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地下管道探测技术及其发展趋势研究.pdf
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地下管道 探测 技术 及其 发展趋势 研究
32 Pipeline Technique and Equipment 2023 年 第 4 期基金项目:国家石油天然气管网集团有限公司科研项目(GWHZ2023001)收稿日期:2023-03-08地下管道探测技术及其发展趋势研究李 菲1,高全明2(1.国家管网集团华中公司,湖北武汉 430000;2.吉林大学仪器科学与电气工程学院,吉林长春 130061)摘要:国内地下管道存在资料缺失、管道状况不明的问题,给管理工作带来极大困难。文中综合研究了目前常用的地下管道探测方法,发现电磁感应法对地下管道探测效果显著。磁法具有探测能力强、分辨率高的特点,适用于金属管道探测。探地雷达法适用于非金属管道探测,但有效探测深度有限,可以采用惯性陀螺仪定位法和声学定位法进行补充。近年来,基于多学科技术交叉融合的综合探测方法成为地下管道探测技术发展的新趋势。关键词:地下管道探测;电磁感应法;磁法;探地雷达;惯性陀螺仪定位法;声学定位法中图分类号:TE8 文献标识码:A 文章编号:1004-9614(2023)04-0032-06Study of Underground Pipeline Detection Technology and Its Development TrendsLI Fei1,GAO Quanming2(1.Central China Company of National Pipeline Network Group,Wuhan 430000,China;2.College of Instrumentation and Electrical Engineering,Jilin University,Changchun 130061,China)Abstract:The problem of incomplete information and unknown conditions of underground pipelines in China bring great dif-ficulties to management.This article provided a comprehensive study of the commonly used underground pipeline detection meth-ods and it was found that electromagnetic induction method was effective for underground pipeline detection.The magnetic meth-od had the characteristics of strong detection ability and high resolution,which was suitable for metal pipe detection.Ground-penetrating radar method was widely used for non-metal pipeline detection,but its effective detection depth was limited.The in-ertial gyroscope positioning method and acoustic positioning method can be used to complement the limitations of ground-penetrat-ing radar.In recent years,an integrated approach that combines multiple disciplines has become a new trend for the development of underground pipeline detection.Keywords:underground pipeline detection;inductive electromagnetic method;magnetic detection;ground penetrating radar;in-ertial gyroscope positioning method;acoustic positioning method0 引言近年来,随着国内城市化进程的快速发展,地下管道建设呈现迅速增长的趋势。据相关资料显示,截至 2019 年,全国各类管道的总长度已经达到了 346.5万 km,其中城市地下管道长度达到了 212.7 万 km1。然而,国内地下管道存在信息资料不完整、部分地区管道状况不明确等问题2。这些问题不仅增加了地下管道管理的复杂度,也增加了施工中管道被挖断的风险。目前,地下管道根据制造材质的不同可分为金属管道和非金属管道。其中,金属管道主要包括钢、铁、铜、铝以及合金等,而非金属管道主要包括水泥、陶瓷、塑料以及光纤等3。一般情况下,管道的埋设深度为 02 m,而一些特殊管道的埋设深度通常超过 2 m,例如油气管道的埋设深度可达 215 m,河道穿越管道的埋设深度可达 30 m4。随着材料科学和埋设技术的发展,地下管道的材质种类不断增多、埋设深 第 4 期李菲等:地下管道探测技术及其发展趋势研究33 度不断加深,给检测工作带来了很大的困难。利用地下管道与其周围介质物性参数的差异,基于地球物理探测技术识别地下管道,已被证明是一种有效的管道检测方案。目前,国内外常用的地球物理管道探测方法主要有电磁感应法、磁法以及探地雷达法等。其中,电磁感应法和磁法在金属管道探测方面具有突出的优势,而探地雷达法在非金属管道探测中得到了广泛应用。近年来,三维惯性陀螺仪定位法和声学定位法等非地球物理探测方法也取得了长足的进展,逐步成为地球物理管道探测技术的重要补充。1 电磁感应法电磁感应法是目前常用的地下管道探测方法之一5,其工作原理如图 1 所示。工作时利用发射线圈向地下发射一次脉冲磁场,通过接收线圈观测地下金属管道激励产生的感应二次磁场,通过二次磁场的特征确定地下管道的空间位置。图 1 电磁感应法探测管道原理图根据激励场源的类型,电磁感应法可分为主动源法和被动源法。被动源法不需要建立人工激励场源,但只能用于跟踪定位 50 Hz 载流下的管道6。相比之下,主动源法应用更广泛。根据其与管道接触的方式,主动源法又可分为直接法、夹钳法、感应法和示踪法。直接法和夹钳法具有信号强、速度快、精度高等优点,但需要将发射装置的输出端与被测管道直接接触,因此需要在被检测的管道上有接触点。此外,直接法对被测管道的接地要求较高,而夹钳法则要求使用的夹钳直径大于被测管道的直径7。相比之下,感应法不需要直接接触管道,具有明显的操作便利性优势。示踪法将发射装置送入被测管道内,利用地面接收装置接收并跟踪发射装置的电磁信号,以确定管道的埋深和走向8-9。作为电磁感应法的扩展,示踪法具有信号强、精度高等优点,适用于非金属管道的探测。1964 年,美国学者提出了一种利用差分信号探测地下管道埋深的方法,并在此基础上发明了双线圈定位测深技术10。自此以后,商用化的金属管道探测仪相继推出,例如,英国的 RD4000、RD8100 金属探测仪,加拿大的 BPS 河流穿越管道探测系统,美国的 SR-20 金属管道探测仪,日本的 MPL 系列地下管道探测仪等。近年来,国内金属管道探测仪的研制也取得了快速发展,如 GXY 系列多功能全频线缆探测仪、SEN-NR 系列地下管道探测仪以及 SL-580A 地下管道探测仪等。但总体而言,国内相关仪器的发展相对滞后,产品性能及商业化程度仍有进一步提高的空间。目前,国内研究人员开展了大量电磁感应法探测地下管道研究。例如,汤慧强11综合运用了直接法、夹钳法和感应法对湖南某市中心城区的地下管道进行了全面探测,并绘制了城市管道的三维分布图,取得了良好的探测结果。钟梁等12使用感应法和直接法对澳门某海底航油管道进行探测,实现了对地下6.8 m 管道的定位。周江等13联合使用感应法与直连法对某发电厂陈旧供水管道进行探测,证明了 2 种方法的联合应用可以提高探测效率与精度。裴世建14使用电磁感应法对地铁某车辆基地内混凝土水源管道进行探测。总体而言,电磁感应法的发展比较完善,仪器种类丰富,具有高精度、操作简单、经济等优点,尤其是对于导电性良好的小口径金属管道探测优势明显。然而,该类方法也存在以下不足:对非金属管道的探测步骤较复杂,自动化程度较低,且存在浅层探测盲区问题。2 磁法磁法探测是一种通过观测磁性目标体产生的磁异常信号,进而探测和定位目标体的地球物理探测方法。经过多年技术发展,目前已形成了地面、航空、井中和海洋等多种磁测方法相结合的全方位探测方式。近年来,磁法探测理论和技术日益成熟,已被广泛应用于矿产勘探、地磁导航、地下金属管道探测等领域15。磁法探测通过测量金属管道产生的磁异常,实现对地下管道精准定位。随着磁法探测技术的发展,应 34 第 4 期用于地下金属管道探测的磁法探测技术已由最初的磁总场标量测量,到后来的总场梯度测量,演化为磁矢量测量(三分量、全张量磁测)16。相比而言,磁矢量测量涵盖了金属管道磁异常大小和方向信息,能够表征磁异常全部要素,有效提高管道定位精度。近年来,研究人员开展了大量磁法探测应用于管道探测研究,推进相关技术的发展。任秀艳等17使用GSM-19TG 型质子磁力梯度仪对辽宁某工区的地表垂向磁梯度场进行了探测,通过对数据的反演解释处理,得到了深层地下污水管道的埋深和边界位置信息。陆礼训等18利用 G882 海洋铯光泵磁力仪对海底5 m 的引水管进行探测,证明高精度磁测对于大埋深管道探测的有效性。Guo 等19利用磁异常的垂直分量定位油田地下管道。Pan 等20与 Shuo 等21分别提出基于剖面分割的磁偶极子反演方法和基于变截面的磁偶极子反演方法,从而使定位精度和数据处理效率得到了大幅提升。Li 等22利用磁阻传感器,基于倾角和向下延拓法对埋深为4.5 m 的地下单管道进行探测,探测误差减小到 0.1 m。Sun 等23将深度学习神经网络应用于地下管道探测,仿真实验证明了该方法对近间距并行管道的预测精度超过了 80%。Kim等24将三轴磁力计安装在挖掘设备上,实现了对地下金属管道实时定位测量。姚鹏君等25利用 CCT-3 型磁梯度仪实现了最大埋深 9 m 的天然气管道的准确定位。磁法探测是一种非挖掘式探测技术,对于金属管道探测有优势;磁法探测具有高灵敏性、高精度的优点,且具有良好的抗噪声性能;探测深度大,尤其是井中磁梯度法,常用于大埋深非开挖金属管道探测工作26。该类方法主要存在以下不足:抗干扰能力较弱,易受外界磁场干扰;后续数据的反演解释较繁琐。3 探地雷达法探地雷达是一种根据目标物与其周围介质之间电性参数差异,通过电磁反射对目标物进行定位的探测方法27-28。如图 2 所示,探地雷达主要由发射机、接收机和主机组成。该方法具有操作简便、探测分辨率高等优点,是一种高效的浅层非开挖地球物理勘探技术,也是目前探测地下管道的常用方法之一29。图 2 探地雷达法探测管道原理图探地雷达法可利用移动便携式采集设备,实现对数据的高速、连续、无接触采集,有效降低了该方法对外部作业环境的要求30。此外,探地雷达同时适用于金属与非金属管道探测,已成为浅层非金属管道探测的重要解决方案。目前,探地雷达技术相关研究主要集中于雷达图像的正演技术和反演解释量方面。例如,Wei 等31使用轮式探地雷达结合三维引擎接口OpenGL 实现了地下管道的三维可视化。Hong 等32、姚显春等33分别采用数值模拟的正演方法和图像特征分析方法对不同材质的管道进行研究,发现能够从管道的波形和幅值上判断管道的材质。Nicoleta 等34利用探地雷达对混凝土管道的位置、深度和轮廓进行了探测,使用 matlab 软件将数据转换为图像分析解释,突出了埋管的深度、位置和轮廓信息,探测结果与实际情况

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