穿越管道电磁法探测埋深精度制约因素及改进策略的应用

张 鑫 马文甲 薄克明 彭记寺 金兆波

（1. 国家管网集团广东运维中心（广东省网公司） 广东 深圳 510710；2. 大庆市汇通建筑安装工程有限公司，黑龙江 大庆 163311）

0 引言

穿越管段往往都是超长（＞300m）和超深（＞9m）的管线。虽然物探技术在工程勘察方面取得到了极大的进步，但非常规开挖的超长超深管线的精确定位和测深依然是难题，值得进一步研究。

1 电磁法探测技术理论基础

电磁法是目前探测地下管线最有效、最灵活，也是最经济的物探手段。电磁法探测埋地管线主要基于经典麦克斯韦电磁场理论和电磁感应原理，以地下金属管线与其周围介质的导电性、导磁性的差异为主要基础，对电磁场空间分布特点进行研究和总结，根据探测仪器的信号响应来实现地下金属管线的定位和埋深测量。

实现高精度管线探测，一般均需通过信号供入装置，将交流电流信号施加到待检测的管线上，从信号供入方式上可分为两种方法：

（1）感应法：发射线圈供交变电流，在其周围形成一次交变磁场，管线收到交变磁场的激励作用产生交变电流，进而在管线周围形成二次交变磁场。接收装置在一定距离内接收二次磁场信号并分析其分布特征，从而达到寻找探测定位地下金属管线的目的（如图1所示）；

（2）直连法：将谐变电流I0e-iωt通过地下金属管线的裸露处对其充电，一次场分布曲线如图1所示。待测管线模拟为无限长水平长圆柱体，根据《场论》知识，可以计算出空间任一点p的总磁场强度H：

图1 水平长圆柱体磁场异常曲线图

从图1可见，Hx、Hz曲线特征与管线位置的关系为：

（1）在x=0处，即管线正上方Hx=Hxmax；Hz= 0；

（2）在x =±h 处，Hx=1/2Hxmax，|Hzmax|= 1/2Hxmax；

Hz正负极值点间的距离为2倍的管线中心埋深。

（3）在x→∞时，Hx及Hz曲线均趋于零。

由上述可知：

（1）在无严重干扰场存在时，无论采用直连法还是感应法，均可根据Hx、Hz变化特征判断地下金属管线的存在；

（2）根据一次或二次交变磁场强度的极值点，确定地下管线的中心点在地面的投影点位；

（3）采用感应法技术时，应注意对背景场的分析，必要时应对背景场进行改正。

根据实践效果对电磁法测深理论进行验证，可总结电磁法对常规埋地钢质管道定位及测深的应用效果十分理想。但对于超深管线（埋深＞6m）的定位及探深，传统电磁法受管道埋深、传感器灵敏度及管线敷设环境等不利因素限制，应用效果并不理想。

2 提升超深管线探测精度的技术路径

2.1 发射端创新采用卫星同步法增加检测信号强度

发射装置通过接收GPS秒脉冲信号实现输出探测信号在时序上严格同步，使两台发射机给管道施加的检测电流能够实现同步叠加，达到管道上的检测电流在传输过程中相互补强，从而增加探测信号的强度，实现对超埋深、长跨度穿越管线的有效定位和埋深测量。

同步模式可以选择在检测段的同一位置或两端施加检测信号且不局限于两台发射机，可多台发射机同时为检测段待测管线加载信号。

图2 双侧卫星同步模式加载信号示意图

2.2 接收端采用高灵敏度传感器提升信号采集精度

图3 磁芯线圈与空芯线圈对比图（右为空心线圈）

超深管线定位系统接收机采用高精度空芯线圈，可有效避免磁芯线圈的弊端，通过信号调理和数字滤波等技术，大幅度提升超埋深管线上弱小信号的检测识别和抗干扰能力。

在检测信号良好的前提下，超深管线的探测深度达到40m，1～10m的测深精度优于2%，10～20m的测量精度达到5%，20～40m的测量精度优于10%。

3 现场实际应用效果

研发团队与西气东输广东管理处共同对四处不同位置及埋深管道进行应用与试验，通过试验达到了验证超深管道检测系统的目的，为解决超深管段检测困难的问题提供了新的解决方法。

表1为现场试验管段信息。

表1 项目应用与示范对象情况表

为了达到试验目的，本次试验所选取的现场管线敷设环境各不相同，管线敷设埋深也在6～20m之间不等。其中佛山市龙翔大桥物探大鹏燃气管线为定向钻穿越管段，埋设位置其他干扰较少，管线埋深最深位置约15m；东莞市石碣北王公路大王洲段LNG定向钻管线属于市区内管线，管线周围并行管线、高压输电线等其他金属结构较多，探测位置埋深超过10m；西气东输管线30650环焊缝点位管线敷设位置环境单一，地下水位较高，可验证系统在不同电阻率的敷设位置定位及测深的精度。

表2 佛山市龙翔大桥物探大鹏燃气勘测点位超深管道试验

表3 东莞市石碣LNG定向钻管线定位物探勘测点位超深管道试验

表4 西气东输管线30650环焊缝点位超深管道试验

经过与磁梯度测量方法测试结果比对，超深管线测绘系统UPL在大鹏燃气勘测点10m范围内埋深测量误差可保证在4%～4.5%范围内，在埋深15m的测试点埋深测量误差在7.1%～9.2%之间，此测试点一侧为佛山燃气伴行管线，导致测量误差偏大。经过试验表明，电测法测量管线时，管线并行间距应超过二分之一埋深，此时电磁法测量可保证测量 精度。

经过与磁梯度测量方法测试结果比对，超深管线测绘系统UPL东莞市石碣LNG定向钻管线定位物探勘测点位的埋深测量误差可保证在0.7%～4.35%之间。该位置管段位于城区，电磁干扰较多，测试结果表明，在保证信噪比的情况下，超深管线定位系统可较好的完成定位和测深工作。

西气东输管线开挖复拍施工30650环焊缝点位已知埋深为6.5m，超深管线定位系统测量结果为7.2m，测量结果偏深，此测量点地下水位较高，该位置土壤电阻率偏低，介质磁导率与常规管道埋设情况存在差异，导致测量结果偏深，证明超深管线定位系统在埋深测量过程中应充分考虑磁导率对测量结果的影响，以保证测量精度，同时此管段未达到超埋深情况，通过试验对比管线埋深在9～15m是测量精度更高。该发现为系统的后期提升提供了宝贵的基础数据，指明了该技术在超深管线探测过程中的发展方向。

4 展望

研发团队应用先进的电磁探测技术和卫星同步技术，通过对埋地管道定位和测深技术的改造及升级，研发出能够适应当前国内超深埋地管道的专业检测系统。该系统能够对埋设深度30m范围内的管道实现高精度定位及深度测量，为管道的日常维护及第三方施工提供了有效的基础数据，填补了国内对超深管线探测的技术空白。

超深管线定位系统通过试验，验证了该套系统应用的可行性及实用性。检测所获得的数据及分析结果，为管道管理方提供了明确的基础信息。管道基础数据准确性是后期施工及维护的基础。越来越先进的技术将被应用到管道检测技术中，管道的安全运营得以保证，也将更好奉献能源服务民生。