埋地非金屬管道探測(cè)技術(shù)及對(duì)比

孫寶財(cái) 荊 煬 張正棠

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院）

近年來(lái)， 埋地金屬管道的探測(cè)方法多種多樣，相關(guān)探測(cè)技術(shù)也較為完善，而埋地非金屬管道探測(cè)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(wú)磁性、不導(dǎo)電的特質(zhì)，這就決定了對(duì)于非金屬管道探測(cè)技術(shù)的研究無(wú)法借鑒常規(guī)金屬管道的探測(cè)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(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患，影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)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(cè)技術(shù)，是當(dāng)下亟待解決的問(wèn)題［1～5］。

1 埋地非金屬管道探測(cè)方法

1.1 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)法通過(guò)發(fā)出和接收的電磁波，對(duì)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(cè)，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(cè)目標(biāo)的分辨率正相關(guān)，而與衰減速度、探測(cè)范圍負(fù)相關(guān)［6～9］。

探地雷達(dá)通過(guò)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(jī)能夠準(zhǔn)確地記錄反射回波關(guān)鍵參數(shù)特征， 如時(shí)間、波長(zhǎng)、相位和振幅，然后對(duì)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(yùn)用聲學(xué)管道定位儀APL 進(jìn)行管道定位時(shí)，通過(guò)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(shí)會(huì)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(shí)現(xiàn)的， 這種探測(cè)原理既可以探測(cè)金屬管，又可以探測(cè)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(duì)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(huì)形成干擾信號(hào)，對(duì)探測(cè)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(shí)地下介質(zhì)的電導(dǎo)率對(duì)聲波反射的影響可以忽略不計(jì)［14］。

2 探地雷達(dá)法與聲學(xué)管道定位法對(duì)比

2.1 多根管道探測(cè)效果對(duì)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(qiáng)烈的信號(hào)反射，說(shuō)明有兩根疑似管道； 而圖4 則顯示存在3 個(gè)較為明顯的異常信號(hào)，說(shuō)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(duì)存在多跟管線的同一位置進(jìn)行探測(cè)，可以看出兩種方法對(duì)于相鄰很近的管線均有較為明顯的信號(hào)顯示，說(shuō)明距離相近的管線并不會(huì)對(duì)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(cè)，同時(shí)間接表明管道本身不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)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(cè)效果對(duì)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(wú)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(hào)較為雜亂，在第5 個(gè)切片（聲學(xué)管道定位儀操作時(shí)要平放在地面上，以便與地面形成較好的耦合， 按動(dòng)按鍵發(fā)射一束聲波脈沖，這個(gè)過(guò)程稱為一個(gè)切片）處反射信號(hào)較強(qiáng)，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)判斷第5 號(hào)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(duì)于后期回填不密實(shí)或回填土里大塊雜物較多的情況均無(wú)法進(jìn)行有效探測(cè)。

2.3 管道直徑與埋深對(duì)探測(cè)效果的影響

在埋深1.5 m、敷設(shè)環(huán)境較為簡(jiǎn)單、回填土密實(shí)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(hào)強(qiáng)烈，管道探測(cè)效果明顯，說(shuō)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(wú)法定位該管道（圖8 中無(wú)明顯信號(hào)顯示）， 說(shuō)明在埋深較深時(shí)探地雷達(dá)無(wú)法對(duì)小管徑管道進(jìn)行有效探測(cè)。 實(shí)際上，探地雷達(dá)的最大有效探測(cè)深度為2 m，超過(guò)2 m 時(shí)則無(wú)法探測(cè)。

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(yǔ)

從探地雷達(dá)法與聲學(xué)管道定位法的原理上來(lái)說(shuō)， 兩者在理想環(huán)境下均可對(duì)目標(biāo)管道進(jìn)行有效探測(cè)，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(yùn)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(gè)，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(shuō)電磁波頻率越高，衰減速度越快，有效探測(cè)距離就越短，因此探測(cè)時(shí)應(yīng)盡量選擇低頻；當(dāng)頻率一定時(shí)，相對(duì)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(cè)距離就越短。 相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率均與管道周?chē)寥蕾|(zhì)地有關(guān)，故其探測(cè)分辨率受管道外徑、管道周?chē)寥蕾|(zhì)地的影響較大。 此外，基于波的干涉原理，其探測(cè)靈敏度與管道埋深密不可分，埋地過(guò)深或管徑較小的目標(biāo)難以探測(cè)。

b. 運(yùn)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(hào)，且對(duì)管道材料無(wú)要求，對(duì)土壤質(zhì)地?zé)o依賴性，所以其探測(cè)時(shí)不會(huì)受其他因素制約，唯一需要注意的是該方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)盲探，需明確管道的大致范圍。

從現(xiàn)場(chǎng)定位結(jié)果來(lái)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(shí)，則無(wú)法進(jìn)行有效探測(cè)。 探地雷達(dá)法與聲學(xué)管道定位法均無(wú)法實(shí)現(xiàn)整條管線的示蹤，只能對(duì)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(cè)土壤下方是否存在管道，但對(duì)于其是否是目標(biāo)管道則無(wú)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(wú)法使用探地雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)；邊坡處無(wú)法使用聲學(xué)管道定位法進(jìn)行探測(cè)。 聲學(xué)管道定位法和探地雷達(dá)法均可以對(duì)金屬管道和非金屬管道進(jìn)行定位，但無(wú)法區(qū)分金屬管道與非金屬管道。