聲波散射的衰減,造成地面接收到的聲音信號弱,如圖6所示。

        (3)特殊情況二:土壤中密度較高的元素

        例如管道附近地下有石塊、混凝土、大密度區(qū)域時,由于高密度區(qū)聲波傳播能力衰減弱,這些地方出現(xiàn)聲波能量突變,往往誤判為管道位置,如圖7所示。

        (4)特殊情況:開挖溝渠埋設(shè)壓實土壤

        直埋的管道都通過開挖溝渠,回填壓實沙土、混合物形式,這種情況一般要在現(xiàn)場進行區(qū)分,第一種是回填壓實,例如回填了混凝土,即回填部分密度要高于周圍土壤密度,一般信號最強位于管道正中心;第二種情況是回填部分密度小于周圍土壤密度,如圖8,聲波信號則較為復(fù)雜,在回填界面上信號強度往往最大。

        (5)現(xiàn)場儀器探測

        通常在探測現(xiàn)場,大致確定管道走向后,在地上使用“石筆”垂直管道走向按等距標(biāo)記出若干個探測點,形成一個探測剖面,分別使用接收機獲取信號結(jié)果,并標(biāo)記地上信號大小,如圖9、圖10所示,以便分析結(jié)果,最終確定管道位置后,采用紅油漆進行標(biāo)記。

        采用聲波檢測法時,短距離內(nèi)多測量幾個截面,信號最強點的連線為管道正上方,且在換聲源放散口時,兩個探測接口位置應(yīng)該至少重復(fù)三個探測點,以了解探測系統(tǒng)誤差,并想辦法消除誤差。

        該燃氣PE管道聲波定位儀探測方案特點:

        ①因信號只能在燃氣管道中傳輸,所以這種探測方案不怕干擾,不會測錯測偏;

        ②管道所埋設(shè)土壤越均勻越硬越有利于探測;

        ③燃氣管道管徑越大燃氣管道中氣體壓力越大越有利于探測;

        ④燃氣管道拐彎越少三通越少約有利于探測。

        如下情況不容易探測出PE管道:

        ①管徑埋深超過4m的;

        ②管徑小于50mm的或者調(diào)壓箱接口小于20mm的;

        ③壓力非常小的低壓管道;

        ④地下是軟土綠化帶等軟質(zhì)地面。

        1.3地質(zhì)雷達法

        使用探地雷達探測,是通過安置在地表的發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻寬頻短脈沖電磁波,電磁波在地下介質(zhì)傳播過程中遇到與周圍介質(zhì)電性不同的管線界面時產(chǎn)生反射并被接收天線記錄下來,顯示在屏幕上形成一道雷達記錄。當(dāng)天線沿測線方向逐點移動探查時,各道記錄按測點順序排列在一起,形成一張?zhí)讲槔走_圖像,通過分析雷達剖面圖像中各反射波強度、波形特征及到達時間,可推斷地下管線的分布狀況。該方法探查精度高,不受管線材質(zhì)限制。該方法主要用于對非金屬管線(砼管、UPVC管)的探測,另外還用于解決復(fù)雜地段的管線探測和對疑難點進行確認。雷達既可以探測管道位置又可以探測出埋深。

        探地雷達探測方案特點:

        ①雷達探測出地下有管道或者其他圓柱體但是無法確定所探測出的管道或者圓柱體是不是需要探測的燃氣管道;

        ②城市里面最大探測深度2.5m,一般探測深度1.5m左右;

        ③管徑越大越有利于探測,深度和管徑之間息息相關(guān);

        ④管道所埋設(shè)土壤越均勻土壤越硬越干燥越有利于探測。

        如下情況無法探測或者不容易探測:

        ①管道管徑埋深超過2.5m,管徑小于100mm的;

        ②土壤非常不均勻有異物回填的;

        ③地面是軟土綠化帶等軟質(zhì)地面。

        地質(zhì)雷達探測法可以直接探測PE管道深度,由于聲波檢測法可以排除其他管道的干擾,在聲波檢測確定的燃氣水平面位置,再使用地質(zhì)雷達進行探測獲取PE管道深度。

        1.4開挖及釬探法

        對于復(fù)雜的管線,需要進行開挖探測,特別是多種管線交錯,儀器探測信號弱、干擾信號強的地方。對于郊區(qū)或者綠化帶內(nèi)管道可采用人工直接開挖方法,對市區(qū)內(nèi)道路下的管道,可以采用釬探法進行開挖探測、驗證。

        釬探法就是在沙土路面或松土路面上,采用燃氣PE管道專用的探棒,人工手動向下敲擊打入地面,與燃氣管道接觸的底部為特殊結(jié)構(gòu),對燃氣PE管道無破壞,探測深度可達1.6m,其頂部為46mm長塑料涂層能夠抵抗10000V的高電壓,增加了安全性,并可穿透表層最堅硬的土壤及薄瀝青路面。通過探棒深入地表后,與地下PE管道接觸,產(chǎn)生的反饋力和反彈力,從而無須開挖快速確定地下管線的準(zhǔn)確平面位置及管頂深度。

        綜合考慮,聲波檢測法和地質(zhì)雷達結(jié)合起來是目前燃氣PE管道精確探測定位行之有效的一種探測方法。利用聲波檢測法探測出燃氣PE管道的準(zhǔn)確位置,再用探地雷達在探測出的準(zhǔn)確位置上探測管道的埋深,聲波檢測法能探測出管道位置的地方探地雷達不一定能探測出管道位置和深度,可參考周圍管道井的深度,兩種方法在實地探測中需要密切配合,可探測大部分的燃氣PE管道。

        2.開挖驗證及應(yīng)用

        根據(jù)現(xiàn)場探測的標(biāo)記點開挖驗證6處,見到管線后,使用RTK直接對管體的中心進行測量,獲取RTK坐標(biāo)值,并與原探測坐標(biāo)值進行對比,計算誤差值,深度誤差開挖后直接使用卷尺量取管頂至地面深度與原探測深度進行對比(見表1)。

        3.成果及問題

        本次燃氣管線探測共完成PE管探測任務(wù)41km,開挖驗證點有6個,部分開挖驗證圖見圖11,通過對本次探測成果現(xiàn)場開挖驗證看,本次探測的成果基本準(zhǔn)確,糾正了以往偏差較大的管線圖,查明了管道管徑、材質(zhì)等資料,把位置坐標(biāo)及管線信息繪制形成一張圖,進一步完善了臨海管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,為今后管網(wǎng)信息化智能化管理打下了基礎(chǔ)。

        由于臨海的燃氣管道有很多是頂管施工,即穿越管道,在市區(qū)內(nèi)部分穿越管道較深且鋪設(shè)的環(huán)境為河道、農(nóng)田等環(huán)境,部分管道未能找到信號點。建議目前無法使用聲波探測的路段,可根據(jù)以往的圖紙資料進行重點監(jiān)護,今后有條件探測時,再補充該路段的詳細數(shù)據(jù)。

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