声波振动式非金属燃气管探测方法研究及应用

叶 辉，杨永龙，张 超，闫海涛

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430100)

1 引 言

聚乙烯(Polyethylene,PE)管材由于施工方便,抗腐蚀和环保性好等优点，被广泛地应用于中、低压城镇燃气输送中。由于历史原因，早期敷设的PE管道大部分缺少竣工图纸或图纸标识的地面参照物发生改变,造成无法获知地下管线的准确位置[1-3]。这给市政建设施工及燃气公司运营管理和安全维护等带来了很大的困难,给城市安全带来很大的隐患，直接开挖费时费力，如何快速、准确、方便地探查PE管线这是一个急需解决的问题。从国内外现有的管线探测技术来看，地下金属管线的探测技术已趋于成熟,目前主要采用电磁法、地质雷达法进行探测，基本能解决金属燃气管道定位问题[4-7]。然而，非金属的PE管线不导电也不导磁，采用传统的金属管线探测仪器难以对其进行有效探测[8，9]。近些年来，城市化建设步伐的加快，因第三方施工挖断挖爆燃气管道的事故频繁发生，给人们的生命财产带来很大的危害，造成的社会影响非常恶劣[10，11]。因此，非金属燃气管道的探测工作成为众多物探技术人员工作的热点。熊俊楠等[12]通过地质雷达法探明了燃气管道的平面位置、埋深，并指出使用探地雷达探测PE管道时，管道直径与埋深之比大于0.1是比较合适的探测范围。曹震峰[13]采用示踪线法对PE燃气管道进行有效探测，准确获取PE管道的平面位置及埋深。白雪峰[14]用磁梯度法对大埋深燃气管道进行探测，能够较准确地获得管道空间位置。王鹏飞等[15]用惯性陀螺仪定位技术和全站仪进行模拟对比实验，测量数据显示吻合度非常高。上述方法的应用条件相对来说比较苛刻，很难对某一区块的地下燃气管网进行全覆盖式探测。譬如，地质雷达法要求探测地表较平整，探测的周边环境无强电、磁干扰等，在多条管道并排时无法进行分辨。基于电磁感应法的管线探测仪仅适用于敷设有完整示踪线的PE燃气管道。磁梯度法是以目标管线与周围介质的磁性差异为基础，该方法抗干扰能力强、探测精度高；但其理论不够完善，缺乏定量分析方法，施工繁琐，工期过长，通常作为验证手段用以评价其他方法的有效性。惯性陀螺仪定位方法需要割开管道两端，成本非常高，不适宜开展大范围的探测定位工作。声波振动式探测方法的出现很好地解决了上述难题[16，17]。该方法前期准备工作简单，不影响管网的正常运行，由于声波信号只在燃气管道的内部传播，探测时是通过地面强音量区判断管道位置，因此，多种管道并排时几乎不会发生误判；与传统地质雷达法相比，其效率更高，成本更低。本文基于声学理论公式推导分析了管道中声波传播特性，为声波振动式探测方法及仪器的实际应用提供了指导。本次研究以武汉市江夏区燃气PE管道探测项目为例,采用声波振动式探测方法探测该区非金属的PE燃气管道，通过开挖验证分析探测成果的精度，验证了该方法及仪器设备的准确性及适用性。

2 探测原理及分析

2.1 探测原理

声波振动式管道探测法的基本原理是：通过音频振动器在燃气管道内部产生很强的声波信号，信号沿管道定向传播至远端，该信号在管道压力气体中定向传播的同时，通过管壁土壤传播至地面；此时信号接收机在地面上捕捉该声波信号，通过接收到的强音量区判断管道的平面位置(图1)。

图1 声波振动式燃气管道探测原理Fig.1 Detection principle of acoustic wave vibration gas pipeline

2.2 管道中的声波

2.2.1 传播形式

管道中声波的特点是声波被约束在管道内，传播距离很远。例如：船舱内管道的传声、隧道内车辆发动的声音、隧道里的风机噪声都可以传播到很远的距离。虽然燃气管中的声波较为复杂，但是可以基于声学理论公式推导分析理想条件下燃气管道内部的声波传播特性，对该复杂问题做出合理的推断。

图2 燃气管道理想模型Fig.2 Ideal model of gas pipeline

输气管道内理想流体介质中声波平面波[17,18]的表达式为

p(x)=p0ej(ω t-kx)

(1)

式中:p0为初始声压振幅,单位dB;ω为角频率,单位rad/s，ω=2πf;k为波数或者传播常数,单位m-1。

在管内可以产生理想的平面波, 声压解为

pmn=Ammcos(mθ-φm)Jm(kmnr)ej(ω t-kzz)

(2)

Pmn=Amnej(ω t-kz)

(3)

通过对比式 (3) 与式 (1) 可得，(0,0) 波即为沿管轴直线传播的一维平面波模式，称之为主波,除 (0,0) 次以外的波称为高次波。只有当声源的激发频率大于管中某一简正频率fmn时, 才会在管内激起对应的(m,n) 次波, 其中

(4)

式中：r为管道半径, 单位m;c0为传播速度，单位m/s;kmn为波数,单位m-1。因此，当声源频率低于管道中的激发频率时,管内声波都以平面波的形式传播。

(5)

根据式(5),对于实际城镇中、低压天然气管线,分别计算其平面波的截止频率,得到表1。

从表1可知，只要发射频率低于772.5 Hz，声波以平面波形式传播。实际上，在实际应用中，为了使信号较好的传播至远端的地面，发射信号频率一般控制在300～600 Hz之间。

2.2.2 管道中声波的衰减

声波在管中的衰减由多种因素引起，主要有气体的黏滞运动、燃气管的弯折、分支、管径的变化、管壁的振动等[19,20]。在长直的输气管道中，主要考虑气体的黏滞运动导致的声音衰减。在图3的模型中，输气管道内中声波衰减系数[20,21]，α可以表示为

(6)

式中：r为管道半径,单位m；ρ为初始流场的不可压缩流体密度，视为常数，单位kg/m3；ω为声波的角频率，rad/s；μ为气体的切变黏滞系数，单位为N·s/m2。

从式(6)可知，声波在管中的衰减与管道半径r成反比，管径越小衰减越快；同时衰减与声波频率的平方根成正比，频率越高衰减越快。所以，在实际应用中，为了保障声波信号传播的足够远，发射到燃气管内的声信号频率不宜过高；对于大管径、硬质路面，声波信号衰减相对较慢，地面强信号区范围较大，难以追踪，可考虑降低发射信号功率和提高发射信号频率，缩小强信号区域范围，便于管道位置的追踪；对于小管径、埋深大的管道，地面信号较弱，宜根据情况及时提高发射信号功率或降低发射频率，增强地面声波信号辨识度，方便追踪管道位置。

4 案例分析

4.1 工区概况

本次实验场地位于武汉市江夏区，工区内人行道及绿化带分布燃气管道、给水管、通信电缆、雨水管和污水管等各种材质管道。该工区内的燃气管道均为PE材质，前期均未敷设示踪线，埋设深度1.0～2.8 m；地表情况大多是表层人工填土,主要由沥青路面、水泥路面、碎石路基、黄土组成。显然，采用常规的地质雷达及管线探测仪器探测难以识别,另外一些干扰源对管线的探测精度也有很大影响,这些干扰主要来自于水泥路面的钢筋网、路中及路边的铁栅栏、铁质的广告牌、人行道旁的架空电力线、管线间的相互干扰、正在施工的电器、地表人工填土中的铁质杂物及来往穿梭的汽车等。为了查明该区PE材质燃气管道地下空间位置，采用声波振动式管道探测仪器进行探测，并对探测成果进行了验证。

4.2 探测设备

本项目采用中交第二公路勘察设计研究院有限公司自研的CSPD-21型燃气管道探测仪器开展试验工作，仪器照片如图3所示。仪器由声波信号发射机和接收机组成，音频振动器通过燃气管道的阀井放散口、法兰等固件连接，向管道内施加声波信号。发射机控制器可调节信号频率、功率大小及声波振动方式。发射机信号频率范围100～1 000 Hz，功率大小由 5～50 W 可调节，声波振动方式有正弦波、方波、变频模式三种。信号接收机由手持机、高灵敏度拾音探头和耳机等组成，拾音探头通过高灵敏的加速度传感器拾取到的微弱振动信号转为电信号，再经模数转换单元变为数字信号，对该数字信号进行滤波、时频分析、相关处理。处理后的信号分为两路，一路通过手持机上的液晶屏显示信号的相对振幅强度和频谱特征，另外一路转化为声音信号供技术人员定量分析判断管道位置。

对于管道的埋深，首先确认出管道的准确平面位置，然后记录正上方及旁边30～50 cm处的振动信号波形，接着对该信号进行滤波、时频分析、自相关等处理后通过手持机上的智能深度计算模块进行定量分析，最后用经验关系函数校正得到管道的参考埋深。

4.3 成果分析

验证管线探测方法及设备的实用性及精确性，最直观、最有效的办法是开挖验证。为了使数据精度分析具有较高的可信度和统计意义，从探测确定的PE管道点位中随机选取20处作为探测精度分析的样本。开挖后分别量取了各点位相对固定参照物的探测距离、开挖距离、探测埋深、开挖埋深,并以此结果作为精度分析的基础数据。

图4 开挖点照片Fig.4 Excavation point photo

由表2和图5分析可知，20组的探测数据与开挖数据对比，探测点的平面差在0.06～0.24 m，高程差在0.07～0.21 m。探测点与开挖点的水平差及深度差均未超过0.30 m，完全满足城市建设施工及燃气公司在后期管网维护中的精度需求。另外，根据《城市地下管线探测技术规程(CJJ61-2017)》对表1的数据按照公式计算隐蔽管线点探查平面位置中误差mts、埋深中误差mth：

表2 探测点与开挖点坐标对比

图5 探测点与开挖点坐标数据较差值对比Fig.5 Comparison between coordinate data of probe point and excavation point

通过计算得出：mts=0.090 m≤0.10h，mth=0.097 m≤0.15h。由该数据分析可知，本次试验采用的声波振动式燃气管道探测方法及设备满足规范的要求，在实际的PE燃气管线探测工作中可以采用该方法及设备开展大范围的探测定位工作。

5 结论与讨论

通过分析当前城镇燃气PE管道的特殊性及主要的PE管道的探测定位方法，重点介绍了声波振动式探测方法的原理，并借助声波理论公式推导简单燃气管道模型中声波的传播特性及规律，为实际应用工作提供指导，最后通过实际项目验证了该方法的水平及深度精度误差。试验结果表明，声波振动式管道探测法操作简单、高效、准确、成本低，是当前开展城镇中压、低压燃气管道探测工作的理想方法。

相比传统的PE燃气管道探测方法，声波振动式管道探测法虽然具有明显的优势，但是，在实践中，该方法及设备存在以下方面需要改进和完善的地方：

1)对于超长距离的、超大埋深的燃气管道，由于衰减导致拾取的信号较弱甚至无法接收到有效信号，因此有必要进一步开展研究，如可否通过尽可能提高发射信号强度，以提升探测深度及距离；

2)对于深度计算，是依靠经验关系统计推断，虽然能够基本满足实际需求，但是还缺少完善的理论基础，建议开展相关的理论研究，进一步提升参考深度的准确率。