地质雷达在管片壁后脱空检测中的应用

王军 严超杰

摘要：管片脱空检测技术是一项新的地质勘探新手段，它是利用电磁波的传播原理，在金属管道内壁上安装高频感应线圈，对其进行探测，并根据其 电场强度的变化来判断壁面的实际情况，进而分析壁面的缺陷位置，从而确定出目标的地质结构。本文主要介绍了地质雷达的原理及特点，并分析了它的 应用现状，阐述了地质雷达在管片脱空识别中的作用以及地质雷达在管片壁后脱空检测中的应用。

关键词：地质雷达;管片壁后;脱空检测;应用

随着工业的发展以及化工领域的需要和对能源的要求日益提高，在生 产制造过程中常常会遇到一些特殊的问题导致出现脱空的现象而影响产品 的质量及产量，因此在这种情况下，对管道的检测就显得尤为重要。目前 国内外对于油气输送管道的检测主要采用了人工测量的方式来进行，但由 于人力物力的限制往往无法达到预期的效果;另外，油气输配管线的长度 一般比较短，且分布的区域广，這些因素都会使输配管道的检测效率大大 降低。所以本文将地质雷达技术应用于管片脱空的研究是非常有必要的。

一、地质雷达的组成

地质雷达的基本单元由三个部分组成，它们分别是：发射机、接收机 和控制探头。

（一）发射机：在工业生产中，常常需要对金属管进行切割，而这些 切割的效果是通过无线电台来完成的;

（二）接受主机：它的作用就是利用电磁波的传播原理，将物体的内 部组织起来，然后再将信号传递给其他的设备;

（三）控制探头：它的主要功能是对被测介质的内部结构的完整性作 出判断，并根据所得到的信息设计出一种有效的探测方法。当我们使用这 个装置时，就可以实现非接触式的测量和定位，并且还能够自动地改变被 测流体的流动方向，以达到精确识别目标的目的.在地质雷达的工作中，通 常采用的是脉冲反射式的波束扫描技术，这种方式的特点在于：当波束经 过障碍物时，会产生一个激光束，此时只要有足够的时间就能聚焦到接收 器的接收到的回波，从而获得了较高的分辨能力，因此其抗干扰的性能比 较好。

1.1 地质雷达的特点

地质雷达具有多普勒测速波的功能。地质雷达的分辨率是指雷达的成 像范围，它取决于物体的几何形状和表面状况。在测量的同时也要考虑到 不同的环境因素，如温度、湿度、气压等。在这过程中，如果发现目标的 内部结构或周围的介质发生变化，则会引起信号的失真，从而导致接收的 信息丢失。地质雷达的探测距离是连续的且不受时间的限制;由于地球与 被测物之间的相互作用而产生的反射波的波长与障碍物的位置无关，因此 不会影响被测对象的实际情况。地质雷达的使用方便，不需要进行维护。因为它的工作方式为：发射-接收-回传的操作流程，使其能够很容易地 完成。此外还可以通过对被检测的区域采取远程监控，实现远距离的实时 监测。地质雷达的成本低，效率高。在工业生产中，用于检测的仪器价格 较低，而且设备的投资费用较低。对于一些小型的工厂和矿场，经济上也 有很大的帮助作用。

二、地质雷达在管片壁后脱空检测中的应用

2.1 管片脱空问题

由于在现场检测过程中，发现了一个严重的问题就是管片脱空，即在 对管片进行脱空处理时，会产生一定的应力集中现象，这种情况下就会导 致裂纹的扩展和延伸。如果将裂纹的长度控制在 0～10mm，就可以避免裂纹 的发展和扩展。但若是采用人工的方式来增加孔隙率，则不仅成本高，而 且效率也低，所以我们需要找到一种方法来解决这个难题。通过查阅资料，有两种解决方案。第一种是用电脉冲信号源，第二种是利用光电传感器。电光效应引起的流体力学、电磁学、 光学性质的变化以及温度的影响等都可 能使液体的成分发生改变，从而造成管体的破裂或者脱落。这些因素都会对 管道的损伤程度和尺寸大小有较大的要求;同时，也要考虑到使用的材料是 否具有良好的耐磨性，否则将会出现泄漏的危险;另外，还应该注意的是，当管内流速过大时，容易使气体聚集，进而破坏密封圈的强度而损坏。

2.2 管片壁后脱空检测

当管片壁后脱空时，由于流体流速较低，波速较大，波速较高，此时 需要进行声测。声测主要包括声波和无线电波两种方式。利用发射的高频 电磁波，对管片壁的内部结构或表面状况做出判断，并根据其反射率的高 低来确定缺陷的位置、大小及分布情况，以达到对壁件的修复目的。声测 法是一种非接触式的非破坏性检测方法，具有操作简单，设备易维护等优 点，但缺点是：在现场检测中，不能获取准确的信息;在测量过程中，容 易受到环境因素的影响而引起数据的不准确性;同时，受外界环境影响，如温度、湿度等。通过采用雷达信号，使用单探头接收多路探头，将多路探头的回波脉冲转换为电平，得到多通道的电平变化，从而完成了对孔内 的孔内气体的实时监测。该仪器可用于管道泄漏的超深管线探测，也可用 来分析油品质量。

2.2.1 地质雷达在管片壁后脱空检测中的分类

根据地质雷达在管道内的工作原理，可以将其分为以下几类：

（一）主动式地质雷达：在管道内部安装探头，探头的作用是接收反 射波，并将波传至探测仪。

（二）被动式地质雷达：通过使用压电传感器和多路信号发生器对波 形进行采集，并由多路数据传输到计算机。

（三）主动式电磁式雷达：当管片壁存在缺陷时，探头的作用是接收 到来自外部的脉冲电的回线，然后对其产生的回线的幅值和频率加以分析，从而判断出缺陷的位置、大小以及形状等。

（四）辅助式地质雷达：当管片壁有缺陷时，探头上的作用是接收到 相应的脉冲电，进而触发单路信号的发射与接收，同时单路信号的频率也 会发生变化，利用单通道的高低频，就可确定缺陷的方位、性质。而辅助 性的构造则使多点的声波能够以不同的速度传播，提高了测量的准确性与 可靠性。

2.3 地质雷达在管片壁后脱空检测中的作用

由于流体介质的性质不同，在管道内的流速和流量也不相同，在实际 操作中，通过对管片壁进行实时监测，得到了以下几个方面的作用：

（一）检测管内流体流速的变化;

（二）检测管片脱空过程中的能量消耗;

（三）分析壁底板的应力分布情况，判断壁底板是否存在裂纹或变形 等异常现象。基于以上的这些作用，本课题利用地质雷达的功能和原理，设计了一种用于测量金属材料的缺陷波的方法：将被测液体的压力波转换 为电信号，然后用一个高分辨率的差分放大器将其输出，再经过多普勒频 率仪的聚焦成像系统，可以获得被测物体的声阻抗、温度、厚度等信息。这种方式的优点在于它的采集速度快，但缺点是需要的仪器设备昂贵，而 且精度不高。为了提高该技术的精确度和可靠性，本文采用的是声波透射 法来实现对声场的数据收集。

2.4 地质雷达在管片壁后脱空检测中的应用

流体介质在流场中运动的过程中，会产生一系列的应力波，这些波的 强度和方向是不同的;当流场的分布不均匀时，波在管片壁上的传播距离 也就越远，其能量的耗散也就越大，甚至达到最大值。因此我们需要测量 出管道的壁面的各种信息，通过对这种不均与缺陷的分析来确定壁面的位 置和大小，从而判断出是否存在裂纹或其他的异常情况。利用雷达进行检 测时，首先要对管片的内部结构以及各部分的尺寸参数等因素有一个基本 的了解;其次，要根據仪器的性能要求，选择合适的发射脉冲频率，并将 其作为主要的工作指标。最后是对信号的接收与放大，一般采用多谐振荡 器，它可以使多谐共振器的输出功率最大化，同时还能提高系统的灵敏度。

三、结束语

为了提高对管片脱空的检测效率，在对管道泄漏进行实时监测的过程 中，我们需要采用地质雷达技术来实现。利用地质雷达的发射和接收功能，通过对声波的高频传播特性，在气体、固体和液体介质中的衰减波形的变 化来探测泄露的位置、大小以及分布情况，从而达到快速识别缺陷的目的;同时，还可以根据不同的时间间隔，选择相应的仪器设备，并使用特定的 方法完成测量。本文通过利用地质雷达的技术监测，阐述了地质雷达在管 片壁后脱空检测中的应用。

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