聲波定位技術(shù)在燃?xì)釶E管道探測(cè)中的

應(yīng)用研究

曹川 宋健 蘇立柱

（西安大地測(cè)繪股份有限公司，陜西 西安 710199）

摘要：聲波定位技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)獾叵翽E管道探測(cè)，是一種較好解決燃?xì)釶E非金屬管道探測(cè)定位的技術(shù)方案。這一技術(shù)的有效利用很好地解決了天然氣非金屬PE管道探測(cè)定位這一技術(shù)難題，也激發(fā)了國內(nèi)管線探測(cè)行業(yè)廣大科研人員的研發(fā)熱情，并催生了國內(nèi)相關(guān)儀器設(shè)備廠商自主研發(fā)、生產(chǎn)的國產(chǎn)化。

關(guān)鍵詞：聲波定位技術(shù)；PE管道；地下管線探測(cè)；聲波振蕩器

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快，天然氣的使用越來越普及，燃?xì)夤艿赖慕ㄔO(shè)也越來越頻繁，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，至2022年，我國長輸天然氣管道總里程11.8萬千米（含地方及區(qū)域管道）、城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿揽傞L度約為98.9萬千米，..燃?xì)夤艿缆裨O(shè)總長度突破了110萬千米。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，原有使用的鋼、鑄鐵等金屬管道材質(zhì)被玻璃鋼、PE管、PP-R管、UPVC管等非金屬管道材質(zhì)所替代。這些新型材質(zhì)管道具有抗沖擊性強(qiáng)、抗開裂性好、耐老化、耐腐蝕、重量輕、造價(jià)低等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此近年來，在市面上聚乙烯管道（簡稱PE管道）使用于國內(nèi)城市燃?xì)庑袠I(yè)中越來越普遍 。而現(xiàn)有輕便、快捷常用的管線探測(cè)設(shè)備幾乎均為金屬管線探測(cè)儀，無相應(yīng)的PE管道探測(cè)設(shè)備，這就促進(jìn)了聲波定位技術(shù)在燃?xì)釶E管道探測(cè)中的使用和發(fā)展。現(xiàn)實(shí)證明，聲波定位技術(shù)應(yīng)用于地下燃?xì)釶E管道探測(cè)，是一種較好解決非金屬燃?xì)釶E管道探測(cè)定位的技術(shù)方案。

1. 1  聲波定位技術(shù)與常規(guī)電磁感應(yīng)法的區(qū)別

聲波定位探測(cè)燃?xì)釶E管道技術(shù)與常規(guī)電磁感應(yīng)法探測(cè)技術(shù)的區(qū)別主要有以下四方面。一是聲波定位探測(cè)燃?xì)釶E管道技術(shù)只有主動(dòng)源法，無被動(dòng)源法；二是聲波定位探測(cè)燃?xì)釶E管道技術(shù)只能運(yùn)用于輸送氣體介質(zhì)的管道探測(cè)，無法運(yùn)用于其他介質(zhì)輸送管道的探測(cè)；三是聲波定位探測(cè)燃?xì)釶E管道技術(shù)須激發(fā)氣體介質(zhì)傳輸信號(hào)，而不是激發(fā)管道本體傳輸信號(hào)；四是聲波定位探測(cè)燃?xì)釶E管道技術(shù)，是通過接收音量和音波強(qiáng)弱信息的綜合分析.終演算推導(dǎo)出管線中心平面位置，而不是通過一種數(shù)據(jù)運(yùn)算、分析獲取探測(cè)成果。

1. 2  聲波定位技術(shù)原理

聲波定位探測(cè)燃?xì)釶E管道技術(shù)是以主動(dòng)聲源探測(cè)法為工作原理，以聲波傳導(dǎo)作為技術(shù)核心，用聲波衰減的強(qiáng)弱來判定目標(biāo)管線的準(zhǔn)確位置。具體內(nèi)容是先運(yùn)用主動(dòng)聲源發(fā)射主體—音頻器發(fā)射裝置（發(fā)射機(jī)），向燃?xì)釶E管道內(nèi)發(fā)射特定頻率的聲波信號(hào)，通過氣體振蕩器將聲波信號(hào)激發(fā)于管道傳輸介質(zhì)—天然氣，信號(hào)通過氣體介質(zhì)沿管道定向傳播至遠(yuǎn)端，該聲波信號(hào)在管道壓力氣體中定向傳播的同時(shí)，透過管壁振動(dòng)介質(zhì)土壤并立體傳播至地面；同時(shí)利用主動(dòng)聲源接收主體配件—拾音器（接收機(jī)），在地面上捕捉該主動(dòng)源聲波信號(hào)，通過接收到的相同頻率但強(qiáng)度不同的振動(dòng)信號(hào)，運(yùn)用接收機(jī)內(nèi)置芯片據(jù)實(shí)運(yùn)算、分析，將接收信號(hào)以聲音和柱狀圖形式顯示，并通過持續(xù)接收信號(hào)點(diǎn)附近的聲音及柱狀圖衰減幅度，找到目標(biāo)管線管的垂直擾動(dòng)范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道平面位置的..定位。聲波定位探測(cè)燃?xì)?PE管道技術(shù)原理圖如圖 1 所示。

圖1 聲波定位探測(cè)燃?xì)釶E管道技術(shù)原理

聲波定位探測(cè)燃?xì)釶E管道技術(shù)受一定地質(zhì)條件、地表環(huán)境影響，但相對(duì)沒有電磁感應(yīng)法使用時(shí)所受影響那么大。本文主要以國內(nèi)幾家廠商自主研發(fā)、生產(chǎn)的設(shè)備為依據(jù)，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)燃?xì)釶E管道埋設(shè)平面位置探測(cè)數(shù)據(jù)與開挖量測(cè)實(shí)際埋設(shè)面位置數(shù)據(jù)做比對(duì)，其探測(cè)精度中誤差值均可滿足現(xiàn)有相應(yīng)行業(yè)規(guī)程、規(guī)范的管線探測(cè)成果使用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。因此，此類設(shè)備可以推廣應(yīng)用于天然氣PE管道探測(cè)定位工程項(xiàng)目。

1. 3  聲波定位技術(shù)探測(cè)燃?xì)釶E管道的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍

聲波定位探測(cè)燃?xì)釶E管道技術(shù)，具有探測(cè)精度高、探測(cè)連續(xù)性強(qiáng)、探測(cè)距離遠(yuǎn)、不受電磁輻射干擾，受地質(zhì)條件、地表環(huán)境限制影響小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，可解決燃?xì)釶E管道無法..定位這一非金屬管線探測(cè)的行業(yè)技術(shù)難題。當(dāng)然，聲波定位探測(cè)燃?xì)釶E管道技術(shù)作為一種新引進(jìn)的探測(cè)技術(shù)手段，也存在一些缺點(diǎn)，比如僅僅只能探測(cè)有天然氣介質(zhì)輸送的管道，探測(cè)作業(yè)時(shí)主動(dòng)聲源發(fā)射主體—音頻器發(fā)射裝置必須與輸送氣體介質(zhì)連通（存在較大..風(fēng)險(xiǎn)隱患），目前市面上生產(chǎn)的聲波定位探測(cè)PE燃?xì)夤艿纼x器設(shè)備僅能進(jìn)行探測(cè)定位而無法定深等。

聲波定位探測(cè)燃?xì)釶E管道技術(shù)主要應(yīng)用在天然氣管道探測(cè)工程項(xiàng)目中，其他輸送氣體介質(zhì)的管道也可以進(jìn)行探測(cè)定位。以現(xiàn)有的設(shè)備技術(shù)手段，生產(chǎn)作業(yè).佳的探測(cè)條件是主動(dòng)聲源接收主體—聽音器接收機(jī)（探測(cè)點(diǎn)），距離主動(dòng)聲源發(fā)射主體—音頻器發(fā)射裝置連接點(diǎn)（激發(fā)點(diǎn)）長度在1000~1500m以內(nèi)，探測(cè)管道的埋設(shè)深度不大于4m , 能夠一次性..探測(cè)管線位置。如果超深、超長，則需要采用其他綜合分析方法，或者變換主動(dòng)源聲波激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離才能準(zhǔn)確探測(cè)出目標(biāo)管道位置，..其探測(cè)精度。如，加大發(fā)射功率、加大接收功率、變換發(fā)射（接收）頻率、變換拾音探頭模式、單用聽音模式、單用數(shù)顯模式及聽音和數(shù)顯二合一綜合分析模式等。

燃?xì)夤艿朗枪芫€家族里面運(yùn)行使用..隱患風(fēng)險(xiǎn).高的一類，高壓力運(yùn)輸，且易燃易爆。為指導(dǎo)聲波定位技術(shù)在燃?xì)釶E管道探測(cè)工作中的有效運(yùn)用，在日常工程項(xiàng)目生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)細(xì)化關(guān)鍵的探測(cè)工藝流程，緊抓..生產(chǎn)操作環(huán)節(jié)，..探測(cè)生產(chǎn)作業(yè)的順利實(shí)施。

聲波定位技術(shù)探測(cè)燃?xì)釶E管道工作主要包括資料收集與分析、現(xiàn)場(chǎng)踏勘、探測(cè)儀器方法試驗(yàn)、技術(shù)方案編制、技術(shù)交底與..培訓(xùn)、PE管道探測(cè)、PE管道測(cè)量、探測(cè)與測(cè)量數(shù)據(jù)融合處理、質(zhì)量分析、成果制作等工作內(nèi)容，聲波定位技術(shù)探測(cè)燃?xì)釶E管道工作流程如圖2所示。

圖2 聲波定位技術(shù)探測(cè)燃?xì)釶E管道工作流程

(1) 資料收集與分析

聲波定位技術(shù)探測(cè)燃?xì)釶E管道工作開展前先要做好資料的準(zhǔn)備和分析，收集所有管線工程相關(guān)的設(shè)計(jì)圖、變更圖、竣工圖及施測(cè)區(qū)域內(nèi)已有控制成果及其坐標(biāo)和高程系統(tǒng)，大比例尺地形圖等，尤其是要統(tǒng)計(jì)閥門井、非開挖大埋深管線的位置和長度，并分析這些成果的使用及參考價(jià)值。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)踏勘

聲波定位技術(shù)探測(cè)燃?xì)釶E管道工作開展前，還需對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘。踏勘內(nèi)容主要包括協(xié)調(diào)委托方及施工單位，作業(yè)區(qū)域路網(wǎng)分布及交通情況，準(zhǔn)確找到探測(cè)工作開展時(shí)能連接音頻器發(fā)射裝置的閥門井位置；摸清管道埋設(shè)的大概位置和覆土類型，為后面探測(cè)儀器方法試驗(yàn)尋找合適的場(chǎng)地；確認(rèn)待測(cè)目標(biāo)管線的材質(zhì)和管徑并做記錄，作為采取何種探測(cè)技術(shù)手段開展生產(chǎn)的依據(jù)；查看閥門井內(nèi)是否埋設(shè)有示蹤線，是否可利用示蹤線進(jìn)行電磁感應(yīng)法探測(cè)驗(yàn)證等。

(3) 探測(cè)儀器方法試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘選擇的試驗(yàn)場(chǎng)地，在已知管線平面位置的地點(diǎn)進(jìn)行方法試驗(yàn)，以確定聲波定位技術(shù)探測(cè)燃?xì)釶E管道的.小、.大、.佳收發(fā)距及.佳工作頻率、.佳工作功率；通過數(shù)據(jù)的比對(duì)，可以得到每臺(tái)接收儀器的定位誤差及轉(zhuǎn)向差，并提煉出每臺(tái)接收儀器使用時(shí)的.佳探測(cè)平面位置讀數(shù)矯正范圍，優(yōu)化成果精度。

(4) 技術(shù)方案編制

資料搜集與分析、現(xiàn)場(chǎng)踏勘及探測(cè)儀器方法試驗(yàn)完成后，需要及時(shí)編制具體的探測(cè)作業(yè)施測(cè)技術(shù)方案，包括但不限于工作任務(wù)、作業(yè)依據(jù)、儀器選用、作業(yè)內(nèi)容、人員安排、..保障等。

(5) 技術(shù)交底與..培訓(xùn)

技術(shù)方案編寫完成后在項(xiàng)目作業(yè)技術(shù)員開展生產(chǎn)前，必須進(jìn)行技術(shù)交底和..培訓(xùn)，一是解讀本技術(shù)方案的作業(yè)具體要求、技術(shù)細(xì)節(jié)注意事項(xiàng)、測(cè)區(qū)劃分方案等；二是學(xué)習(xí)..生產(chǎn)作業(yè)注意事項(xiàng)，著重強(qiáng)度音頻器發(fā)射裝置與天然氣管道連接的..操作流程，工作生產(chǎn)時(shí)嚴(yán)格按照設(shè)備生產(chǎn)商儀器操作手冊(cè)的安裝步驟安裝連接，預(yù)防..隱患，....生產(chǎn)。

(6) PE管道探測(cè)與測(cè)量

使用燃?xì)釶E管道聲波定位探測(cè)儀探測(cè)天然氣PE管道時(shí)，首先需要找到連接音頻器發(fā)射裝置的天然氣閥門井。在開井作業(yè)前，必須在作業(yè)井四周設(shè)置..警示隔離帶，掛上施工作業(yè)警示牌—“天然氣施工作業(yè)閑人禁入”。清理好探測(cè)施工作業(yè)的各項(xiàng)工具及儀器設(shè)備，用專制工具打開閥門井井蓋，準(zhǔn)備進(jìn)行聲波定位探測(cè)儀發(fā)射機(jī)安裝連接。發(fā)射機(jī)安裝連接主要步驟為：

①取下閥門井內(nèi)天然氣管道放散閥堵頭，清理堵頭管道內(nèi)異物，....的前提下打開放散閥閥門排氣3~5秒，以便排氣沖掉放散閥管道與主管連通間氣體內(nèi)的水分、灰塵及其他異物（..后面激發(fā)的聲波信號(hào)與氣體介質(zhì)緊密接觸），然后關(guān)閉閥門；

②檢查聲波定位探測(cè)儀發(fā)射機(jī)氣體振蕩器排氣閥閥門是否關(guān)閉，在..振蕩器閥門關(guān)閉的前提下將振蕩器安裝到天然氣放散閥管道上，再緩慢打開天然氣管道放散閥，使天然氣氣體介質(zhì)進(jìn)入振蕩器內(nèi)，在打開閥門過程中一定要慢，可以間隔1~2秒停頓，以免損壞安裝接口密封處的內(nèi)隔膜；

③打開振蕩器排氣閥閥門，通過振蕩器排氣軟管排氣5~8秒，排出振蕩器內(nèi)原有空氣，以便..振蕩器內(nèi)充滿天然氣氣體介質(zhì)，并關(guān)閉閥門；

④檢查振蕩器與天然氣排氣閥管道連接處、振蕩器設(shè)備是否漏氣，在..無任何天然氣氣體介質(zhì)泄漏的情況下，連接電源啟動(dòng)按鍵。

啟動(dòng)聲波定位探測(cè)儀發(fā)射機(jī)后，聲波振蕩器將設(shè)置的特定頻率聲波信號(hào)傳遞到天然氣氣體介質(zhì)中，該聲波信號(hào)順著天然氣管道氣體介質(zhì)雙向傳播，并通過管道周圍的介質(zhì)垂直傳遞到地面上，通過與聲波定位探測(cè)儀發(fā)射機(jī)配套生產(chǎn)的接收機(jī)，接收發(fā)射的特定頻 率聲波信號(hào)便可在地面上探測(cè)標(biāo)定對(duì)應(yīng)的管線特征點(diǎn) 。再根據(jù)工程項(xiàng)目的具體要求，采用相應(yīng)的測(cè)量手段，獲取標(biāo)定管線特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，完成PE管道的探測(cè)與測(cè)量生產(chǎn)工作內(nèi)容。在連接音頻器發(fā)射裝置及開機(jī)探測(cè)天然氣PE管道整個(gè)作業(yè)期間，嚴(yán)禁任何明火進(jìn)入閥門井..警示隔離帶區(qū)域內(nèi)。

(7) 數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量分析及成果制作

測(cè)后數(shù)據(jù)處理是將聲波定位技術(shù)探測(cè)燃?xì)釶E管道獲取的探測(cè)數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)輸入到專用數(shù)據(jù)處理軟件中，通過軟件自動(dòng)融合處理，并生成需要的工作成果 。如圖、庫、表等電子成果。數(shù)據(jù)質(zhì)量分析主要分為外業(yè)質(zhì)量分析和內(nèi)業(yè)質(zhì)量分析。外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析主要通過重復(fù)探測(cè)、測(cè)量和 開挖驗(yàn)證等方法確認(rèn)探測(cè)、測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)有效性；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析主要是通過專用的數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)輸入的探測(cè)、測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)查錯(cuò)處理，..融合數(shù) 據(jù)的邏輯性、一致性、標(biāo)準(zhǔn)性等數(shù)據(jù)屬性合理合規(guī)。

成果制作是在..數(shù)據(jù)質(zhì)量的情況下，根據(jù)工程項(xiàng)目需要的數(shù)據(jù)成果要求，通過專用軟件將數(shù)據(jù)處理與制作，形成燃?xì)釶E管道探測(cè)數(shù)據(jù)成果 。一般為燃?xì)釶E管道探測(cè)管線設(shè)計(jì)總結(jié)文件、地下管線圖文件、管線成果表文件、管線數(shù)據(jù)庫文件等。

聲波定位技術(shù)應(yīng)用于探測(cè)燃?xì)釶E管道項(xiàng)目工程生產(chǎn)，近幾年來在國內(nèi)開展非常廣泛。這一技術(shù)的有效利用很好地解決了天然氣非金屬PE管道探測(cè)定位這一技術(shù)難題，也激發(fā)了國內(nèi)管線探測(cè)行業(yè)廣大科研人員的研發(fā)熱情，并催生了國內(nèi)相關(guān)儀器設(shè)備廠商自主研發(fā)、生產(chǎn)的國產(chǎn)化。現(xiàn)如今大批投入項(xiàng)目生產(chǎn)的燃?xì)釶E管道聲波定位探測(cè)儀，幾乎清一色為國產(chǎn)自主研發(fā)、生產(chǎn)的，并打破了國外進(jìn)口探測(cè)設(shè)備對(duì)中國探測(cè)行業(yè)幾十年的壟斷。燃?xì)釶E管道聲波定位技術(shù)的成功，為非金屬管線探測(cè)的技術(shù)難題解決提供了很好的方向和思路，也為國內(nèi)探測(cè)領(lǐng)域注入了新的活力。但也存在一些缺陷，比如聲波定位技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)比現(xiàn)有的金屬管線探測(cè)儀如何快速、有效地篩選地面接收信號(hào)，準(zhǔn)確地確定平面位置定位技術(shù)還需逐步..；市面上現(xiàn)有的聲波定位PE管道探測(cè)儀器設(shè)備均只能定位還無法定深，不能..測(cè)評(píng)其平面、埋深的綜合作業(yè)精度。國產(chǎn)自主研發(fā)、生產(chǎn)聲波定位PE管道探測(cè)設(shè)備的廠商均為民營小微企業(yè)，其綜合研發(fā)、生產(chǎn)能力有限，在儀器設(shè)備的整體設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造方面還需改進(jìn)，如設(shè)備使用的輕便性、耐久性和穩(wěn)定性，操作界面的簡潔性、友好性，以及售后服務(wù)的及時(shí)、..跟進(jìn)等等?？傮w來說，聲波定位技術(shù)在燃?xì)釶E管道探測(cè)中的成功應(yīng)用，為我們管線探測(cè)行業(yè)解決非金屬探測(cè)這一技術(shù)難題邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。因此，在今后的生產(chǎn)、工作中，需要管線行業(yè)內(nèi)相關(guān)科研人員、儀器廠商，更加積極地參與、投入到管線探測(cè)技術(shù)的研發(fā)、實(shí)踐中，早日實(shí)現(xiàn)聲波定位、定深燃?xì)釶E管道探測(cè)技術(shù)的有效融合，..攻克燃?xì)釶E管道探測(cè)生產(chǎn)作業(yè)這一技術(shù)難關(guān)，為燃?xì)夤艿肋@一高危管線家族的..運(yùn)營保駕護(hù)航。