感应法与直连法在隐蔽金属管道探测中的联合应用

2021-12-13潘剑伟张成丽

无损检测 2021年8期

周江，潘剑伟，吕勇，杨洲，张成丽

(1.贵州大学资源与环境工程学院，贵阳 550025) (2.贵州省黔西南布依族苗族自治州设计院有限公司，兴义 562400)

管道已经成为城市发展中资源运输的主要载体[1]。对地下水、电、气等管道的准确定位对于城市管理与发展显得至关重要[2-3]。部分建筑物建造年代较为久远，地下管道的规划布置图等资料已损坏或丢失，导致建筑物的改造存在很多困难[4]。为了避免对地下管道造成损坏，在建筑物施工前需要对规划场地地下管道的走向、位置进行探测[5]。地下管道按物理性质可大致分为金属管道与非金属管道。因为地下金属管道或铜、铝质电缆与周围的物质媒介存在明显的电磁性差异，所以可以利用电磁感应原理来对其进行探测，主要方法有感应法、夹钳法、直连法等[6-7]。

尹燕京等[8]指出感应法适用于盲探，盲探易受临近管道干扰且信号不稳定；直连法适用于非盲探，不易受临近管道信号干扰且信号强。不同物探方法的勘探效果不一样，为了精确定位管道的位置，避免多解性，在实际工程中，勘探人员通常会综合利用两种或多种物探方法来相互补充验证结果[9]。杨向东[10]采用直连法和感应法探明了东莞市科技大道地下金属管道的分布，保障了道路改造施工安全；张燕平等[11]利用感应法与直连法等探测方法对油田进行二次勘探，说明了物探方法对油田地下管网定位的有效性；林雄[12]采用感应法和直连法探测得到地下管道资料，为地铁的线路设计和施工提供了重要依据。综上所述，结合直连法与感应法对地下金属管道进行探测，可得到较准确的地下管道资料。

文章首先对载流管道的电磁响应信号进行了数值模拟，然后通过场地试验对直连法中单、双端不同连接方式下响应信号的特征进行了分析；最后通过某发电厂金属供水管道探测的实例说明了感应法与直连法联合使用的效果，为地下隐蔽金属管道的探测工作提供了一种思路。

1 探测原理

频率域电磁法是目前探测地下管道常用的方法之一[13]。在探测金属管道时，发射机向外发送谐变磁场，目标体在一次磁场的激发下产生二次电场，交变的二次电场产生的二次磁场被接收机接收，检测人员通过分析接收磁场的分布可以确定地下管道的位置[14]。根据一次电磁场的来源，频率域电磁法分为主动频率法和被动频率法。主动频率法即直接将信号通过直连或感应的方式转移到金属管道上，而被动频率法主要利用自然电磁场的变化来确定管道的位置。根据信号施加方式的不同，主动频率法又可分为感应法、直连法、夹钳法[15]。文章主要讨论主动频率法中感应法与直连法的探测理论与实际运用。

1.1 感应法探测

采用感应法进行金属管道探测时，将管道探测仪的发射机放置在目标金属管道的正上方，信号发射方向与管道延伸方向一致，利用接收机沿管道方向探测二次磁场，正常情况下，信号越强说明探测仪越接近管道位置。根据接收信号的强弱，可推断出管道的位置[16]。感应法的探测原理如图1(a)所示。

1.2 直连法探测理论

图1 感应法与直连法探测原理示意

采用直连法探测时，直接将发射信号的电极接在被测管道上，并向管道供电。直连法又分为单端直连和双端直连。一般在有管道出露点的情况下，单端直连法将管道探测仪接地电缆的正极与出露点相接，负极接地，连接导线应尽量垂直于目标管道[见图1(b)]。双端直连法将管道探测仪接地电缆的正负极均接在同一根金属管道的出露点上，其连接导线必须尽量远离目标管道，防止信号干扰[见图1(c)]。

2 数值模拟

2.1 载流长直金属管道的磁场分布

当所测管道在水平剖面的距离大于管道埋深的5倍时，即可将该导线视作无限长直导线，此时磁场强度H的计算公式为

(1)

式中：I为金属管道载入的电流；r0为接收器至金属管道圆心的距离。

对无限长直导线附近某一点的磁场强度沿水平方向和垂直方向进行分解(见图2)，记x为接收点到管道的水平距离，h为被测管道埋深，可得到磁场水平分量Hx和垂向分量Hz为

(2)

(3)

图2 地下金属管道的磁场分解示意

2.2 无限长直导线电磁响应信号的数值模拟

图3 不同埋深、不同载流管道的电磁响应曲线

响应曲线的特征如下所述。

(1)Hx曲线的异常幅度大，极大值正好对应于管道的上方位置，但该点斜率为0，异常范围较窄。Hz曲线在管顶位置处为极小值，管道两侧存在极大值，且关于管道对称；当x趋于无穷大时，响应值逐渐减小。

(2)Hx与Hz的大小与电流呈正相关，当x和h不变时，电流越大，响应值越大。

(3)Hx与金属管道埋深相关，当I与x不变时，埋深越大，响应值越小。

3 单端直连法与双端直连法的物理模拟

3.1 单端直连法与双端直连法的探测效果

选取某管道1，2号出露点为研究对象，两出露点距离为86 m，管道埋深为1.2 m，试验仪器为TAM-3000型光电缆路由探测仪及配套的数字式多频接收机。参数设置均为直连模式下的低频、低档，增益为40 dB。1号出露点连接充电端正极，分别在单端直连和双端直连方式下，在管道正上方每隔5 m利用数字式多频接收机接收并记录一次信号数据。

图4 单双端直连法的物理模拟结果(40 dB)

图4为增益为40 dB时单端、双端直连法的物理模拟结果，可见，单端直连法下，离充电端距离越远，接收到的信号强度越弱；双端直连法下，远离充电端点处的信号也会降低，两个充电端点中间约45 m位置处接收的信号强度最弱。

单端直连法与双端直连法输入电流的回路不同，双端直连法外部连接线与金属管道构成了明显的电流回路，电流主要集中在金属管道中；单端直连法没有形成明显的电流回路，输入的电流大部分经大地传导而向四周扩散，所以双端直连法的响应信号要强于单端直连法的，即使信号最弱的中间部位响应信号的幅值也比单端直连法的大上许多。这也侧面说明了双端直连法在管道沿线的探测效果好过单端直连法的。

3.2 不同增益条件下单端直连法的探测效果

图5 两种增益下单端直连法的物理模拟结果

为了进一步研究增益对单端直连法探测效果的影响，利用管道1号出露点设计了增益分别为40，50 dB的探测试验，其他参数设置与3.1节的相同。

图5为两种增益情况下单端直连法的物理模拟结果，可见，仅在探测点与充电端距离较小时，不同增益的探测信号强度之间存在较大差别,随着接收信号点与充电端距离的增大，二者接收信号的强度差逐渐减小。从该现象上看，当沿管道走向方向探测时，由于单端直连法输入电流回路的局限性，仅仅靠改变仪器的增益参数并不能很好地改善单端直连法的探测效果。这也说明在远距离探测金属管道时，使用双端直连法的必要性。

4 应用实例分析

某发电厂拟建员工宿舍，拟建场地中存在金属供水管，该供水管道于多年前深埋，管道具体位置资料已丢失。根据现场情况，探测工作联合使用了感应法与直连法，并结合当地居民提供的供水管道大概位置来寻找金属水管。分析两种方法的特点，感应法通过接收机在地面接收二次场信号，按照信号强弱对地下管道进行定位。该方法操作简单，适用范围较广，可用于探测所有金属管道，适用于该区域的盲探工作，以初步确定管道走向。若目标金属管道在地表有出露点，通常会选择使用更直观的直连法。直连法直接向管道施加电流，信号强，定位精度高，容易区分近距离相邻的管道[17-18]，适用于已经揭露管道位置之后再对管道进行大面积的快速探测工作。

探测时，首先利用感应法，保证发射机与接收机距离在20 m以内，找出信号最强的位置，然后将接收点转为发射点，重复该步骤，确定拟建宿舍场地内浅埋部分管道的位置。标记并成功开挖验证的1号坑位如图6所示。利用1号坑揭露的管道，采用单端直连法，将发射机正极连接在1号坑揭露的管道上，负极连接大地；在2号点(见图7)附近，利用接收机在垂直于管道走向上持续接收信号，取信号最强点为管道位置，标记2号点并进行开挖验证。采用相同的工作方法，后续又确定了4号点。在2号和4号点之间，由于表层回填的堆土较厚(部分厚度超过6 m)，所以以2号和4号点为供电点，采用双端直连法进行探测，标记并成功开挖了3号点。最终确定的该供水管道在拟建场地的地下轨迹如图7所示，图中蓝色曲线为供水管道的轨迹。