埋地管道定位用环型电子标签的研发

加拿大JLY Consulting Inc. 梁 坚深圳市燃气集团股份有限公司 梁莎莎

埋地管道定位用环型电子标签的研发

加拿大JLY Consulting Inc. 梁 坚深圳市燃气集团股份有限公司 梁莎莎

电子标签是埋地聚乙烯管道检测定位的重要装置，传统的电子标签价格高昂，还存在被拆移使之偏离管道的风险，文中介绍的环型电子标签价格低廉且直接套在管道上，较好地满足了数字化安全管理的要求。

市政埋地管道，聚乙烯管道，坐标定位，电子标签

1 问题的提出

与钢管相比，聚乙烯管材具有无腐蚀风险、耐土壤沉降、施工简便和造价便宜等优点，已成为中小口径市政埋地管道的首选，美中不足的是检测定位比较困难。聚乙烯管体无法传递电信号，只能借助同沟敷设的金属示踪线或定点埋设的电子标签间接定位。示踪线容易受到周边金属管道的干扰导致误判，使电子标签应用越来越广泛，同时它也是市政埋地管道实现数字化安全管理的重要工具。

按照有关技术规范，电子标签除埋设在管道每个节点处外，平直管段间隔不得大于50 m，弧形段还要适当加密。由于传统的电子标签价格昂贵，实际生产中通常仅用于三通、弯头等重要节点，平直管段极少埋设，弧形管段埋设间距也偏大。此外，捆绑埋设在管道上的电子标签容易被其他人拆移，使其偏离管道的实际位置，由此导致埋地管道被第三方施工时挖穿或钻透的严重后果。针对上述问题，我们研发了环型电子标签，可经济合理地保证市政埋地管道的安全运行。

2 电子标签工作原理及发展现状

电子标签系统(Electronic Marking System)由埋地电子标签及地面检测器两部分组成。电子标签可内置芯片，存储地理坐标、节点类型、口径和压力等相关信息的代码。电子标签内的线圈与电容组成谐振电路，无需安装电池，见图1。

图1 电子标签内部结构示意

当检测器接近电子标签时，其所发射特定频率的无线电波，使电子标签内部与之频率相应的线圈与电容发生谐振产生感应电流，该感应电流的磁场信号又可被检测器感知，信号最强点即为电子标签正上方地表。这有些类似手电筒和反光镜的关系，检测器相当于手电筒，电子标签相当于反光镜。凭借感应电流所获得的能量，电子标签还能发送出存储在芯片中的相关信息，由检测器接收。

目前国内市政埋地管道使用效果最好的是美国产全向电子标签，内有三组正相交金属线圈的塑料球，直径100 mm。三组正相交线圈受激谐振产生的全向磁场，使检测器无论自哪个方位接近，都能产生最佳响应。根据刘波“埋地PE燃气管道的示踪与定位”一文介绍，从距离电子标签5 m远处开始检测到完成准确定位，所用时间不超过1 min。其最大被探测深度1.5 m，满足大部分市政埋地管道的要求。

传统电子标签用尼龙扎带或胶布捆绑固定在管道或管件上，很容易被其他人拆除或移位，近年法国燃气苏伊士集团开始测试新的解决方案，在聚乙烯管材生产过程中将电子标签直接植入管壁内，确保其不会与管道分离。

3 研发技术方案

实现埋地聚乙烯管道准确定位，一要有足够的电子标签数量，二要保证每个电子标签都不会与管道脱离，二者缺一不可。管材内预埋电子标签是理想的解决方案，但相关技术研发和引进都需要时间，其造价在近期恐怕也难被国内管道运营企业所接受。

为此，我们考虑研发直接套在管道上的环型电子标签，这样就彻底杜绝了其与管道分离的风险。安装后谐振线圈与地面非水平状态，使得查找速度略慢，但对于第三方施工前检测定位，查找速度并不需要太快。

从美国产电子标签产品数据以及实际操作经验可知，埋地电子标签的线圈对地面垂直投影面积越大，反应信号就越强，投影直径100 mm的水平线圈就可以充分满足管顶埋深1.2 m的定位要求，这是大多数埋地市政管道的埋深。鉴于市政埋地管道口径多在200 mm以下，就以200 mm为例讨论。

制备环型电子标签样品：取直径225 mm的聚乙烯管材，长度30 mm，在外壁上缠绕谐振线圈，电容则置于内侧，不设存贮芯片以降低造价。将样品斜套在口径200 mm的聚乙烯管道上，此时谐振线圈对地面垂直投影为短轴103 mm、长轴225 mm的椭圆，投影面积已经超过直径100 mm全向电子标签的投影面积，见图2。

图2 环型电子标签安装示意

该标签用于更小口径聚乙烯管道时，投影面积更大效果更好。

4 现场测试结果

分别选用口径200 mm、150 mm、100 mm聚乙烯管道进行测试。将环型电子标签直接斜跨在管道外侧，两个接触点分别位于管顶与管底，以使之尽量靠近水平状态，因为水平状态线圈对地面垂直投影面积最大。

检测结果发现，与全向电子标签不同，环型电子标签信号强度变化曲线是不对称的，见图3。

图3 环型电子标签信号强度变化曲线

自环型电子标签中心线所对的 A处开始较快增强，到电子标签正上方B处达到最大值，之后快速衰减，到C处几乎为零。这是因为在A→B区间探测器与电子标签线圈间距减小使信号增强，但与线圈平面夹角变化却使信号减弱，二者作用相反；而在B→C区间二者作用均为使信号强度减弱。我们曾担心两种作用交互的结果，会使响应信号最大值偏离电子标签正上方，现场测试结果表明，间距的影响远大于夹角变化的影响，无论聚乙烯管道口径大小，响应信号最大值点始终在电子标签正上方。

对于平直管段和直埋弧形段，管道口径、压力等信息在管理资料中都有且很少改变，电子标签仅用于现场定位，故环型电子标签不需内置存贮芯片以降低造价，实测产品价格仅为全向电子标签的一半。

这就意味着，在平直管段和直埋弧形段均可加倍安装环型电子标签，从而实现管道走向的精确示踪定位；同时，由于安装间距减半，使得检测范围大大缩小，加快了查找速度。

5 结语

环型电子标签不会与管道分离且价格低廉，可大大提高平直管段和直埋弧形段的定位检测精度，与重要节点安装的全向电子标签互相配合，可高效经济地实现市政埋地管道的数字化安全管理。

Research on Ring E-Tag Used to Orient the Buried Pipeline

Canada JLY Consulting Inc. Liang Jian Shenzhen Gas Group CO., Ltd. Liang Shasha

It is an important device for the e-tag to orient the buried PE pipeline, but the traditional e-tag is expensive and has the risk of deviation which can’t orient the pipeline precisely. A new ring e-tag put forward in the paper is cheap and can be set on the pipeline, which can meet the demand of digital safety management.

buried pipeline, PE pipeline, coordinate orientation, e-tag