陳瀟 曾杰

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院; 南京市 210035）

（2.武漢華通正勤檢測(cè)技術(shù)有限公司 武漢市 430000 ）

引言

根據(jù)中國(guó)城市燃?xì)鈪f(xié)會(huì)安全管理委員會(huì)發(fā)布的《全國(guó)燃?xì)馐鹿史治鰣?bào)告》顯示，從2017年至2021年上半年，近五年來國(guó)內(nèi)發(fā)生燃?xì)馐鹿?618起，造成至少4046人傷亡，經(jīng)濟(jì)損失數(shù)十億元，其中，居民用氣事故占燃?xì)馐鹿士倲?shù)的比例最大，其次是管網(wǎng)事故，而第三方施工破壞，是燃?xì)夤芫W(wǎng)事故主因。作為整城鎮(zhèn)中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)中的聚乙烯埋地燃?xì)夤艿溃瑒t是管網(wǎng)事故中最容易“受傷”的部分。

我國(guó)從上世紀(jì)80年代初，開始聚乙烯燃?xì)夤懿牡难芯抗ぷ?，并?982年在上海，鋪設(shè)了第一條聚乙烯材質(zhì)的燃?xì)夤艿?。隨著高分子材料科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和管材制作廠商的工藝升級(jí)，聚乙烯管材耐腐蝕、高韌性、重量輕，材質(zhì)穩(wěn)定的特性，使其在燃?xì)忸I(lǐng)域，都得到了廣泛的運(yùn)用。特別是2000年后的國(guó)內(nèi)新鋪設(shè)的城鎮(zhèn)中壓燃?xì)夤艿溃?00%都為聚乙烯材質(zhì)。因此，對(duì)于聚乙烯燃?xì)夤艿赖奶綔y(cè)檢驗(yàn)工作，關(guān)乎燃?xì)獍踩?；特別是針對(duì)無示蹤線的聚乙烯埋地燃?xì)夤艿赖奶綔y(cè)技術(shù)研究，就尤為重要和急迫了。

1 管線定位探測(cè)

1.1 從2017年開始，一種名為主動(dòng)聲源探測(cè)法的新技術(shù)，在聚乙烯埋地燃?xì)夤艿赖奶綔y(cè)檢驗(yàn)項(xiàng)目中，開始被燃?xì)夤艿罉I(yè)主方、壓力管道檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)所了解和接受。顧名思義，主動(dòng)聲源探測(cè)法中的“主動(dòng)”，是相對(duì)于管道漏水檢測(cè)行業(yè)的“被動(dòng)”聽漏檢測(cè)法。聽漏檢測(cè)法，是用聽漏棒，和電子聽漏儀器，查找地下供水管道的漏水點(diǎn)。原理是用聽音方法，查找在管道破損點(diǎn)處，泄露水流與管體和周圍填埋介質(zhì)發(fā)生摩擦，生成的音頻信號(hào)。由于漏水點(diǎn)的數(shù)量和位置未知，所以只有在，已知供水管道的位置和走向的情況下，才可以使用聽漏檢測(cè)法。一般是在周圍環(huán)境噪音較低、管道內(nèi)流體壓力值穩(wěn)定的時(shí)段（夜晚22點(diǎn)至凌晨4點(diǎn)），由經(jīng)驗(yàn)豐富的檢測(cè)人員，使用聽漏檢測(cè)設(shè)備，通過尋找地下的特別音頻信號(hào)，來判斷可能的漏水位置。（圖1）

圖1

1.2 根據(jù)聽漏檢測(cè)法，在供水管道漏水檢測(cè)方面的實(shí)際運(yùn)用；我們推論出一個(gè)假設(shè)：如果能讓目標(biāo)管道，主動(dòng)持續(xù)的發(fā)出特定音頻信號(hào)，那只需通過查找和跟蹤這個(gè)特定信號(hào)，是不是就可以找到目標(biāo)管線的具體水平位置和走向？主動(dòng)聲源探測(cè)法的原理圖如下（圖2）

圖2

1.3 通過大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和探測(cè)數(shù)據(jù)，我們證明了主動(dòng)聲源探測(cè)法，是可以在不停氣、不開挖的情況下，連續(xù)探測(cè)無示蹤線的聚乙烯埋地燃?xì)夤艿?。通過近4000余公里聚乙烯燃?xì)夤艿捞綔y(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，使用主動(dòng)聲源探測(cè)法，在實(shí)際探測(cè)中，管道水平位置精度誤差可以達(dá)到±10cm，可探測(cè)的管道最大深度為4M，單向探測(cè)距離800M，雙向探測(cè)距離3000M（理想狀態(tài)下）。目前，該方法已經(jīng)廣泛運(yùn)用在非金屬管道探測(cè)和檢驗(yàn)項(xiàng)目中。

2 管線深度探測(cè)

2.1 在解決了無示蹤線的聚乙烯埋地燃?xì)夤艿赖乃轿恢锰綔y(cè)問題后，我們開始研究聚乙烯埋地燃?xì)夤艿赖奶盥裆疃葐栴}。根據(jù)管道閥井鋪設(shè)位置的不同，我們分為有閥井直埋管道（圖3），和無閥井直埋管道兩種情況來具體研究。圖3為常見的燃?xì)忾y井內(nèi)，雙放散閥安裝示意圖，其中H1為放散閥口距離地面的垂直距離，H2為為放散閥口距離埋地管道的管頂垂直距離。參考放散閥規(guī)格尺寸圖，就可以得到具體的H2，在現(xiàn)場(chǎng)量取了放散閥口與地面的垂直距離H1后，該處直埋燃?xì)夤艿赖奶盥裆疃菻=H1+H2。這種放散閥直接測(cè)量法，適用于有燃?xì)忾y井放散閥的直埋管道的深度探測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)閥井內(nèi)閥門的具體規(guī)格和型號(hào)，都可以通過這種直接測(cè)量法，來確定埋地燃?xì)夤艿赖膶?shí)際埋深。

圖3

2.2 當(dāng)埋地燃?xì)夤艿乐車鸁o燃?xì)忾y井，或在燃?xì)忾y井內(nèi)的燃?xì)夤艿溃ㄟ^了不同填埋區(qū)域（不同區(qū)域的覆土高度發(fā)生了變化），就不能依據(jù)放散閥口的離地距離，來作為管道填埋深度的數(shù)據(jù)依據(jù)了。此時(shí)，就得采用一種適合的管線物探技術(shù)，來進(jìn)行埋地管道的深度探測(cè)。通過參考APL探測(cè)法【1】、地磁靜電法探測(cè)技術(shù)【2】、探地雷達(dá)探測(cè)法【3】等綜合管線探測(cè)技術(shù)，我們采用了高頻脈沖電磁信號(hào)反射法與主動(dòng)聲源探測(cè)法，相結(jié)合的綜合探測(cè)技術(shù)，來對(duì)無示蹤線的聚乙烯（PE）埋地燃?xì)夤艿溃M(jìn)行精準(zhǔn)定位定深探測(cè)。

3 高頻脈沖電磁信號(hào)反射法

3.1 高頻脈沖電磁信號(hào)反射法，是一種無損探測(cè)技術(shù)。其工作原理是，當(dāng)傳播介質(zhì)密度發(fā)生變化時(shí)，在介質(zhì)內(nèi)傳播的電磁信號(hào)發(fā)生反射和衰減，通過相關(guān)計(jì)算，就可以得出介質(zhì)變化面到信號(hào)天線的垂直距離【4】。該方法最典型的運(yùn)用，是在地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備上，通過電磁信號(hào)反射的時(shí)域分析，來對(duì)隧道工程面進(jìn)行提前預(yù)警，對(duì)橋墩等工程基樁的澆筑質(zhì)量分析，等工程項(xiàng)目的無損檢測(cè)上。

3.2 近些年來，有優(yōu)秀的學(xué)者針對(duì)地質(zhì)雷達(dá)在管線探測(cè)上的運(yùn)用，發(fā)表了很多高質(zhì)量的論文，如“應(yīng)用探地雷達(dá)探查地下近間距非金屬管線”【5】，“基于探地雷達(dá)的城鎮(zhèn)燃?xì)釶E管道探測(cè)方法”【6】地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)地下非金屬管線的波形特征分析【7】。這些理論方法，都非常有學(xué)術(shù)價(jià)值和運(yùn)用參考性。但也都反映出，地質(zhì)雷達(dá)在聚乙烯（PE）埋地燃?xì)夤艿捞綔y(cè)上的局限性：1、在未知埋地管道的水平位置，和走向的前提下，無法運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)，垂直于管道方向做斷面掃描，無法達(dá)到最有效的電磁波掃描效果。2、非金屬管道材質(zhì)不導(dǎo)電，介電常數(shù)小，使得反射弧面信號(hào)難以分析；針對(duì)地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)的原始數(shù)據(jù)圖，分析難度大，易造成誤判和錯(cuò)判。

3.3 基于上述現(xiàn)況，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套針對(duì)無示蹤線的聚乙烯埋地燃?xì)夤艿赖木珳?zhǔn)探測(cè)方案：第一步，采用主動(dòng)聲源探測(cè)法對(duì)埋地管道進(jìn)行精準(zhǔn)定位。第二步，運(yùn)用AI輔助圖像分析技術(shù)，對(duì)高頻脈沖電磁信號(hào)的原始信號(hào)，進(jìn)行算法分析，來輔助探測(cè)人員，探測(cè)出聚乙烯埋地燃?xì)夤艿赖臏?zhǔn)確埋深。

4 不同材質(zhì)埋地管道在高頻脈沖電磁波下的反射信號(hào)特征分析

4.1 通過研究高頻脈沖電磁信號(hào)的反射特性，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脈沖電磁波通過在不同介電常數(shù)的物體時(shí)，會(huì)在電磁波信號(hào)剖面圖上，形成強(qiáng)弱不同的回波信號(hào)。其中，金屬管線由于自身材質(zhì)導(dǎo)電，因?yàn)殡姶欧磻?yīng)，會(huì)激發(fā)出多次非常明顯的反射信號(hào)（見圖4）。而非金屬管道，由于自身材質(zhì)不導(dǎo)電，反射波信號(hào)較弱，所以在信號(hào)剖面圖上，就不如金屬管線、電纜的反射信號(hào)明顯（圖5）。聚氯乙烯（PVC）材質(zhì)的給水管線的反射信號(hào)，要比聚乙烯（PE）材質(zhì)的燃?xì)夤艿?，反射信?hào)更加明顯。這是因?yàn)榻o水管中的水是電的良導(dǎo)體，介電常數(shù)遠(yuǎn)大于PVC管材；而燃?xì)夤艿乐械募淄闅怏w，介電常數(shù)與PE管材接近。所以在電磁波反射信號(hào)剖面圖上，燃?xì)夤芫€的反射弧線非常暗淡，而且只有一條；給水管線的反射弧線非常明亮，通常同時(shí)會(huì)出現(xiàn)管頂和管底兩條弧線。

圖4

圖5

4.2 通過大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)不同頻率的脈沖電磁波，對(duì)地面的穿透表現(xiàn)也不一樣。通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，我們匯總出這樣的數(shù)據(jù)表（見表1）

表1

根據(jù)燃?xì)夤芫€相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)管線埋深的要求；通過現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的便捷性和易操作性的考慮，我們最終選擇了200Mhz頻率的信號(hào)天線，在江蘇省某地現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行燃?xì)夤芫€探測(cè)實(shí)驗(yàn)。

5 200Mhz脈沖電磁波管道探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

5.1 探測(cè)地點(diǎn)：常州市某小區(qū)前綠化帶（圖6）

圖6

探測(cè)步驟：紅線為已知走向的埋地燃?xì)庵Ч?，管徑?0mm；黃色箭頭為檢測(cè)人員拖動(dòng)雷達(dá)天線的行走路徑；A點(diǎn)拖到B點(diǎn)，然后再?gòu)腂點(diǎn)拖到。

探測(cè)結(jié)果：我們先使用分析軟件，對(duì)原始信號(hào)圖進(jìn)行AI算法自動(dòng)分析，但結(jié)果是無法識(shí)別。分析軟件沒能在原始信號(hào)中，標(biāo)注出目標(biāo)燃?xì)夤芫€的埋深。從原始信號(hào)剖面圖上，我們?cè)?60cm標(biāo)尺高度，分辨出一個(gè)PE管線反射信號(hào)（見圖7）。通過打開圖7中的支線閥井，測(cè)量出支管的實(shí)際埋深為140cm。減掉信號(hào)基準(zhǔn)距離30cm，該支管的探測(cè)深度為130cm，與實(shí)際深度相差10cm，滿足誤差要求。5.2 探測(cè)地點(diǎn)：常州市某小區(qū)前綠化帶（圖8）

圖7

圖8

探測(cè)步驟：紅線為已知走向的埋地燃?xì)庵鞴?，管徑?15mm；黃色箭頭為檢測(cè)人員拖動(dòng)雷達(dá)天線的行走路徑：A點(diǎn)拖到B點(diǎn)，再?gòu)腂點(diǎn)拖到A點(diǎn)。

探測(cè)結(jié)果：無論是肉眼識(shí)別原始信號(hào)圖（圖9），還是分析軟件進(jìn)行AI算法識(shí)別，都無法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)管線。通過閥井測(cè)量，得知該主管的實(shí)際埋深為230cm。5.3 探測(cè)地點(diǎn)：常州市某小區(qū)柏油瀝青車道（圖10）

圖9

圖10

探測(cè)步驟：紅線為已知走向的埋地燃?xì)庵鞴?，管徑?15mm；黃色箭頭為檢測(cè)人員拖動(dòng)雷達(dá)天線的行走路徑：B點(diǎn)拖到A點(diǎn)，再?gòu)腂點(diǎn)拖到A點(diǎn)。

探測(cè)結(jié)果：AI算法無法識(shí)別管線；我們從原始信號(hào)剖面圖上（圖11），我們?cè)?50cm標(biāo)尺高度，分辨出2個(gè)PE管線反射信號(hào)。通過打開圖9中的主線閥井，測(cè)量出該主管的實(shí)際埋深為230cm。減掉信號(hào)基準(zhǔn)距離30cm，該主管的探測(cè)深度為220cm，與實(shí)際深度相差10cm，滿足誤差要求。

圖11

5.4 探測(cè)地點(diǎn)：常熟市某小區(qū)內(nèi)的柏油路面單車道

探測(cè)步驟：以已知位置管線為中心，拖拽雷達(dá)天線走一次。

探測(cè)結(jié)果：AI算法自動(dòng)識(shí)別出目標(biāo)管線（圖12），管線口徑160mm，實(shí)際埋深100cm，探測(cè)埋深100cm，滿足誤差要求。

圖12

5.5 探測(cè)地點(diǎn)：常州市某鎮(zhèn)的臨街水泥路面（圖13），紅線為直徑63mm的支線，黃線為直徑250mm的主管。

圖13

探測(cè)步驟：以已知位置管線為中心，拖拽雷達(dá)天線來回走兩次。

探測(cè)結(jié)果：AI算法無法自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)管線，通過人工識(shí)別原始信號(hào)圖（圖14），信號(hào)顯示埋深130cm，探測(cè)埋深為100cm；通過核對(duì)管線資料，該管線口徑63mm，實(shí)際埋深100cm，滿足誤差要求。

圖14

6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況總結(jié)

6.1 采用200Mhz高頻脈沖電磁波信號(hào)反射法，配合主動(dòng)聲源探測(cè)技術(shù)，可以用于無示蹤線的埋地聚乙烯（PE）燃?xì)夤艿赖奈恢眉吧疃忍綔y(cè)，可探測(cè)深度探測(cè)范圍為1～4M，可探測(cè)管道直徑范圍為63～315mm。

6.2 在綠化帶泥土路面上，電磁波信號(hào)反射法的探測(cè)效果較差，無法用AI軟件自動(dòng)識(shí)別管線；當(dāng)埋深超過1.5M后，采用人工分析，也無法找出反射信號(hào)。其原因是地下土壤中含水量高，填埋介質(zhì)松軟不緊實(shí)，導(dǎo)致PE管反射信號(hào)不明顯。

6.3 水泥路面、柏油瀝青路面，探測(cè)效果比較理想；分析原因是路邊被壓實(shí)，適于射頻天線的來回拖動(dòng)；地下填埋介質(zhì)密度均勻，目標(biāo)管道反射信號(hào)明顯。當(dāng)管道直徑大于埋深的1/10時(shí)，目前的AI軟件可以自動(dòng)識(shí)別；當(dāng)管道直徑小于埋深的1/10時(shí)，AI軟件無法自動(dòng)識(shí)別管線，只能通過人工查看原始信號(hào)圖，來辨別反射信號(hào)。

6.4 AI分析軟件的最大優(yōu)勢(shì)，在于能通過海量數(shù)據(jù)來進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，自我升級(jí)。我們相信，通過不斷采集現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)數(shù)據(jù)，持續(xù)的為AI分析軟件提供學(xué)習(xí)內(nèi)容，高頻脈沖電磁波信號(hào)反射法在管線探測(cè)中的運(yùn)用范圍，會(huì)越來越廣泛；分析結(jié)果，會(huì)越來越準(zhǔn)確。