孫海軍 趙秀芳 郎志鵬

中國石油西南管道貴陽輸油氣分公司

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)，其埋深測試面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)。運(yùn)用電磁測深技術(shù)對某河流穿越段管道埋深進(jìn)行測試，結(jié)果表明，該技術(shù)測量精度在可接受范圍內(nèi)，現(xiàn)場操作性強(qiáng)，總結(jié)了電磁測深技術(shù)河流穿越段埋深測試方法和流程，可為同行提供借鑒。

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

近幾年，我國油氣管道事故頻發(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預(yù)防的。

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

1 電磁測深技術(shù)簡介

電磁測深技術(shù)采用的設(shè)備包括探管儀、測深儀及RTK瞬時定位儀。通過探管儀發(fā)射機(jī)對被測管線施加信號，在被測管線周圍產(chǎn)生二級磁場，然后通過接收機(jī)在地面接收管線的二次磁場，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，探測管道埋深H P；在確定位置的同時采用RTK瞬時定位儀對管道進(jìn)行瞬時定位，并用測深儀（測深儀與RTK瞬時定位儀連接在一起）測出此點(diǎn)的瞬時水深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 。在測試的過程中，沿管道軸線按每2 m采一個測點(diǎn)，如果遇到埋深波動超過15 cm的地段應(yīng)加密進(jìn)行探測。

圖1  水下管道埋深測試原理圖

2 測試頻率的確定及埋深測試

2.1 測試頻率的確定

測試前將探管儀發(fā)射機(jī)與被測管道的陰極保護(hù)測試樁相連接，形成一個回路。在正式測試前應(yīng)先對儀器進(jìn)行調(diào)試，目的是選擇最佳頻率，使測試結(jié)果準(zhǔn)確。測試頻率的選定采用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電磁信號響應(yīng)最大，并且電磁信號強(qiáng)度向觀測點(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，此時兩點(diǎn)間直線距離等于觀測點(diǎn)的管道中心埋深，如圖 2所示。

圖2  70%法的測深原理示意圖

首先在被測管道合適的位置施加不同頻率的信號，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)算不同測試頻率下直讀埋深與70%法測得的埋深誤差，取誤差最小的頻率作為最佳頻率。測試結(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%法測得各頻率下平均值4.38的5%）。表明，實(shí)際測試時可以用直讀法代替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試采用的頻率應(yīng)為8 kHz。

以上只是對一個固定埋深（4.38 m）進(jìn)行對比，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%法測得的實(shí)際埋深，又選取了幾個不同埋深的管段進(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)可以作為本次測試的管道實(shí)際埋深。

2.2 管道埋深測試過程

測試頻率確定后，便可開始河流穿越段管道埋深測試。首先把RTK瞬時定位儀與測深儀連接在一起，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，并測試管道埋深HP；在確定位置的同時立即采用RTK瞬時定位儀對管道進(jìn)行瞬時定位，手動記錄該點(diǎn)編號及對應(yīng)的管道埋深HP，在定位測量的同時，測深儀可自動測量該處的水深HG。

圖 3  水下管道埋深測試現(xiàn)場情況

在測試過程中，按照每2 m采測一個點(diǎn)。在地形起伏大的地方如河堤或坡坎處（管道起彎頭）增加測試密度。陸地管道測試則不需要連接測深儀。

當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成之后，將每一個點(diǎn)對應(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，用探管儀測得的埋深是指測試點(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確定管道位置則會使得測試結(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比結(jié)果�？梢钥闯鲎鲌A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確定管道的真實(shí)埋深，在剖面圖中，每個測試點(diǎn)作為圓心，以測試埋深（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比圖

3 測試結(jié)果與誤差分析

3.1 測試誤差分析

3.1.1 RTK瞬時定位儀誤差分析

對搜集的控制點(diǎn)進(jìn)行校核，要求平面控制達(dá)到一級導(dǎo)線精度，高程控制達(dá)到四等光電測距三角高程精度。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)場踏勘，只有CHK2、 CPS14還完好，其余均已破壞。通過現(xiàn)場校核平面控制達(dá)到一級導(dǎo)線精度，高程控制達(dá)到四等光電測距三角高程精度。可以使用，校核情況見表 3。

3.1.2 測深儀誤差分析

測深儀與RTK瞬時定位儀連接好后，應(yīng)對測試水深作校驗(yàn)。校驗(yàn)方法如下，先用儀器測量水深，再在同一位置用標(biāo)桿測量，二者比較，小于0.1 m時候測深儀誤差在合理范圍內(nèi)。測試點(diǎn)選擇了3個水深校驗(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

在被測管道陸地部分選擇一處測試點(diǎn)進(jìn)行測試，并采用直接開挖的方法對管道埋深進(jìn)行驗(yàn)證。其目的是獲取儀器測試值與實(shí)際埋深值之間的差異，掌握儀器誤差，測試結(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)測試數(shù)據(jù)的可靠性，測試結(jié)束后又對已測試的點(diǎn)進(jìn)行抽檢復(fù)核，通過復(fù)檢，測試結(jié)果均在誤差范圍內(nèi)，測試結(jié)果可靠，如表 6所示。

圖 7  現(xiàn)場開挖驗(yàn)證照片

3.2 測試結(jié)果

（1）被測穿越段管道埋深測試采用640 Hz信號輸入，測試管道長度為172.0 m，采集測試點(diǎn)82個。

（2）被測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)本次測試數(shù)據(jù)，河床穿越段共測試31個點(diǎn)，僅一個點(diǎn)埋深略小于3.0 m，測試埋深為2.8 m，如圖 8所示，其余30點(diǎn)均滿足設(shè)計(jì)埋深。

圖8 穿越段管道埋深測試結(jié)果

基于以上結(jié)果，提出了河流穿越段管道埋深測試流程，如圖 9所示。

圖9 河流穿越段管道埋深測試流程

4 結(jié)論

（1）由“探管儀+測深儀+RTK瞬時電位儀”三級配備組成的電磁測深技術(shù)可以用于管道河流穿越段埋深的測試，且現(xiàn)場可操作性強(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試的流程和數(shù)據(jù)處理方法。

（3）提出了測試結(jié)果誤差分析方法。

參考文獻(xiàn)：

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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)制造及其自動化專業(yè)，現(xiàn)主要從事長輸油氣管道保護(hù)工作。