声波定位技术在燃气PE管道探测中的

应用研究

曹川 宋健 苏立柱

（西安大地测绘股份有限公司，陕西 西安 710199）

摘要：声波定位技术应用于燃气地下PE管道探测，是一种较好解决燃气PE非金属管道探测定位的技术方案。这一技术的有效利用很好地解决了天然气非金属PE管道探测定位这一技术难题，也激发了国内管线探测行业广大科研人员的研发热情，并催生了国内相关仪器设备厂商自主研发、生产的国产化。

关键词：声波定位技术；PE管道；地下管线探测；声波振荡器

0 引言

随着我国经济的发展和城镇化建设的加快，天然气的使用越来越普及，燃气管道的建设也越来越频繁，据相关统计资料显示，至2022年，我国长输天然气管道总里程11.8万千米（含地方及区域管道）、城镇燃气管道总长度约为98.9万千米，..燃气管道埋设总长度突破了110万千米。随着科学技术的发展，原有使用的钢、铸铁等金属管道材质被玻璃钢、PE管、PP-R管、UPVC管等非金属管道材质所替代。这些新型材质管道具有抗冲击性强、抗开裂性好、耐老化、耐腐蚀、重量轻、造价低等一系列优点。因此近年来，在市面上聚乙烯管道（简称PE管道）使用于国内城市燃气行业中越来越普遍 。而现有轻便、快捷常用的管线探测设备几乎均为金属管线探测仪，无相应的PE管道探测设备，这就促进了声波定位技术在燃气PE管道探测中的使用和发展。现实证明，声波定位技术应用于地下燃气PE管道探测，是一种较好解决非金属燃气PE管道探测定位的技术方案。

1. 1  声波定位技术与常规电磁感应法的区别

声波定位探测燃气PE管道技术与常规电磁感应法探测技术的区别主要有以下四方面。一是声波定位探测燃气PE管道技术只有主动源法，无被动源法；二是声波定位探测燃气PE管道技术只能运用于输送气体介质的管道探测，无法运用于其他介质输送管道的探测；三是声波定位探测燃气PE管道技术须激发气体介质传输信号，而不是激发管道本体传输信号；四是声波定位探测燃气PE管道技术，是通过接收音量和音波强弱信息的综合分析.终演算推导出管线中心平面位置，而不是通过一种数据运算、分析获取探测成果。

1. 2  声波定位技术原理

声波定位探测燃气PE管道技术是以主动声源探测法为工作原理，以声波传导作为技术核心，用声波衰减的强弱来判定目标管线的准确位置。具体内容是先运用主动声源发射主体—音频器发射装置（发射机），向燃气PE管道内发射特定频率的声波信号，通过气体振荡器将声波信号激发于管道传输介质—天然气，信号通过气体介质沿管道定向传播至远端，该声波信号在管道压力气体中定向传播的同时，透过管壁振动介质土壤并立体传播至地面；同时利用主动声源接收主体配件—拾音器（接收机），在地面上捕捉该主动源声波信号，通过接收到的相同频率但强度不同的振动信号，运用接收机内置芯片据实运算、分析，将接收信号以声音和柱状图形式显示，并通过持续接收信号点附近的声音及柱状图衰减幅度，找到目标管线管的垂直扰动范围，实现对管道平面位置的..定位。声波定位探测燃气 PE管道技术原理图如图 1 所示。

图1 声波定位探测燃气PE管道技术原理

声波定位探测燃气PE管道技术受一定地质条件、地表环境影响，但相对没有电磁感应法使用时所受影响那么大。本文主要以国内几家厂商自主研发、生产的设备为依据，通过现场试验燃气PE管道埋设平面位置探测数据与开挖量测实际埋设面位置数据做比对，其探测精度中误差值均可满足现有相应行业规程、规范的管线探测成果使用技术标准。因此，此类设备可以推广应用于天然气PE管道探测定位工程项目。

1. 3  声波定位技术探测燃气PE管道的优缺点和适用范围

声波定位探测燃气PE管道技术，具有探测精度高、探测连续性强、探测距离远、不受电磁辐射干扰，受地质条件、地表环境限制影响小等优点。同时，可解决燃气PE管道无法..定位这一非金属管线探测的行业技术难题。当然，声波定位探测燃气PE管道技术作为一种新引进的探测技术手段，也存在一些缺点，比如仅仅只能探测有天然气介质输送的管道，探测作业时主动声源发射主体—音频器发射装置必须与输送气体介质连通（存在较大..风险隐患），目前市面上生产的声波定位探测PE燃气管道仪器设备仅能进行探测定位而无法定深等。

声波定位探测燃气PE管道技术主要应用在天然气管道探测工程项目中，其他输送气体介质的管道也可以进行探测定位。以现有的设备技术手段，生产作业.佳的探测条件是主动声源接收主体—听音器接收机（探测点），距离主动声源发射主体—音频器发射装置连接点（激发点）长度在1000~1500m以内，探测管道的埋设深度不大于4m , 能够一次性..探测管线位置。如果超深、超长，则需要采用其他综合分析方法，或者变换主动源声波激发点与接收点的距离才能准确探测出目标管道位置，..其探测精度。如，加大发射功率、加大接收功率、变换发射（接收）频率、变换拾音探头模式、单用听音模式、单用数显模式及听音和数显二合一综合分析模式等。

燃气管道是管线家族里面运行使用..隐患风险.高的一类，高压力运输，且易燃易爆。为指导声波定位技术在燃气PE管道探测工作中的有效运用，在日常工程项目生产时，应细化关键的探测工艺流程，紧抓..生产操作环节，..探测生产作业的顺利实施。

声波定位技术探测燃气PE管道工作主要包括资料收集与分析、现场踏勘、探测仪器方法试验、技术方案编制、技术交底与..培训、PE管道探测、PE管道测量、探测与测量数据融合处理、质量分析、成果制作等工作内容，声波定位技术探测燃气PE管道工作流程如图2所示。

图2 声波定位技术探测燃气PE管道工作流程

(1) 资料收集与分析

声波定位技术探测燃气PE管道工作开展前先要做好资料的准备和分析，收集所有管线工程相关的设计图、变更图、竣工图及施测区域内已有控制成果及其坐标和高程系统，大比例尺地形图等，尤其是要统计阀门井、非开挖大埋深管线的位置和长度，并分析这些成果的使用及参考价值。

(2) 现场踏勘

声波定位技术探测燃气PE管道工作开展前，还需对测区进行现场实地踏勘。踏勘内容主要包括协调委托方及施工单位，作业区域路网分布及交通情况，准确找到探测工作开展时能连接音频器发射装置的阀门井位置；摸清管道埋设的大概位置和覆土类型，为后面探测仪器方法试验寻找合适的场地；确认待测目标管线的材质和管径并做记录，作为采取何种探测技术手段开展生产的依据；查看阀门井内是否埋设有示踪线，是否可利用示踪线进行电磁感应法探测验证等。

(3) 探测仪器方法试验

根据现场踏勘选择的试验场地，在已知管线平面位置的地点进行方法试验，以确定声波定位技术探测燃气PE管道的.小、.大、.佳收发距及.佳工作频率、.佳工作功率；通过数据的比对，可以得到每台接收仪器的定位误差及转向差，并提炼出每台接收仪器使用时的.佳探测平面位置读数矫正范围，优化成果精度。

(4) 技术方案编制

资料搜集与分析、现场踏勘及探测仪器方法试验完成后，需要及时编制具体的探测作业施测技术方案，包括但不限于工作任务、作业依据、仪器选用、作业内容、人员安排、..保障等。

(5) 技术交底与..培训

技术方案编写完成后在项目作业技术员开展生产前，必须进行技术交底和..培训，一是解读本技术方案的作业具体要求、技术细节注意事项、测区划分方案等；二是学习..生产作业注意事项，着重强度音频器发射装置与天然气管道连接的..操作流程，工作生产时严格按照设备生产商仪器操作手册的安装步骤安装连接，预防..隐患，....生产。

(6) PE管道探测与测量

使用燃气PE管道声波定位探测仪探测天然气PE管道时，首先需要找到连接音频器发射装置的天然气阀门井。在开井作业前，必须在作业井四周设置..警示隔离带，挂上施工作业警示牌—“天然气施工作业闲人禁入”。清理好探测施工作业的各项工具及仪器设备，用专制工具打开阀门井井盖，准备进行声波定位探测仪发射机安装连接。发射机安装连接主要步骤为：

①取下阀门井内天然气管道放散阀堵头，清理堵头管道内异物，....的前提下打开放散阀阀门排气3~5秒，以便排气冲掉放散阀管道与主管连通间气体内的水分、灰尘及其他异物（..后面激发的声波信号与气体介质紧密接触），然后关闭阀门；

②检查声波定位探测仪发射机气体振荡器排气阀阀门是否关闭，在..振荡器阀门关闭的前提下将振荡器安装到天然气放散阀管道上，再缓慢打开天然气管道放散阀，使天然气气体介质进入振荡器内，在打开阀门过程中一定要慢，可以间隔1~2秒停顿，以免损坏安装接口密封处的内隔膜；

③打开振荡器排气阀阀门，通过振荡器排气软管排气5~8秒，排出振荡器内原有空气，以便..振荡器内充满天然气气体介质，并关闭阀门；

④检查振荡器与天然气排气阀管道连接处、振荡器设备是否漏气，在..无任何天然气气体介质泄漏的情况下，连接电源启动按键。

启动声波定位探测仪发射机后，声波振荡器将设置的特定频率声波信号传递到天然气气体介质中，该声波信号顺着天然气管道气体介质双向传播，并通过管道周围的介质垂直传递到地面上，通过与声波定位探测仪发射机配套生产的接收机，接收发射的特定频 率声波信号便可在地面上探测标定对应的管线特征点 。再根据工程项目的具体要求，采用相应的测量手段，获取标定管线特征点的平面坐标和高程，完成PE管道的探测与测量生产工作内容。在连接音频器发射装置及开机探测天然气PE管道整个作业期间，严禁任何明火进入阀门井..警示隔离带区域内。

(7) 数据处理、质量分析及成果制作

测后数据处理是将声波定位技术探测燃气PE管道获取的探测数据、测量数据输入到专用数据处理软件中，通过软件自动融合处理，并生成需要的工作成果 。如图、库、表等电子成果。数据质量分析主要分为外业质量分析和内业质量分析。外业数据质量分析主要通过重复探测、测量和 开挖验证等方法确认探测、测量数据的真实有效性；内业数据质量分析主要是通过专用的数据处理软件，对输入的探测、测量数据进行内业查错处理，..融合数 据的逻辑性、一致性、标准性等数据属性合理合规。

成果制作是在..数据质量的情况下，根据工程项目需要的数据成果要求，通过专用软件将数据处理与制作，形成燃气PE管道探测数据成果 。一般为燃气PE管道探测管线设计总结文件、地下管线图文件、管线成果表文件、管线数据库文件等。

声波定位技术应用于探测燃气PE管道项目工程生产，近几年来在国内开展非常广泛。这一技术的有效利用很好地解决了天然气非金属PE管道探测定位这一技术难题，也激发了国内管线探测行业广大科研人员的研发热情，并催生了国内相关仪器设备厂商自主研发、生产的国产化。现如今大批投入项目生产的燃气PE管道声波定位探测仪，几乎清一色为国产自主研发、生产的，并打破了国外进口探测设备对中国探测行业几十年的垄断。燃气PE管道声波定位技术的成功，为非金属管线探测的技术难题解决提供了很好的方向和思路，也为国内探测领域注入了新的活力。但也存在一些缺陷，比如声波定位技术在实际生产中，对比现有的金属管线探测仪如何快速、有效地筛选地面接收信号，准确地确定平面位置定位技术还需逐步..；市面上现有的声波定位PE管道探测仪器设备均只能定位还无法定深，不能..测评其平面、埋深的综合作业精度。国产自主研发、生产声波定位PE管道探测设备的厂商均为民营小微企业，其综合研发、生产能力有限，在仪器设备的整体设计、生产、制造方面还需改进，如设备使用的轻便性、耐久性和稳定性，操作界面的简洁性、友好性，以及售后服务的及时、..跟进等等。总体来说，声波定位技术在燃气PE管道探测中的成功应用，为我们管线探测行业解决非金属探测这一技术难题迈出了坚实的一步。因此，在今后的生产、工作中，需要管线行业内相关科研人员、仪器厂商，更加积极地参与、投入到管线探测技术的研发、实践中，早日实现声波定位、定深燃气PE管道探测技术的有效融合，..攻克燃气PE管道探测生产作业这一技术难关，为燃气管道这一高危管线家族的..运营保驾护航。