孫海軍 趙秀芳 郎志鵬

中國(guó)石油西南管道貴陽(yáng)輸油氣分公司

摘 要： 河流穿越段管道作為管道完整性管理中的重要一環(huán)，其埋深測(cè)試面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)。運(yùn)用電磁測(cè)深技術(shù)對(duì)某河流穿越段管道埋深進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，該技術(shù)測(cè)量精度在可接受范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)操作性強(qiáng)，總結(jié)了電磁測(cè)深技術(shù)河流穿越段埋深測(cè)試方法和流程，可為同行提供借鑒。

關(guān)鍵詞： 電磁測(cè)深技術(shù)；河流穿越管道；管道完整性；埋深測(cè)試

近幾年，我國(guó)油氣管道事故頻發(fā)，其中因地質(zhì)災(zāi)害所致管道事故造成的直接和間接損失往往比其他類別的事故更大[1-3]。其中部分地質(zhì)災(zāi)害是可以通過增加管道的埋深來(lái)預(yù)防的。

目前，對(duì)于陸地管道的埋深測(cè)試技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但對(duì)于河流穿越段管道其埋深的測(cè)試仍存在一些困難。本文以某公司所屬輸氣管道（全長(zhǎng)約1 600 km，沿線穿越河流100余次）穿越河流段為例，開展了運(yùn)用電磁測(cè)深技術(shù)對(duì)管道埋深測(cè)試的研究，取得了較好的效果。

1 電磁測(cè)深技術(shù)簡(jiǎn)介

電磁測(cè)深技術(shù)采用的設(shè)備包括探管儀、測(cè)深儀及RTK瞬時(shí)定位儀。通過探管儀發(fā)射機(jī)對(duì)被測(cè)管線施加信號(hào)，在被測(cè)管線周圍產(chǎn)生二級(jí)磁場(chǎng)，然后通過接收機(jī)在地面接收管線的二次磁場(chǎng)，從而準(zhǔn)確地確定管線的位置、埋深、走向、路徑。如圖 1所示，先利用探管儀在水面上確定管道的中心位置，探測(cè)管道埋深H P；在確定位置的同時(shí)采用RTK瞬時(shí)定位儀對(duì)管道進(jìn)行瞬時(shí)定位，并用測(cè)深儀（測(cè)深儀與RTK瞬時(shí)定位儀連接在一起）測(cè)出此點(diǎn)的瞬時(shí)水深HG，然后按照式1計(jì)算管道中心距河床的深度即管道埋深H 。在測(cè)試的過程中，沿管道軸線按每2 m采一個(gè)測(cè)點(diǎn)，如果遇到埋深波動(dòng)超過15 cm的地段應(yīng)加密進(jìn)行探測(cè)。

圖1  水下管道埋深測(cè)試原理圖

2 測(cè)試頻率的確定及埋深測(cè)試

2.1 測(cè)試頻率的確定

測(cè)試前將探管儀發(fā)射機(jī)與被測(cè)管道的陰極保護(hù)測(cè)試樁相連接，形成一個(gè)回路。在正式測(cè)試前應(yīng)先對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)試，目的是選擇最佳頻率，使測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確。測(cè)試頻率的選定采用70%法進(jìn)行：在理想狀態(tài)下，接收機(jī)在管道中心正上方時(shí)電磁信號(hào)響應(yīng)最大，并且電磁信號(hào)強(qiáng)度向觀測(cè)點(diǎn)沿管道走向垂直方向兩側(cè)逐漸衰減，左右出現(xiàn)最大響應(yīng)值的70%時(shí)，此時(shí)兩點(diǎn)間直線距離等于觀測(cè)點(diǎn)的管道中心埋深，如圖 2所示。

圖2  70%法的測(cè)深原理示意圖

首先在被測(cè)管道合適的位置施加不同頻率的信號(hào)，在各頻率下記錄該點(diǎn)的直讀埋深，并通過70%法求得管道的真實(shí)埋深，然后計(jì)算不同測(cè)試頻率下直讀埋深與70%法測(cè)得的埋深誤差，取誤差最小的頻率作為最佳頻率。測(cè)試結(jié)果如表 1所示。

從表 1可以看出，直讀法與70%法計(jì)算所得管道埋深較為接近，最大校差為0.14 m，小于允許誤差（0.22 m， 70%法測(cè)得各頻率下平均值4.38的5%）。表明，實(shí)際測(cè)試時(shí)可以用直讀法代替70%法取得管道埋深數(shù)據(jù)。此外， 8 kHz頻率下直讀的4.33 m最接近70%法的平均值4.38 m，誤差最小，所以該段管道埋深測(cè)試采用的頻率應(yīng)為8 kHz。

以上只是對(duì)一個(gè)固定埋深（4.38 m）進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果誤差較小，為了驗(yàn)證不同深度下均可用直讀數(shù)據(jù)代替70%法測(cè)得的實(shí)際埋深，又選取了幾個(gè)不同埋深的管段進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 2所示。

從表 2可以看出，在8 kHz頻率下不同深度的直讀法與70%法計(jì)算所得管道埋深較為接近，相應(yīng)的校差均小于允許誤差，滿足要求。經(jīng)以上分析，該穿越段管道埋深測(cè)試采用8 kHz頻率，用探管儀直讀的數(shù)據(jù)可以作為本次測(cè)試的管道實(shí)際埋深。

2.2 管道埋深測(cè)試過程

測(cè)試頻率確定后，便可開始河流穿越段管道埋深測(cè)試。首先把RTK瞬時(shí)定位儀與測(cè)深儀連接在一起，并固定在船上，如圖 3所示。發(fā)射機(jī)的頻率調(diào)至最佳頻率后，用探管儀確定管道的中心位置，并測(cè)試管道埋深HP；在確定位置的同時(shí)立即采用RTK瞬時(shí)定位儀對(duì)管道進(jìn)行瞬時(shí)定位，手動(dòng)記錄該點(diǎn)編號(hào)及對(duì)應(yīng)的管道埋深HP，在定位測(cè)量的同時(shí)，測(cè)深儀可自動(dòng)測(cè)量該處的水深HG。

圖 3  水下管道埋深測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)情況

在測(cè)試過程中，按照每2 m采測(cè)一個(gè)點(diǎn)。在地形起伏大的地方如河堤或坡坎處（管道起彎頭）增加測(cè)試密度。陸地管道測(cè)試則不需要連接測(cè)深儀。

當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成之后，將每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)、水面高程、水深、水底高程、管道埋深等數(shù)據(jù)進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，并繪出穿越斷面的平面帶狀圖、河床斷面圖及管道埋深斷面圖。在斷面圖上，清楚反映已經(jīng)敷設(shè)管道的埋深，可供管理者使用。

值得注意的是，在管道傾斜處，用探管儀測(cè)得的埋深是指測(cè)試點(diǎn)與傾斜管道之間的垂直距離，若將其直接作為管道的豎直埋深來(lái)確定管道位置則會(huì)使得測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)誤差較實(shí)際埋深偏淺。為此，提出了作圓取公切線法。圖 4、5、6顯示了管道傾斜處直讀法和作圓取公切線法兩種方法獲得的管道埋深及其對(duì)比結(jié)果。可以看出作圓取公切線的方法獲得的管道埋深更為精確。本文采用作圓取公切線的方法來(lái)確定管道的真實(shí)埋深，在剖面圖中，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)作為圓心，以測(cè)試埋深（不論管道是否傾斜）作為半徑作圓，然后各圓底部的公切線的連線即為管道的真實(shí)位置，如圖 5所示。

圖 4  直讀法確定管道位置

圖 5  作圓取公切線法確定管道位置

圖 6  直讀法與作圓取公切線法確定管道位置對(duì)比圖

3 測(cè)試結(jié)果與誤差分析

3.1 測(cè)試誤差分析

3.1.1 RTK瞬時(shí)定位儀誤差分析

對(duì)搜集的控制點(diǎn)進(jìn)行校核，要求平面控制達(dá)到一級(jí)導(dǎo)線精度，高程控制達(dá)到四等光電測(cè)距三角高程精度。滿足二者要求后控制點(diǎn)可以利用。

收集的該穿越段管道資料(CHK2、 CHK1、CPS14、 CPS13、 CTHCY2、 CTHCY1)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)踏勘，只有CHK2、 CPS14還完好，其余均已破壞。通過現(xiàn)場(chǎng)校核平面控制達(dá)到一級(jí)導(dǎo)線精度，高程控制達(dá)到四等光電測(cè)距三角高程精度�？梢允褂茫�校核情況見表 3。

3.1.2 測(cè)深儀誤差分析

測(cè)深儀與RTK瞬時(shí)定位儀連接好后，應(yīng)對(duì)測(cè)試水深作校驗(yàn)。校驗(yàn)方法如下，先用儀器測(cè)量水深，再在同一位置用標(biāo)桿測(cè)量，二者比較，小于0.1 m時(shí)候測(cè)深儀誤差在合理范圍內(nèi)。測(cè)試點(diǎn)選擇了3個(gè)水深校驗(yàn)點(diǎn)，校差為0.03～0.06 m，詳見水深校驗(yàn)表 4。

3.1.3 探管儀誤差分析

在被測(cè)管道陸地部分選擇一處測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，并采用直接開挖的方法對(duì)管道埋深進(jìn)行驗(yàn)證。其目的是獲取儀器測(cè)試值與實(shí)際埋深值之間的差異，掌握儀器誤差，測(cè)試結(jié)果如表 5所示。

3.1.4 復(fù)檢驗(yàn)證

為了進(jìn)一步證實(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性，測(cè)試結(jié)束后又對(duì)已測(cè)試的點(diǎn)進(jìn)行抽檢復(fù)核，通過復(fù)檢，測(cè)試結(jié)果均在誤差范圍內(nèi)，測(cè)試結(jié)果可靠，如表 6所示。

圖 7  現(xiàn)場(chǎng)開挖驗(yàn)證照片

3.2 測(cè)試結(jié)果

（1）被測(cè)穿越段管道埋深測(cè)試采用640 Hz信號(hào)輸入，測(cè)試管道長(zhǎng)度為172.0 m，采集測(cè)試點(diǎn)82個(gè)。

（2）被測(cè)穿越段管道水下河床穿越段埋深在2.8～5.6 m之間，平均埋深4.7 m，河床地形為中間高兩側(cè)低，管道埋深由兩岸向河中心加深；河流北岸為梯級(jí)耕地，較為平坦，管道埋深在3.5～8.6 m之間，平均埋深5.9 m；河流南岸為斜坡地形，較陡，管道埋深在1.2～6.1 m之間，平均埋深3.6 m。

（3）根據(jù)開挖穿越施工圖，該段管道管頂最小埋深為3.0 m。根據(jù)本次測(cè)試數(shù)據(jù)，河床穿越段共測(cè)試31個(gè)點(diǎn)，僅一個(gè)點(diǎn)埋深略小于3.0 m，測(cè)試埋深為2.8 m，如圖 8所示，其余30點(diǎn)均滿足設(shè)計(jì)埋深。

圖8 穿越段管道埋深測(cè)試結(jié)果

基于以上結(jié)果，提出了河流穿越段管道埋深測(cè)試流程，如圖 9所示。

圖9 河流穿越段管道埋深測(cè)試流程

4 結(jié)論

（1）由“探管儀+測(cè)深儀+RTK瞬時(shí)電位儀”三級(jí)配備組成的電磁測(cè)深技術(shù)可以用于管道河流穿越段埋深的測(cè)試，且現(xiàn)場(chǎng)可操作性強(qiáng)，精度高。

（2）基于研究結(jié)果，提出了河流穿越段管道埋深測(cè)試的流程和數(shù)據(jù)處理方法。

（3）提出了測(cè)試結(jié)果誤差分析方法。

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作者：孫海軍，男， 1988年生，助理工程師， 2013年學(xué)士畢業(yè)于貴州師范大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)主要從事長(zhǎng)輸油氣管道保護(hù)工作。