地层剖面仪在地下金属管线检测中的应用

2021-12-05孟山雅

世界有色金属 2021年5期

关键词：剖面金属管道

孟山雅

（中海油能源发展采办共享中心，天津 300452）

地下金属管道从其设计、施工到使用中，受一些因素影响其安全隐患较大，且由于其所处位置特殊，导致无法肉眼观察到管道问题。

1 地下金属管道检测常用技术手段

1.1 地下金属管道管内检测技术

管内检测主要采用在线检测技术，应用各种管内检测仪器设备。可在不停止生产情况下检测，及时发现管道存在隐患以及隐患部位。

首先是变形检测清管器，可以检测管道几何和断面变形情况、存在的屈曲和弯折现象等。国外智能检测清管器可以执行变形检测，检测管道几何变形与金属腐蚀。其次是管壁腐蚀检测清管器，地下金属管道输送介质会腐蚀管壁，管壁腐蚀检测清管器主要检测内壁腐蚀情况。管道更换维修的主要原因就是管壁腐蚀、裂纹等，因此加强管壁腐蚀检测十分必要。

1.2 地下金属管道管外检测技术

地下金属管道所处环境因地形条件限制而有所差异，需采用特殊的管外检测手段。由于光波、电磁波会受到干扰，其影响作用距离段，因此在地下金属管外检测中主要采用声学遥感设备、机器人等进行检测。

（1）多波束测深技术。这种技术利用了声波作为能量形式，相比于传统单波束侧身技术，可以一次性获得轨迹上条带状区域地层深度数据，其测量范围大、精度高、速度快，最后可获得管道埋藏区域的地形三维特征地图。

（2）机器人检测技术，该技术检测范围广、作业时间长，在地下金属管道检测中有着重要作用。主要包括遥控潜水器检测技术、自治机器人检测技术等。

（3）人工检测技术，检测工作可以直接通过仪器配合目视检测地下金属管道外状态，但测量区域有限。可以通过检测确定管道悬跨状况，通过专业设备测量、记录，确定悬跨的距离和高度等信息，并绘制管道剖面图。遇到特殊地质区域，则需要使用声呐设备检测。

2 浅地层剖面仪应用原理分析

浅地层剖面仪利用声波在地下沉积物内传播、反射特性对地层设备探测，是在回声探测技术基础上发展而来的。随着当前对地质资源的探索开发力度加大，地质钻探工程逐渐兴起，浅地层剖面仪在区域地质调查、巷道疏浚建设等方面发挥着重要作用。相比于钻孔取样技术，浅地层剖面仪在地质调查中操作更加便利、探测速度快，可以连续记录图像等。常见的浅地层剖面仪可以按照声学机理划分为线性、非线性声源两种类型。线性生源功率大、穿透力强、体积大，非线性声源的穿透力弱、体积小，两种浅地层剖面仪都是利用声波穿过不同介质下，介质的波阻抗差异性导致其产生的回波信号强弱不同特点来实施检测的，在输出记录上形成不同记录。

声波在穿透地层下行过程中，经过各层介质的滤波遇声阻抗界面返回。因地下的地质环境复杂，有着多种不同的层次，在声波进入测定区域后会形成透射、发射作用，每个反射层次会被接收。具体地质反射强度与发射系数相关，发射强度加大，则换能器会接收到较强反射信号，浅地层剖面仪接收到携带大量有价值信息的反射信号，在连续记录与分析下可获得地下金属管道、地质结构信息。利用浅地层剖面仪形成图像可以对地层内部结构进行识别，还能判断埋藏物与地上的空间位置关系等，不同地质沉积物深度不同，且由于地层声阻抗差异性，浅地层剖面仪获取资料也具有多解性特点。

在实际应用浅地层剖面仪检测中，会将主机与定位GPS固定在测量设备上，利用GPS系统定位，测量设备即可依据预定航线以一定速度行驶。地面下安置发射基阵、接收基阵，根据作业区地质状况，设定好主机发射声波脉冲的频率、功率等，向下重复进行脉冲发射，回波被接收基阵接收然后将其转换为电信号，主机在对其初步增益、滤波处理后可以以数字、纸质输出探测到的情况。测量设备在接收处理回波信号后，即可辨别其具体埋设位置。

3 浅地层剖面仪在地下金属管道检测中影响因素

3.1 管道与管沟声学剖面特征

铺设完成管道之后，挖沟处理会形成一定沟形，管道埋藏状态、管沟形态不同，则会产生多种绕射波空间特征。

地下金属管道挖沟后容易形成凸起、凹坑等地貌，沟的两侧大多为凸起状，其本身在沟沿两侧、沟底形成反射弧线。新挖沟的管道，管道剖面测量会受到未淤平管沟影响，特别是埋深较浅的管道，其反射波会与沟沿绕射波叠加，加大管顶辨识难度。

3.2 检测影响因素

3.2.1 不同信号源影响

在对同一区域埋藏管道检测中，不同信号源浅地层剖面系统的检测结果不同。其中，Chirp技术取得的效果更加显著，其绕射曲线与管道外形接近，在管道检测中分辨率较高。PCW技术检测获得的埋藏管道记录，其波束开角较大在管道顶端声波明显绕射，绕射波宽度较大，偏离管道外形，但在检测管道位置、埋深方面则比较准确。

3.2.2 航行速度影响

以Chirp浅地层剖面仪为例，不同航行速度下其对于相同地下金属管道的检测结果存在差异。相同频率的浅地层剖面仪，在水深相同情况下航行速度慢，则探测到管道频次高，会形成更加明显的绕射曲线，容易从浅地层剖面仪记录上识别出管道位置。航行速度快，则绕射曲线不够明显，同时曲线状态与管道真实形态的差别也比较大。

3.2.3 水深影响

在水深加大的情况下，管道会产生愈加明显的绕射波，水深越大绕射波宽度愈大，在此水深条件下难以对管道掩埋状态进行判断，只可确定管道所处位置。

4 浅地层剖面仪在地下金属管道检测中检测方法与成果分析

实际应用浅地层剖面仪进行地下金属管道检测中，需结合检测目的、埋藏区域地形特点等布设检测线，对于发现管道存在悬空等问题的区段，其检测线也应相应加密，以准确定位管道位置、悬空段长度等。测线与管线相交，从点到线探查管道空间赋存状态，并结合磁力调查数据等对地下金属管道平面位置、埋藏状态进行更加准确的判断。

4.1 仪器设备选择与安装

当前可使用线性调频脉冲技术、非线性调频脉冲技术这两种新型浅地层剖面仪。两者的特点各部相同，特定工程检测需要，比如对穿透更加侧重，则适合采用线性调频脉冲剖面仪，则检测效果较好。如果所检测管道埋设比较浅，需要保证其分辨率足够高，则适合选择参量阵浅地层剖面仪。

4.2 检测成果分析

地下金属管道检测中，检测成果分析关系着检测有效性。在处理数据资料过程中，需要考虑到不同情况下地下管道波组形态变化，以获得准确的埋深数据。如果管道处于特殊地质条件或者水文地质状况较差区域，则外业资料中存在干扰因素，会加大识别难度。干扰较强无法依据浅地层剖面仪记录判断管道位置的情况下，可以结合磁力探测、侧扫声呐等资料进行分析，保证结构准确性。如果地下金属管道悬空，需结合侧扫声呐数据分析管道悬空高度、长度。地面面以下埋藏的管道，侧扫声呐与磁力仪对其检测有限，需主要靠浅地层剖面仪探测资料获得管道信息。

首先是浅埋状态，浅埋金属管道剖图中其弧状管道信号清楚，上方沉积物自然回淤、下方信号屏蔽明显，则表示该处管道受到地下水冲刷影响较小，其状态较为稳定。

其次是回填碎石状态，检测管道埋藏状况就是检测管道敷设后上方覆盖层是否达标。可结合侧扫声呐、敷设施工资料共同分析判断反射物质，以及管道被碎石覆盖情况。

最后是管道出露状态，根据管道位置以及预挖沟形态，以及管道信号和上方碎石保护层状态，结合管道顶部、埋藏位置，可以得到管道出露高度。