埋地PE管道声学定位探测技术应用研究

作者:曾岳梅 贾向炜 李英杰 来源:武汉安耐捷科技工程有限公司 点击:  评论: 更新日期:2016年09月03日
摘 要:阐述埋地PE管道探测的示踪线探测法、地质雷达探测法,分析声学定位探测法的原理、APL定位探测仪及应用实例。声学定位探测法不需要与管道连接即可进行准确定位,探测结果受周围环境因素影响小,适用于地下复杂管线的探测。
关键词:PE管道;  声学定位;  声学探测;  地质雷达
Application Research on Acoustic Location and Detection Technology for Buried PE Pipes
Abstract:The tracer line detection method and geologic radar detection method for detecting buried PE pipes are elaborated.The principle of acoustic location and detection method,acoustic pipe locator(APL)and application examples are analyzed.The acoustic location and detection method can achieve accurate location,which does not need to connect to the pipe.The detection results are slightly affected by the surrounding environmental factors.This method is suitable for detection of the complex underground pipeline.
Keywords:PE pipe;acoustic location;acoustic detection;geologic radar
 
1 概述
PE管道具有施工方便、耐腐蚀、抗冲击等优点,在管道工程中应用越来越广,但其不导电、不导磁造成定位难度大,且PE管道本身强度小,一定程度上增加了第三方施工损害管道的可能性。据统计,深圳2013年上半年发生11起燃气管道第三方破坏事故,造成严重的经济损失。2013年11个月内惠州市燃气管道被挖破13次,造成直接经济损失逾200×104元。因此,对地下PE管道的准确定位进行深入研究十分必要。
2 埋地PE管道定位探测方法
2.1 地质雷达探测法
目前,常用示踪线探测法是在PE管敷设施工时一起埋入一条导电线(称为示踪线),并在阀门等明显处设出露点,用于给示踪线加电流信号。该方法探测时给示踪线加上一定强度的电流,通过探测示踪线电流产生的电磁场确定示踪线的空间位置,从而确定埋地PE管道的位置[1]。在PE管非开挖顶管施工中,经常发生绑在PE管上的示踪线在随管拖动过程中被拉断,造成无法探测[2-3]
2.2 地质雷达探测法
地质雷达是一种使用高频电磁波探测地下介质分布的非破坏性地球物理探测方法,其工作原理是:发射天线向地下发射电磁波信号,在电磁波向地下传播的过程中,当遇到电性差异的目标体(如空洞、裂隙等)时,电磁波便发生反射,由接收天线接收反射波。地质雷达工作原理见图1[4-5]
 
在对地质雷达数据进行处理和分析的基础上,根据雷达波形、电磁场强度、振幅和双程用时等参数可推断地下的地质构造。地质雷达探测具有高效率、无损害、高精度、抗干扰、操作便捷等优点[6],能较好地应用于埋地PE管道定位探测,但地质雷达对直径较小的管道和位于盐碱地、页岩层或粘土下的管道探测均存在局限性,且图像具有多解性,只有经过专门训练的人员才能正确判读管线属性,探测费用也较高。
3 埋地PE管道声学定位探测法
3.1 管道声学定位原理
目前,声学定位技术应用于埋地管道定位探测属于一种新型技术,该技术主要是利用声波在介质中的传播特性探测和定位目标,其原理如下。
通常,声压波可表示为时间与位置的关系,见式(1)。
2p/¶x2=r0m(¶2p/¶t2)      (1)
式中p——声压,Pa
x——声波发射点位置,m
r0——介质平均密度,kg/m3
m——压缩系数
t——时间,s
一般声压p表现形式为连续平面波,可分解成式(2)的形式。
p(x,t)=Pacos(2pft+kd)       (2)
k=2p·(f/c)
式中Pa——平面波振幅,m
f——频率,Hz
k——波数
d——波的传播距离,m
c——声波的传播速度,m/s
管道声学定位探测时,发射器发射一束短声波脉冲到地面(见图2a),从任何不连续或带有不匹配声波阻抗的界面反射回声波,其中管道光滑内表面和气体的接触面反射系数为100%,土壤或岩石与管道外表面的接触面的反射系数均较低,接收器接收到地表表面波和管道反射波,其探测波振幅见图2b。一般情况下,增大声波频率能提高其辨识小管道和附近管道的能力,但是随着频率的增加,土壤的衰减能力也增大。对不同埋深的管道,基于土壤衰减特性应设置最大使用频率,根据土壤类型、湿度和夯实情况的不同,其衰减值的范围为0.1~0.9dB/(kHz·cm),衰减系数取决于地面条件。
 
3.2 埋地PE管道声学定位探测仪
目前,市场上基于声学定位系统开发的管道探测仪以APL声学管道定位仪(简称APL)为代表。20世纪90年代后期,美国燃气研究院(GTI)开始研究船管道声学探测技术,后来将该技术授权给美国杰恩公司,并于2011年基于声学探测技术的APL开始商业化,其发展历程见图3。该仪器由操作面板、发射机、接收机、手柄等组成,其工作流程如下:仪器操作时要平放在地面上,以便与地面形成较好的耦合,按动按键发射一束声波脉冲,该束脉冲会持续约2s,这个过程称为一个点探测。操作者继续向左或向右平行移动15~30cm再做一个点探测,如此反复完成一个截面多个点探测(至少做5个点),最终显示界面把该截面内所有点探测结果综合为一个管道位置点显示出来。
 

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