磁干扰对城市燃气管道磁记忆检测的影响研究_李忠吉.pdf

4城市燃气 2022/11 总第 573 期燃气技术Gas Technology李忠吉1，侯慎思1，成婷婷2，钟 鑫11.成都华润燃气设计有限公司；2.中国石油天然气股份有限公司规划总院磁干扰对城市燃气管道磁记忆检测的影响研究摘要：为提高磁记忆检测技术在城市燃气管道检测中的准确性，减少外界磁干扰对管道缺陷自漏磁场的影响，本文通过数值计算，研究了通信基站这一常见磁干扰对城市燃气管道磁记忆检测的影响。首先，通过管道力磁耦合模型，分析干扰因素影响磁记忆检测的原理；然后，计算通信基站周围磁场大小，并分析其对磁记忆检测的影响程度；最后，给出减少相应检测误差的方法。研究结果表明：自漏磁场在地磁场下变化率大，敏感度高，很容易受到通信基站这一强烈磁干扰的影响，因此必须先对通信基站产生的磁场进行处理，才能继续对通信基站附近的埋地城市燃气管道进行磁记忆检测，以提高城市燃气管道磁记忆检测的准确性。关键词：城镇燃气管道；磁记忆检测；通信基站；干扰因素；自漏磁场doi:10.3969/j.issn.1671-5152.2022.11.0021 引言埋地运输管道因具有投资费用少、运输成本低、适应性强等优点，已经成为了城市燃气最主要的运输方式。但由于埋地管道外界环境恶劣、长时间使用以及其它意外载荷的影响，会经常产生缺陷，影响管道正常运行，并且埋地城市燃气管道常处于人口密集区域1，如果管道因缺陷导致泄漏、爆炸等，将会产生严重的社会后果，因此定期对埋地城市燃气管道进行检测，尽早发现并消除缺陷具有重要的意义。俄罗斯Doubov教授基于金属磁记忆效应提出了一种磁记忆检测法，能在非开挖情况下对埋地城市燃气管道进行检测，避免了开挖检测对燃气管道运行的影响，也解决了传统无损检测方法（超声、涡流、漏磁等）设备复杂、使用不便等问题2，并在实际工程中得到了广泛的应用。但这种检测方法是在地磁场这样的弱磁环境下进行，收集得到的磁信号容易受到外界磁场的影响，导致检测结果的准确性波动较大。对于城市燃气埋地管道而言，周围会更频繁地出现磁干扰，如通信基站等，这将会严重影响磁记忆检测的结果，使得城市燃气埋地管道的缺陷出现漏检或误检。基于此，本文将从外界干扰因素影响磁记忆检测的原理出发，研究通信基站这一常见磁干扰对城市燃气管道磁记忆检测的影响，总结其影响规律并给出减少相应检测误差的方法，为提高城市燃气管道磁记忆检测的准确性提供理论指导。2 干扰因素影响磁记忆检测的原理磁记忆检测是一种能检测材料应力集中部位和早期损伤的新型无损检测方法，也是21世纪最具发展前景的无损检测方法之一。其广泛解释的原理是：在地磁场的作用下，管道受到应力作用时，会使得材料内部具有磁致伸缩特性的磁畴发生不可逆的重新取向，导致管道磁化，从而在管道上方产生自漏磁场。当管道产生缺陷，引起应力集中时，管道缺陷上方的自漏5城市燃气 2022/11 总第 573 期燃气技术Gas Technology磁场就会发生突变，如图1所示。自漏磁场的大小与管道的磁化强度和应力分布有关，经过简化处理的埋地管道力磁耦合模型如公示（1）所示3：anan2()1MMdMdMdcdHdHdH-=+（1）式中 H 外磁场强度，A/m；M 磁化强度，A/m；Man非磁滞磁化强度，A/m；外加应力值，MPa；a 表征无磁滞磁化曲线形状的参数，A/m；、c 表示材料磁化特性参数。在MATLAB软件中采用四阶Runge-Kutta法，可以求得式中任意外加磁场强度下埋地管道的磁化强度。模型参数取值采用Jiles4测得数据，计算结果如图2所示。从图2可以看出，当外磁场强度较小时，埋地管道的磁化强度随着外磁场强度的增加而迅速增大，并且随着外磁场强度继续增大，埋地管道磁化强度的增长率逐渐减小，最后曲线趋于水平，说明埋地管道进入了磁饱和状态。地磁场强度约为30A/m 50A/m，在这一外磁场大小下，埋地管道磁化强度的变化率最大，敏感度最高，因此，地磁场下埋地管道的磁化强度容易受到其他外界磁干扰而改变，从而影响埋地管道地面处自漏磁场的大小，由此干扰了埋地管道缺陷的准确判断。3 通信基站对埋地管道磁记忆检测的影响随着通信行业的快速发展，为满足通信质量，大量的通信基站投入了使用。通信基站会产生电磁辐射，并以电磁波的形式向四周空间进行传播，同时使得周围激发的磁场和电磁不断变化5。如果通信基站与埋地管道之间的距离相隔很远，那么就可以忽略通信基站对埋地管道的影响，而如果通信基站就建设在埋地管道附近，则会改变管道周围的磁场环境，使得埋地管道上方的自漏磁场受到通信基站产生磁场的影响，从而导致磁记忆检测结果失真，为此有必要研究通信基站对埋地管道磁记忆检测的影响，从而指导通信基站附近城市燃气埋地管道的磁记忆检测。3.1通信基站与埋地管道之间的安全距离通信基站在前期选址时，需要与周围建筑物之间保持一定的安全距离，以同时保证基站通信安全和确保周围建筑物的电磁环境控制在法规范围内。根图1埋地管道缺陷的自漏磁场特点图2埋地管道外磁场强度和磁化强度之间的关系李忠吉等磁干扰对城市燃气管道磁记忆检测的影响研究6城市燃气 2022/11 总第 573 期燃气技术Gas Technology据长途通信光缆线路工程设计规范（YD 5102-2005）中第6.4.14条规定可知，当通信基站的光缆不可避免的与周围建筑物同侧敷设时，应该符合第6.4.14条表中的规定，其中与油气管道平行时的净距应大于10m，交越时的净距应大于0.5m。结合多种通信基站选址规范，并需要考虑通信基站遭受雷击倒伏后对管道产生的危害等，建议将通信基站与埋地管道之间的安全距离控制在50m以上6。3.2通信基站附近磁场的计算为分析通信基站对埋地管道周围磁场的影响，首先需要计算通信基站电磁波的传播损耗，本文采用常用的COST231-Hata计算模型，适用无线信号的频率在150MHz至2 000MHz，如公示（2）所示。A=46.3+33.91g f-13.821g hb-a（hm）+（44.9-6.55lg hb）1g d+Ccell+Cm （2）式中 A电磁波的传播损耗，dB；f 电磁波频率，MHz；hb通信基站天线的等效高度，m；hm移动台天线有效高度，m；a（hm）与天线高度有关的修正因子，dB；d 传播距离，km；Cell 地区修正因子，dB；Cm 城市修正因子，dB。通过COST231-Hata模型计算出电磁波传播损耗后，基于通信基站附近电场强度与电磁波传播损耗的关系，可得到公式（3）。E=109.4+201g f+P-A （3）式中 E电场强度，dBV/m；P 天线传输功率，W。电场强度与磁场强度之间具有一定的比例关系，如公式（4）所示。377EH=（4）以上就是通信基站附近磁场强度的计算模型。为了分析通信基站产生的磁场对埋地管道磁记忆检测的影响，本文以常见的通信基站参数为例，通信基站天线的等效高度40m，移动台天线有效高度1.6m，在MATLAB软件中计算了不同环境条件下通信基站产生的磁场大小。天线传输功率为20W、25W，电磁波频率为常见的1 800MHz、900MHz，计算得到了通信基站的磁场强度分布图，如图3所示。从图3中可以看出，通信基站产生的磁场随着离通信基站距离的增加而减小，并且在200m以内减小幅度较大；由于磁场强度的数值较大，因此将图3中200m500m内的磁场强度数值进一步放大，如图4所示。从图4中可以看出，200m500m范围内的磁场强度也是远远大于地磁场磁场强度（30 A/m 50A/m），由此可以得出：对通信基站附近的埋地管道进行磁记忆检测时，在一定距离范围内，通信基站产生的磁场会对埋地管道磁记忆检测产生强烈的干扰影响，并且通信基站产生影响的磁场强度数值很大，因此在进行埋地管道磁记忆检测时，必须对通信基站产生的磁场进行处理。3.3减小通信基站附近埋地管道磁记忆检测误差的方法通过对通信基站附近的磁场计算可知，通信基站图3不同基站参数下通信基站周围磁场强度分布图（50m500m）图4不同基站参数下通信基站周围磁场强度分布图（200m500m）7城市燃气 2022/11 总第 573 期燃气技术Gas Technology产生的磁场强度较大，会对其附近埋地管道磁记忆检测造成强烈的干扰。以天线传输功率35W，电磁波频率900MHz为例，如果通信基站产生的磁场小于1A/m时，不会对埋地管道磁记忆检测产生影响，通过进一步计算，结果如图5所示。由图5可知，离通信基站的距离需要在6km以上才能达到要求，因此在这个大范围内均需要考虑通信基站产生的磁场对埋地管道磁记忆检测的影响。由于通信基站附近的磁场强度较大，因此在对其附近的埋地管道进行磁记忆检测时，必须采取相应的磁干扰防止措施，建议可以采用常用的电磁屏蔽方法减小通信基站产生的影响，屏蔽原理如图6所示，通过应用高等级的屏蔽材料7，对电磁波进行有效地吸收和反射，从而将电磁波大小限定在一定范围内。检测人员在对通信基站附近的埋地管道进行磁记忆检测时，需携带高导磁性的磁屏蔽设备，尤其与通信基站的距离较小时，建议磁屏蔽设备采用双层磁屏蔽体的结构。图5通信基站周围的磁场强度分布图4 结论本文研究了通信基站对城市燃气管道磁记忆检测的影响，并结合计算可知：（1）埋地城市燃气管道的磁记忆检测属于地磁场作用下的弱磁检测，管道的磁化强度容易受到其他外界磁干扰而改变，从而影响埋地管道地面处自漏磁场的大小，会干扰埋地管道缺陷的准确判断。（2）通信基站一定范围内都有很强的磁场，会对埋地城市燃气管道的磁记忆检测产生强烈的干扰，因此对通信基站附近的埋地城市燃气管道进行磁记忆检测时，必须对通信基站产生的磁场进行处理，以提高城市燃气管道磁记忆检测的准确性。参考文献1 江枫，高顺利.非接触式磁力诊断技术在城市燃气管道上的应用初探J.城市燃气，2015（03）：18-27.2 雷晓青.油气管道无损检测方法选择J.石油工业技术监督，2013，29（7）：28-30.3 李忠吉，李长俊，成婷婷，等.电磁法在埋地管道磁记忆检测中的应用研究J.中国安全科学学报，2019，29（06）：122-127.4 JILES D C.Theory of the magnetomechanical effectJ.Journal of Physics D:Applied Physics,1995,28（8）:1537-1546.5 蔡梅园.通信基站电磁辐射分析评价及钢筋混凝土屏蔽研究D.重庆：重庆大学，2008.6 王丕大，汪钰，吴新.基站与高压线、加油站、燃气管、露天矿场的安全间距J.电信工程技术与标准化，2010，23（02）：62-65.7 李鹏鸣.关于无线电设备电磁屏蔽技术的探讨J.科技创新与应用，2016（08）：54.图6电磁屏蔽原理图李忠吉等磁干扰对城市燃气管道磁记忆检测的影响研究