埋地非金属管道探测技术及对比

孙宝财 荆 炀 张正棠

（甘肃省特种设备检验检测研究院）

近年来， 埋地金属管道的探测方法多种多样，相关探测技术也较为完善，而埋地非金属管道探测技术还处于起步阶段。 埋地非金属管道本身材质具有无磁性、不导电的特质，这就决定了对于非金属管道探测技术的研究无法借鉴常规金属管道的探测设备和相关技术理论。 目前，大多埋地非金属管道位置不明， 尤其是油气管道，一旦受外界破坏造成泄漏，将会产生严重的安全隐患，影响企业的经济效益。 因此，研究一种准确、便捷、迅速定位埋地非金属管道的探测技术，是当下亟待解决的问题［1～5］。

1 埋地非金属管道探测方法

1.1 探地雷达法

探地雷达法通过发出和接收的电磁波，对其覆盖的地下区域内介电常数不同的物质进行导电性探测，确定地质目标的内部结构，从而区分出地下管道［4］。 雷达波的频率与所探测目标的分辨率正相关，而与衰减速度、探测范围负相关［6～9］。

探地雷达通过发射天线将1 MHz～1 GHz 的高频电磁波以平面波的形式传入地下，被地下具有电差异性的目标物质反射后以反射回波的形式被接收天线接收，如图1 所示［10］。 雷达主机能够准确地记录反射回波关键参数特征， 如时间、波长、相位和振幅，然后对采集的参数进行数据处理，将数据参数转化成图像，扫描图像进行分析，即可清晰地判断出地下目标的特性和位置。

图1 探地雷达法原理示意图

1.2 声学管道定位法

如图2 所示，运用声学管道定位仪APL 进行管道定位时，通过发射器向地面发射一束短声波脉冲，脉冲遇到任何不连续阻抗或带有不匹配声波阻抗时会发生反射，并且在管道内壁和气体的接触面间形成全反射，而在土壤与管道外壁接触面间的反射系数较低，接收器接收表面波和管道反射波，经数据分析即可得到声波图像［11～13］。

图2 声学管道定位法原理示意图

声学管道定位法是基于波的传播与反射原理实现的， 这种探测原理既可以探测金属管，又可以探测非金属管。 然而，这种波的传播特性使得声学管道定位法具有一定的局限性，例如对于较为疏松的土层结构、土壤存在明显的分层或者较大的空隙、空洞等都会形成干扰信号，对探测结果产生较大的影响。 不同于探地雷达法，该方法在应用时地下介质的电导率对声波反射的影响可以忽略不计［14］。

2 探地雷达法与声学管道定位法对比

2.1 多根管道探测效果对比

图3、4 分别为某油田采油厂集输总线管道APL 显示图像、雷达显示图像。 从图3 可以看出，有两处较为强烈的信号反射，说明有两根疑似管道； 而图4 则显示存在3 个较为明显的异常信号，说明有3 根疑似管道，其中两根管道间距较近，另一根管道距离较远。 应用两种方法对存在多跟管线的同一位置进行探测，可以看出两种方法对于相邻很近的管线均有较为明显的信号显示，说明距离相近的管线并不会对电磁波的传播以及声波的传导产生较大干扰，也证明这两种方法均适用于同沟敷设的管道探测，同时间接表明管道本身不会产生信号干扰。

图3 集输总线管道APL 显示图像

图4 集输总线管道雷达显示图像

2.2 回填区域管段探测效果对比

图5 为回填土地段管道雷达显示图像。 由图5 可以看出，由于该位置管线被大量回填物覆盖，地表环境复杂，因此无法从雷达图中判断出目标管道的位置。 分析主要的干扰物为混凝土石块、废弃管段、回填石块及砖块等。

图5 回填土地段管道雷达显示图像

图6 为在相同位置处得到的APL 显示图像。图6 中反射信号较为杂乱，在第5 个切片（声学管道定位仪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，这个过程称为一个切片）处反射信号较强，根据以往的工程经验判断第5 号切片处可能存在管道。

图6 回填土地段管道APL 显示图像

综上所述，探地雷达法和声学管道定位法对于后期回填不密实或回填土里大块杂物较多的情况均无法进行有效探测。

2.3 管道直径与埋深对探测效果的影响

在埋深1.5 m、敷设环境较为简单、回填土密实且均为细沙、含石块颗粒较少的情况下，APL显示图像（图7）中的反射信号强烈，管道探测效果明显，说明单一地表环境下使用APL 声学定位设备可以定位公称直径较小的管道；而采用探地雷达法却无法定位该管道（图8 中无明显信号显示）， 说明在埋深较深时探地雷达无法对小管径管道进行有效探测。 实际上，探地雷达的最大有效探测深度为2 m，超过2 m 时则无法探测。

图7 注水管线穿路段APL 显示图像

图8 注水管线穿路段雷达显示图像

3 结束语

从探地雷达法与声学管道定位法的原理上来说， 两者在理想环境下均可对目标管道进行有效探测，但其本身也具有各自的局限性。从原理角度分析，两种方法的主要影响因素如下：

a. 运用探地雷达法进行管道定位，影响传播距离的主要因素有3 个，分别为介电常数、电导率和电磁波频率。 由于衰减系数与电磁波的频率成正比，也就是说电磁波频率越高，衰减速度越快，有效探测距离就越短，因此探测时应尽量选择低频；当频率一定时，相对介电常数和介质电导率越大，衰减速度越快，有效探测距离就越短。 相对介电常数和电导率均与管道周围土壤质地有关，故其探测分辨率受管道外径、管道周围土壤质地的影响较大。 此外，基于波的干涉原理，其探测灵敏度与管道埋深密不可分，埋地过深或管径较小的目标难以探测。

b. 运用声学管道定位法进行管道定位，由于其不需要在目标管道上施加信号，且对管道材料无要求，对土壤质地无依赖性，所以其探测时不会受其他因素制约，唯一需要注意的是该方法无法实现盲探，需明确管道的大致范围。

从现场定位结果来看，声学管道定位法和探地雷达法需在知道管位大致走向的情况下使用，用于确定部分管段的位置。 当埋地管道所属区域完全未知时，则无法进行有效探测。 探地雷达法与声学管道定位法均无法实现整条管线的示踪，只能对某些特征位置短距离走向进行确认，且两种定位方法只能探测土壤下方是否存在管道，但对于其是否是目标管道则无法进行判断。 另外，受山地地形所限，在沟壑、边坡、凹陷、杂草及潮湿等地标环境下无法使用探地雷达进行探测；边坡处无法使用声学管道定位法进行探测。 声学管道定位法和探地雷达法均可以对金属管道和非金属管道进行定位，但无法区分金属管道与非金属管道。