孫海軍 趙秀芳 郎志鵬

中國石油西南管道貴陽(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)，其埋深測試面臨一些技術(shù)挑戰。運用電磁測深技術(shù)對某河流穿越段管道埋深進(jìn)行測試，結果表明，該技術(shù)測量精度在可接受范圍內，現場(chǎng)操作性強，總結了電磁測深技術(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)災害所致管道事故造成的直接和間接損失往往比其他類(lèi)別的事故更大[1-3]。其中部分地質(zhì)災害是可以通過(guò)增加管道的埋深來(lái)預防的。

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(cháng)約1 600 km，沿線(xiàn)穿越河流100余次）穿越河流段為例，開(kāi)展了運用電磁測深技術(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(jiǎn)介

電磁測深技術(shù)采用的設備包括探管儀、測深儀及RTK瞬時(shí)定位儀。通過(guò)探管儀發(fā)射機對被測管線(xiàn)施加信號，在被測管線(xiàn)周?chē)�產(chǎn)生二級磁場(chǎng)，然后通過(guò)接收機在地面接收管線(xiàn)的二次磁場(chǎng)，從而準確地確定管線(xiàn)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(shí)采用RTK瞬時(shí)定位儀對管道進(jìn)行瞬時(shí)定位，并用測深儀（測深儀與RTK瞬時(shí)定位儀連接在一起）測出此點(diǎn)的瞬時(shí)水深HG，然后按照式1計算管道中心距河床的深度即管道埋深H 。在測試的過(guò)程中，沿管道軸線(xiàn)按每2 m采一個(gè)測點(diǎn)，如果遇到埋深波動(dòng)超過(guò)15 cm的地段應加密進(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)射機與被測管道的陰極保護測試樁相連接，形成一個(gè)回路。在正式測試前應先對儀器進(jìn)行調試，目的是選擇最佳頻率，使測試結果準確。測試頻率的選定采用70%法進(jìn)行：在理想狀態(tài)下，接收機在管道中心正上方時(shí)電磁信號響應最大，并且電磁信號強度向觀(guān)測點(diǎn)沿管道走向垂直方向兩側逐漸衰減，左右出現最大響應值的70%時(shí)，此時(shí)兩點(diǎn)間直線(xiàn)距離等于觀(guān)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(guò)70%法求得管道的真實(shí)埋深，然后計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。測試結果如表 1所示。

從表 1可以看出，直讀法與70%法計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(shí)可以用直讀法代替70%法取得管道埋深數據。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為8 kHz。

以上只是對一個(gè)固定埋深（4.38 m）進(jìn)行對比，結果誤差較小，為了驗證不同深度下均可用直讀數據代替70%法測得的實(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，實(shí)驗結果如表 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%法計算所得管道埋深較為接近，相應的校差均小于允許誤差，滿(mǎn)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，用探管儀直讀的數據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(guò)程

測試頻率確定后，便可開(kāi)始河流穿越段管道埋深測試。首先把RTK瞬時(shí)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)射機的頻率調至最佳頻率后，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(shí)立即采用RTK瞬時(shí)定位儀對管道進(jìn)行瞬時(shí)定位，手動(dòng)記錄該點(diǎn)編號及對應的管道埋深HP，在定位測量的同時(shí)，測深儀可自動(dòng)測量該處的水深HG。

圖 3  水下管道埋深測試現場(chǎng)情況

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

當數據采集完成之后，將每一個(gè)點(diǎn)對應的坐標、水面高程、水深、水底高程、管道埋深等數據進(jìn)行一一對應，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(lái)確定管道位置則會(huì )使得測試結果出現誤差較實(shí)際埋深偏淺。為此，提出了作圓取公切線(xiàn)法。圖 4、5、6顯示了管道傾斜處直讀法和作圓取公切線(xiàn)法兩種方法獲得的管道埋深及其對比結果�？梢钥闯鲎鲌A取公切線(xiàn)的方法獲得的管道埋深更為精確。本文采用作圓取公切線(xiàn)的方法來(lái)確定管道的真實(shí)埋深，在剖面圖中，每個(gè)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(xiàn)的連線(xiàn)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(xiàn)法確定管道位置

圖 6  直讀法與作圓取公切線(xiàn)法確定管道位置對比圖

3 測試結果與誤差分析

3.1 測試誤差分析

3.1.1 RTK瞬時(shí)定位儀誤差分析

對搜集的控制點(diǎn)進(jìn)行校核，要求平面控制達到一級導線(xiàn)精度，高程控制達到四等光電測距三角高程精度。滿(mǎn)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(guò)現場(chǎng)踏勘，只有CHK2、 CPS14還完好，其余均已破壞。通過(guò)現場(chǎng)校核平面控制達到一級導線(xiàn)精度，高程控制達到四等光電測距三角高程精度�？梢允褂�，校核情況見(jiàn)表 3。

3.1.2 測深儀誤差分析

測深儀與RTK瞬時(shí)定位儀連接好后，應對測試水深作校驗。校驗方法如下，先用儀器測量水深，再在同一位置用標桿測量，二者比較，小于0.1 m時(shí)候測深儀誤差在合理范圍內。測試點(diǎn)選擇了3個(gè)水深校驗點(diǎn)，校差為0.03～0.06 m，詳見(jiàn)水深校驗表 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(kāi)挖的方法對管道埋深進(jìn)行驗證。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，測試結果如表 5所示。

3.1.4 復檢驗證

為了進(jìn)一步證實(shí)測試數據的可靠性，測試結束后又對已測試的點(diǎn)進(jìn)行抽檢復核，通過(guò)復檢，測試結果均在誤差范圍內，測試結果可靠，如表 6所示。

圖 7  現場(chǎng)開(kāi)挖驗證照片

3.2 測試結果

（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(cháng)度為172.0 m，采集測試點(diǎn)82個(gè)。

（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）根據開(kāi)挖穿越施工圖，該段管道管頂最小埋深為3.0 m。根據本次測試數據，河床穿越段共測試31個(gè)點(diǎn)，僅一個(gè)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(mǎn)足設計埋深。

圖8 穿越段管道埋深測試結果

基于以上結果，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 結論

（1）由“探管儀+測深儀+RTK瞬時(shí)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，且現場(chǎng)可操作性強，精度高。

（2）基于研究結果，提出了河流穿越段管道埋深測試的流程和數據處理方法。

（3）提出了測試結果誤差分析方法。

參考文獻：

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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)機械設計制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現主要從事長(cháng)輸油氣管道保護工作。