地層剖面儀在地下金屬管線檢測中的應用

孟山雅

（中海油能源發(fā)展采辦共享中心，天津 300452）

地下金屬管道從其設計、施工到使用中，受一些因素影響其安全隱患較大，且由于其所處位置特殊，導致無法肉眼觀察到管道問題。

1 地下金屬管道檢測常用技術手段

1.1 地下金屬管道管內檢測技術

管內檢測主要采用在線檢測技術，應用各種管內檢測儀器設備。可在不停止生產情況下檢測，及時發(fā)現管道存在隱患以及隱患部位。

首先是變形檢測清管器，可以檢測管道幾何和斷面變形情況、存在的屈曲和彎折現象等。國外智能檢測清管器可以執(zhí)行變形檢測，檢測管道幾何變形與金屬腐蝕。其次是管壁腐蝕檢測清管器，地下金屬管道輸送介質會腐蝕管壁，管壁腐蝕檢測清管器主要檢測內壁腐蝕情況。管道更換維修的主要原因就是管壁腐蝕、裂紋等，因此加強管壁腐蝕檢測十分必要。

1.2 地下金屬管道管外檢測技術

地下金屬管道所處環(huán)境因地形條件限制而有所差異，需采用特殊的管外檢測手段。由于光波、電磁波會受到干擾，其影響作用距離段，因此在地下金屬管外檢測中主要采用聲學遙感設備、機器人等進行檢測。

（1）多波束測深技術。這種技術利用了聲波作為能量形式，相比于傳統單波束側身技術，可以一次性獲得軌跡上條帶狀區(qū)域地層深度數據，其測量范圍大、精度高、速度快，最后可獲得管道埋藏區(qū)域的地形三維特征地圖。

（2）機器人檢測技術，該技術檢測范圍廣、作業(yè)時間長，在地下金屬管道檢測中有著重要作用。主要包括遙控潛水器檢測技術、自治機器人檢測技術等。

（3）人工檢測技術，檢測工作可以直接通過儀器配合目視檢測地下金屬管道外狀態(tài)，但測量區(qū)域有限。可以通過檢測確定管道懸跨狀況，通過專業(yè)設備測量、記錄，確定懸跨的距離和高度等信息，并繪制管道剖面圖。遇到特殊地質區(qū)域，則需要使用聲吶設備檢測。

2 淺地層剖面儀應用原理分析

淺地層剖面儀利用聲波在地下沉積物內傳播、反射特性對地層設備探測，是在回聲探測技術基礎上發(fā)展而來的。隨著當前對地質資源的探索開發(fā)力度加大，地質鉆探工程逐漸興起，淺地層剖面儀在區(qū)域地質調查、巷道疏浚建設等方面發(fā)揮著重要作用。相比于鉆孔取樣技術，淺地層剖面儀在地質調查中操作更加便利、探測速度快，可以連續(xù)記錄圖像等。常見的淺地層剖面儀可以按照聲學機理劃分為線性、非線性聲源兩種類型。線性生源功率大、穿透力強、體積大，非線性聲源的穿透力弱、體積小，兩種淺地層剖面儀都是利用聲波穿過不同介質下，介質的波阻抗差異性導致其產生的回波信號強弱不同特點來實施檢測的，在輸出記錄上形成不同記錄。

聲波在穿透地層下行過程中，經過各層介質的濾波遇聲阻抗界面返回。因地下的地質環(huán)境復雜，有著多種不同的層次，在聲波進入測定區(qū)域后會形成透射、發(fā)射作用，每個反射層次會被接收。具體地質反射強度與發(fā)射系數相關，發(fā)射強度加大，則換能器會接收到較強反射信號，淺地層剖面儀接收到攜帶大量有價值信息的反射信號，在連續(xù)記錄與分析下可獲得地下金屬管道、地質結構信息。利用淺地層剖面儀形成圖像可以對地層內部結構進行識別，還能判斷埋藏物與地上的空間位置關系等，不同地質沉積物深度不同，且由于地層聲阻抗差異性，淺地層剖面儀獲取資料也具有多解性特點。

在實際應用淺地層剖面儀檢測中，會將主機與定位GPS固定在測量設備上，利用GPS系統定位，測量設備即可依據預定航線以一定速度行駛。地面下安置發(fā)射基陣、接收基陣，根據作業(yè)區(qū)地質狀況，設定好主機發(fā)射聲波脈沖的頻率、功率等，向下重復進行脈沖發(fā)射，回波被接收基陣接收然后將其轉換為電信號，主機在對其初步增益、濾波處理后可以以數字、紙質輸出探測到的情況。測量設備在接收處理回波信號后，即可辨別其具體埋設位置。

3 淺地層剖面儀在地下金屬管道檢測中影響因素

3.1 管道與管溝聲學剖面特征

鋪設完成管道之后，挖溝處理會形成一定溝形，管道埋藏狀態(tài)、管溝形態(tài)不同，則會產生多種繞射波空間特征。

地下金屬管道挖溝后容易形成凸起、凹坑等地貌，溝的兩側大多為凸起狀，其本身在溝沿兩側、溝底形成反射弧線。新挖溝的管道，管道剖面測量會受到未淤平管溝影響，特別是埋深較淺的管道，其反射波會與溝沿繞射波疊加，加大管頂辨識難度。

3.2 檢測影響因素

3.2.1 不同信號源影響

在對同一區(qū)域埋藏管道檢測中，不同信號源淺地層剖面系統的檢測結果不同。其中，Chirp技術取得的效果更加顯著，其繞射曲線與管道外形接近，在管道檢測中分辨率較高。PCW技術檢測獲得的埋藏管道記錄，其波束開角較大在管道頂端聲波明顯繞射，繞射波寬度較大，偏離管道外形，但在檢測管道位置、埋深方面則比較準確。

3.2.2 航行速度影響

以Chirp淺地層剖面儀為例，不同航行速度下其對于相同地下金屬管道的檢測結果存在差異。相同頻率的淺地層剖面儀，在水深相同情況下航行速度慢，則探測到管道頻次高，會形成更加明顯的繞射曲線，容易從淺地層剖面儀記錄上識別出管道位置。航行速度快，則繞射曲線不夠明顯，同時曲線狀態(tài)與管道真實形態(tài)的差別也比較大。

3.2.3 水深影響

在水深加大的情況下，管道會產生愈加明顯的繞射波，水深越大繞射波寬度愈大，在此水深條件下難以對管道掩埋狀態(tài)進行判斷，只可確定管道所處位置。

4 淺地層剖面儀在地下金屬管道檢測中檢測方法與成果分析

實際應用淺地層剖面儀進行地下金屬管道檢測中，需結合檢測目的、埋藏區(qū)域地形特點等布設檢測線，對于發(fā)現管道存在懸空等問題的區(qū)段，其檢測線也應相應加密，以準確定位管道位置、懸空段長度等。測線與管線相交，從點到線探查管道空間賦存狀態(tài)，并結合磁力調查數據等對地下金屬管道平面位置、埋藏狀態(tài)進行更加準確的判斷。

4.1 儀器設備選擇與安裝

當前可使用線性調頻脈沖技術、非線性調頻脈沖技術這兩種新型淺地層剖面儀。兩者的特點各部相同，特定工程檢測需要，比如對穿透更加側重，則適合采用線性調頻脈沖剖面儀，則檢測效果較好。如果所檢測管道埋設比較淺，需要保證其分辨率足夠高，則適合選擇參量陣淺地層剖面儀。

4.2 檢測成果分析

地下金屬管道檢測中，檢測成果分析關系著檢測有效性。在處理數據資料過程中，需要考慮到不同情況下地下管道波組形態(tài)變化，以獲得準確的埋深數據。如果管道處于特殊地質條件或者水文地質狀況較差區(qū)域，則外業(yè)資料中存在干擾因素，會加大識別難度。干擾較強無法依據淺地層剖面儀記錄判斷管道位置的情況下，可以結合磁力探測、側掃聲吶等資料進行分析，保證結構準確性。如果地下金屬管道懸空，需結合側掃聲吶數據分析管道懸空高度、長度。地面面以下埋藏的管道，側掃聲吶與磁力儀對其檢測有限，需主要靠淺地層剖面儀探測資料獲得管道信息。

首先是淺埋狀態(tài)，淺埋金屬管道剖圖中其弧狀管道信號清楚，上方沉積物自然回淤、下方信號屏蔽明顯，則表示該處管道受到地下水沖刷影響較小，其狀態(tài)較為穩(wěn)定。

其次是回填碎石狀態(tài)，檢測管道埋藏狀況就是檢測管道敷設后上方覆蓋層是否達標。可結合側掃聲吶、敷設施工資料共同分析判斷反射物質，以及管道被碎石覆蓋情況。

最后是管道出露狀態(tài)，根據管道位置以及預挖溝形態(tài)，以及管道信號和上方碎石保護層狀態(tài)，結合管道頂部、埋藏位置，可以得到管道出露高度。

5 結語

在實際地下金屬管道檢測中，應注重經驗總結和問題分析，能夠借助其他測量手段探測，重視外業(yè)測量采集質量，以保證資料識別度、成果分析成效。不斷提升淺地層剖面儀檢測水平，才能為金屬管道運營維護提供有效參考。