改进型大埋深金属管道高精度电磁法定位技术

叶宇峰 陈 伟 王锋淮 严俊伟

（1.浙江省特种设备科学研究院；2.浙江省特种设备安全检测技术研究重点实验室）

随着经济的飞速发展和城市化进程的不断推进，我国先后经历了3次油气管线建设的高峰期［1］。据统计，截止2018年年底，我国累计建设油气长输管道里程数为13.6万公里。根据国家发改委和能源局发布的《中长期油气管网规划》，到2025年，我国油气管网规模将达到24万公里，其中原油、成品油、天然气管道里程分别为3.7万公里、4.0万公里、16.3万公里［2］。

长输管线在穿越铁路、公路及江河等时会加大埋设深度，特别是定向钻穿越施工技术的普及，使得大跨距超埋深的金属管线线缆数量急剧增加［3］，同时要在管线运行管理和后续的工程施工环节中对这些超埋深管线进行定位测深。传统的管线仪测量超过10 m埋深的管线时测量精度会大幅降低，无法满足工程测量的精度要求；而打探测井的测量方法，同样需要事先定位管道的位置走向，且要面临施工难度大、工程费用高及施工周期长等难题［4］。因此，工程行业迫切需要一种能够在不打探孔的前提下，高精度实现管线定位和埋深测量的技术。

1 超埋深管线电磁法定位面临的挑战

电磁法定位常规埋设的金属管线是一项成熟的定位技术。其原理是应用信号发射机在埋地管道与接地极之间施加某一频率的交变电压，将检测信号电流发射到待检测的管道上并使用信号接收机应用峰/谷值探测模式在地面上精确定位出管线的路由和走向［5］。通过接收机的两组竖直布置的水平线圈测量感应信号强度差，将该信号输入拟合公式中便可计算出埋地管道中心距离底部线圈的距离。

该管道电磁定位和埋深测量方法具有操作简单、施工成本低等优点，对埋深在10 m内的管道测量精度能够满足工程技术要求，但对于埋深超出10 m的大埋深管道，该方法往往只能给出管道埋深参考区间而无法精确定位管道的埋深，这主要是因为在长跨度大埋深的穿越管道检测中，电磁定位方法尚需解决以下技术难题：

a.信号强度。影响管道埋深测量精度的首要因素是现场检测信号的信噪比。对于超埋深管线定位，需对管道施加比小埋深管道大得多的检测信号［6］。但由于超埋深管线往往会伴随大跨距，因此不能近距离给管线施加检测信号，导致普通管线探测仪的信号发射机因为功率的限制和大跨度的应用场景而难以为超埋深管线建立足够的检测信号强度，致使测量现场的信噪比很小，难以实现超埋深管线的高精度定位和埋深测量。

b.测量传感器精度。磁芯线圈作为普通定位接收机的信号拾取装置，具有结构紧凑、输出信号强及后继信号调理电路简单等特点。但这类线圈灵敏度低，基于此构成的管线仪对弱信号的反应不灵敏，在后继信号调理和抗干扰电路的构成环节上数字滤波算法难以取得良好的应用效果。

c.测量线圈布置形式。电磁法测量管线埋设深度时依靠的是上、下两组线圈上感应电流的强度差。常规探测仪上、下两组线圈的间距一般在40 cm以内。但对于埋深超过10 m的管道，上、下两组线圈间距过小则难以形成足够的测量差值，进而直接影响深度测量值的有效精度。为提高超深管线的探测能力，需加大上、下线圈的布置间距。

2 提高电磁法定位精度的技术途径

2.1 卫星同步信号发射技术

为解决大埋深、长跨度埋地、水下穿越金属管道探测信号因衰减导致信号强度和传输距离无法满足探测要求的问题，采用GPS卫星信号同步管道探测信号发射装置。该装置通过接收GPS秒脉冲信号实现输出探测信号在时序上的严格同步，使两台发射机给管道施加的检测电流能够完全同步叠加，实现管道上检测电流在传输过程中的相互补强，从而增加探测信号的强度，增大对管道的有效探测深度和距离，从而实现对大埋深、长跨度穿越管道的准确探测［7］。

同步模式是指使用多台发射机为检测段管道同时施加低频电流信号，发射机之间通过卫星授时功能来同步施加信号，从而加强管道中的检测信号强度。同步模式可以选择在检测段的同一位置为其施加检测信号，也可以选择在检测段的两端为其施加检测信号。同步模式不仅局限于两台发射机同时为检测段加载信号，亦可多台发射机同时为检测段加载信号［8］。图1为双侧同步模式发射机连接示意图。双侧同步模式是指将多台发射机分别放置在管道的两处测试桩位置为检测段施加检测信号。将发射机全部连接GPS天线并开启同步模式，此时发射机对管道施加电流信号并产生叠加效果。若TP1测试桩位置发射机绿色信号输出线接管道，黄色信号输出线接地极，则TP2测试桩发射机绿色信号输出线接地极，黄色信号输出线接管道。两处测试桩发射机信号输出线与管道和地极的连接顺序需相反，否则两台发射机的输出电流将产生相互抵消的效果。

图1 双侧同步模式发射机连接示意图

2.2 空芯测量线圈的应用

磁芯线圈作为传统管线定位接收机的信号拾取装置，具有结构紧凑、输出信号强及后继信号调理电路简单等特点。但这类线圈普遍具有灵敏度低的缺点，基于此构成的管线仪对弱信号的反应不灵敏，难以用于后继信号调理和抗干扰电路的构成以及数字滤波算法的应用［9］。空芯线圈是利用电磁感应原理进行作业的器材，具有体积小巧且电感频率影响小的特点。当电流流过线圈导线时，会在导线的周围产生一定的电磁场，而这个电磁场的导线本身又会对处在这个电磁场范围内的导线产生感应效果［10］。

2.3 测量线圈大间距布置方法

将超深管线定位仪的上、下两组测深线圈的间距增加到100 cm并配合使用高精度空芯线圈以及后继信号调理和数字滤波技术，可有效提升超深管道的测量范围和测量精度［11］。在检测信号良好的前提下，超深管线的探测深度达到40 m。通过现场实际测量可知，该设备对1～10 m埋深管道的测深精度优于2%；对10～20 m埋深管道的测量精度达到5%；对20～40 m埋深管道的测量精度优于10%。

3 应用实例

应用大埋深金属管道高精度电磁法定位技术，对穿越龙河的天津天然气管道进行检测。现场检测过程中接收机在管线正上方行走，沿管线走向对管线进行切向运动，观察信号响应最大值即为管线正上方，按下测量键对当前位置的埋深和电流进行测量。对200 m的穿越段进行定位和测深，发现管道埋深处于10.0～23.2 m范围内，最深点处测量值与探井的测量结果进行对比，二者之间的误差小于5%。

4 结束语

针对超埋深管线定位和测深存在的技术难点，结合卫星同步信号发射装置，采用高精度空芯线圈、优化线圈间距等技术，开发了一种改进的超埋深管道定位和测深技术。实际应用结果表明，通过多场景对比证明了笔者所提技术具有操作便捷、探测精度高的优点，可为管道行业和工程单位提供可靠的技术保障。