孫寶財 荊 煬 張正棠

（甘肅省特種設(shè)備檢驗檢測研究院）

近年來， 埋地金屬管道的探測方法多種多樣，相關(guān)探測技術(shù)也較為完善，而埋地非金屬管道探測技術(shù)還處于起步階段。 埋地非金屬管道本身材質(zhì)具有無磁性、不導(dǎo)電的特質(zhì)，這就決定了對于非金屬管道探測技術(shù)的研究無法借鑒常規(guī)金屬管道的探測設(shè)備和相關(guān)技術(shù)理論。 目前，大多埋地非金屬管道位置不明， 尤其是油氣管道，一旦受外界破壞造成泄漏，將會產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患，影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。 因此，研究一種準(zhǔn)確、便捷、迅速定位埋地非金屬管道的探測技術(shù)，是當(dāng)下亟待解決的問題［1～5］。

1 埋地非金屬管道探測方法

1.1 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)法通過發(fā)出和接收的電磁波，對其覆蓋的地下區(qū)域內(nèi)介電常數(shù)不同的物質(zhì)進(jìn)行導(dǎo)電性探測，確定地質(zhì)目標(biāo)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而區(qū)分出地下管道［4］。 雷達(dá)波的頻率與所探測目標(biāo)的分辨率正相關(guān)，而與衰減速度、探測范圍負(fù)相關(guān)［6～9］。

探地雷達(dá)通過發(fā)射天線將1 MHz～1 GHz 的高頻電磁波以平面波的形式傳入地下，被地下具有電差異性的目標(biāo)物質(zhì)反射后以反射回波的形式被接收天線接收，如圖1 所示［10］。 雷達(dá)主機能夠準(zhǔn)確地記錄反射回波關(guān)鍵參數(shù)特征， 如時間、波長、相位和振幅，然后對采集的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)參數(shù)轉(zhuǎn)化成圖像，掃描圖像進(jìn)行分析，即可清晰地判斷出地下目標(biāo)的特性和位置。

圖1 探地雷達(dá)法原理示意圖

1.2 聲學(xué)管道定位法

如圖2 所示，運用聲學(xué)管道定位儀APL 進(jìn)行管道定位時，通過發(fā)射器向地面發(fā)射一束短聲波脈沖，脈沖遇到任何不連續(xù)阻抗或帶有不匹配聲波阻抗時會發(fā)生反射，并且在管道內(nèi)壁和氣體的接觸面間形成全反射，而在土壤與管道外壁接觸面間的反射系數(shù)較低，接收器接收表面波和管道反射波，經(jīng)數(shù)據(jù)分析即可得到聲波圖像［11～13］。

圖2 聲學(xué)管道定位法原理示意圖

聲學(xué)管道定位法是基于波的傳播與反射原理實現(xiàn)的， 這種探測原理既可以探測金屬管，又可以探測非金屬管。 然而，這種波的傳播特性使得聲學(xué)管道定位法具有一定的局限性，例如對于較為疏松的土層結(jié)構(gòu)、土壤存在明顯的分層或者較大的空隙、空洞等都會形成干擾信號，對探測結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。 不同于探地雷達(dá)法，該方法在應(yīng)用時地下介質(zhì)的電導(dǎo)率對聲波反射的影響可以忽略不計［14］。

2 探地雷達(dá)法與聲學(xué)管道定位法對比

2.1 多根管道探測效果對比

圖3、4 分別為某油田采油廠集輸總線管道APL 顯示圖像、雷達(dá)顯示圖像。 從圖3 可以看出，有兩處較為強烈的信號反射，說明有兩根疑似管道； 而圖4 則顯示存在3 個較為明顯的異常信號，說明有3 根疑似管道，其中兩根管道間距較近，另一根管道距離較遠(yuǎn)。 應(yīng)用兩種方法對存在多跟管線的同一位置進(jìn)行探測，可以看出兩種方法對于相鄰很近的管線均有較為明顯的信號顯示，說明距離相近的管線并不會對電磁波的傳播以及聲波的傳導(dǎo)產(chǎn)生較大干擾，也證明這兩種方法均適用于同溝敷設(shè)的管道探測，同時間接表明管道本身不會產(chǎn)生信號干擾。

圖3 集輸總線管道APL 顯示圖像

圖4 集輸總線管道雷達(dá)顯示圖像

2.2 回填區(qū)域管段探測效果對比

圖5 為回填土地段管道雷達(dá)顯示圖像。 由圖5 可以看出，由于該位置管線被大量回填物覆蓋，地表環(huán)境復(fù)雜，因此無法從雷達(dá)圖中判斷出目標(biāo)管道的位置。 分析主要的干擾物為混凝土石塊、廢棄管段、回填石塊及磚塊等。

圖5 回填土地段管道雷達(dá)顯示圖像

圖6 為在相同位置處得到的APL 顯示圖像。圖6 中反射信號較為雜亂，在第5 個切片（聲學(xué)管道定位儀操作時要平放在地面上，以便與地面形成較好的耦合， 按動按鍵發(fā)射一束聲波脈沖，這個過程稱為一個切片）處反射信號較強，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗判斷第5 號切片處可能存在管道。

圖6 回填土地段管道APL 顯示圖像

綜上所述，探地雷達(dá)法和聲學(xué)管道定位法對于后期回填不密實或回填土里大塊雜物較多的情況均無法進(jìn)行有效探測。

2.3 管道直徑與埋深對探測效果的影響

在埋深1.5 m、敷設(shè)環(huán)境較為簡單、回填土密實且均為細(xì)沙、含石塊顆粒較少的情況下，APL顯示圖像（圖7）中的反射信號強烈，管道探測效果明顯，說明單一地表環(huán)境下使用APL 聲學(xué)定位設(shè)備可以定位公稱直徑較小的管道；而采用探地雷達(dá)法卻無法定位該管道（圖8 中無明顯信號顯示）， 說明在埋深較深時探地雷達(dá)無法對小管徑管道進(jìn)行有效探測。 實際上，探地雷達(dá)的最大有效探測深度為2 m，超過2 m 時則無法探測。

圖7 注水管線穿路段APL 顯示圖像

圖8 注水管線穿路段雷達(dá)顯示圖像

3 結(jié)束語

從探地雷達(dá)法與聲學(xué)管道定位法的原理上來說， 兩者在理想環(huán)境下均可對目標(biāo)管道進(jìn)行有效探測，但其本身也具有各自的局限性。從原理角度分析，兩種方法的主要影響因素如下：

a. 運用探地雷達(dá)法進(jìn)行管道定位，影響傳播距離的主要因素有3 個，分別為介電常數(shù)、電導(dǎo)率和電磁波頻率。 由于衰減系數(shù)與電磁波的頻率成正比，也就是說電磁波頻率越高，衰減速度越快，有效探測距離就越短，因此探測時應(yīng)盡量選擇低頻；當(dāng)頻率一定時，相對介電常數(shù)和介質(zhì)電導(dǎo)率越大，衰減速度越快，有效探測距離就越短。 相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率均與管道周圍土壤質(zhì)地有關(guān)，故其探測分辨率受管道外徑、管道周圍土壤質(zhì)地的影響較大。 此外，基于波的干涉原理，其探測靈敏度與管道埋深密不可分，埋地過深或管徑較小的目標(biāo)難以探測。

b. 運用聲學(xué)管道定位法進(jìn)行管道定位，由于其不需要在目標(biāo)管道上施加信號，且對管道材料無要求，對土壤質(zhì)地?zé)o依賴性，所以其探測時不會受其他因素制約，唯一需要注意的是該方法無法實現(xiàn)盲探，需明確管道的大致范圍。

從現(xiàn)場定位結(jié)果來看，聲學(xué)管道定位法和探地雷達(dá)法需在知道管位大致走向的情況下使用，用于確定部分管段的位置。 當(dāng)埋地管道所屬區(qū)域完全未知時，則無法進(jìn)行有效探測。 探地雷達(dá)法與聲學(xué)管道定位法均無法實現(xiàn)整條管線的示蹤，只能對某些特征位置短距離走向進(jìn)行確認(rèn)，且兩種定位方法只能探測土壤下方是否存在管道，但對于其是否是目標(biāo)管道則無法進(jìn)行判斷。 另外，受山地地形所限，在溝壑、邊坡、凹陷、雜草及潮濕等地標(biāo)環(huán)境下無法使用探地雷達(dá)進(jìn)行探測；邊坡處無法使用聲學(xué)管道定位法進(jìn)行探測。 聲學(xué)管道定位法和探地雷達(dá)法均可以對金屬管道和非金屬管道進(jìn)行定位，但無法區(qū)分金屬管道與非金屬管道。