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管道研究

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电磁测深技术用于油气长输管道河流穿越段埋深测试的研究

来源:《管道保护》杂志 作者:孙海军 赵秀芳 郎志鹏 时间:2019-1-8 阅读:

孙海军 赵秀芳 郎志鹏

中国石油西南管道贵阳输油气分公司


摘 要: 河流穿越段管道作为管道完整性管理中的重要一环,其埋深测试面临一些技术挑战。运用电磁测深技术对某河流穿越段管道埋深进行测试,结果表明,该技术测量精度在可接受范围内,现场操作性强,总结了电磁测深技术河流穿越段埋深测试方法和流程,可为同行提供借鉴。

关键词: 电磁测深技术;河流穿越管道;管道完整性;埋深测试


近几年,我国油气管道事故频发,其中因地质灾害所致管道事故造成的直接和间接损失往往比其他类别的事故更大[1-3]。其中部分地质灾害是可以通过增加管道的埋深来预防的。

目前,对于陆地管道的埋深测试技术已经较为成熟,但对于河流穿越段管道其埋深的测试仍存在一些困难。本文以某公司所属输气管道(全长约1 600 km,沿线穿越河流100余次)穿越河流段为例,开展了运用电磁测深技术对管道埋深测试的研究,取得了较好的效果。

1 电磁测深技术简介

电磁测深技术采用的设备包括探管仪、测深仪及RTK瞬时定位仪。通过探管仪发射机对被测管线施加信号,在被测管线周围产生二级磁场,然后通过接收机在地面接收管线的二次磁场,从而准确地确定管线的位置、埋深、走向、路径。如图 1所示,先利用探管仪在水面上确定管道的中心位置,探测管道埋深H P;在确定位置的同时采用RTK瞬时定位仪对管道进行瞬时定位,并用测深仪(测深仪与RTK瞬时定位仪连接在一起)测出此点的瞬时水深HG,然后按照式1计算管道中心距河床的深度即管道埋深H 。在测试的过程中,沿管道轴线按每2 m采一个测点,如果遇到埋深波动超过15 cm的地段应加密进行探测。

图1  水下管道埋深测试原理图


2 测试频率的确定及埋深测试

2.1 测试频率的确定

测试前将探管仪发射机与被测管道的阴极保护测试桩相连接,形成一个回路。在正式测试前应先对仪器进行调试,目的是选择最佳频率,使测试结果准确。测试频率的选定采用70%法进行:在理想状态下,接收机在管道中心正上方时电磁信号响应最大,并且电磁信号强度向观测点沿管道走向垂直方向两侧逐渐衰减,左右出现最大响应值的70%时,此时两点间直线距离等于观测点的管道中心埋深,如图 2所示。


图2  70%法的测深原理示意图


首先在被测管道合适的位置施加不同频率的信号,在各频率下记录该点的直读埋深,并通过70%法求得管道的真实埋深,然后计算不同测试频率下直读埋深与70%法测得的埋深误差,取误差最小的频率作为最佳频率。测试结果如表 1所示。



从表 1可以看出,直读法与70%法计算所得管道埋深较为接近,最大校差为0.14 m,小于允许误差(0.22 m, 70%法测得各频率下平均值4.38的5%)。表明,实际测试时可以用直读法代替70%法取得管道埋深数据。此外, 8 kHz频率下直读的4.33 m最接近70%法的平均值4.38 m,误差最小,所以该段管道埋深测试采用的频率应为8 kHz。

以上只是对一个固定埋深(4.38 m)进行对比,结果误差较小,为了验证不同深度下均可用直读数据代替70%法测得的实际埋深,又选取了几个不同埋深的管段进行了实验,实验结果如表 2所示。



从表 2可以看出,在8 kHz频率下不同深度的直读法与70%法计算所得管道埋深较为接近,相应的校差均小于允许误差,满足要求。经以上分析,该穿越段管道埋深测试采用8 kHz频率,用探管仪直读的数据可以作为本次测试的管道实际埋深。

2.2 管道埋深测试过程

测试频率确定后,便可开始河流穿越段管道埋深测试。首先把RTK瞬时定位仪与测深仪连接在一起,并固定在船上,如图 3所示。发射机的频率调至最佳频率后,用探管仪确定管道的中心位置,并测试管道埋深HP;在确定位置的同时立即采用RTK瞬时定位仪对管道进行瞬时定位,手动记录该点编号及对应的管道埋深HP,在定位测量的同时,测深仪可自动测量该处的水深HG。


图 3  水下管道埋深测试现场情况


在测试过程中,按照每2 m采测一个点。在地形起伏大的地方如河堤或坡坎处(管道起弯头)增加测试密度。陆地管道测试则不需要连接测深仪。

当数据采集完成之后,将每一个点对应的坐标、水面高程、水深、水底高程、管道埋深等数据进行一一对应,并绘出穿越断面的平面带状图、河床断面图及管道埋深断面图。在断面图上,清楚反映已经敷设管道的埋深,可供管理者使用。

值得注意的是,在管道倾斜处,用探管仪测得的埋深是指测试点与倾斜管道之间的垂直距离,若将其直接作为管道的竖直埋深来确定管道位置则会使得测试结果出现误差较实际埋深偏浅。为此,提出了作圆取公切线法。图 4、5、6显示了管道倾斜处直读法和作圆取公切线法两种方法获得的管道埋深及其对比结果。可以看出作圆取公切线的方法获得的管道埋深更为精确。本文采用作圆取公切线的方法来确定管道的真实埋深,在剖面图中,每个测试点作为圆心,以测试埋深(不论管道是否倾斜)作为半径作圆,然后各圆底部的公切线的连线即为管道的真实位置,如图 5所示。


图 4  直读法确定管道位置

图 5  作圆取公切线法确定管道位置

图 6  直读法与作圆取公切线法确定管道位置对比图


3 测试结果与误差分析

3.1 测试误差分析

3.1.1 RTK瞬时定位仪误差分析

对搜集的控制点进行校核,要求平面控制达到一级导线精度,高程控制达到四等光电测距三角高程精度。满足二者要求后控制点可以利用。

收集的该穿越段管道资料(CHK2、 CHK1、CPS14、 CPS13、 CTHCY2、 CTHCY1),经过现场踏勘,只有CHK2、 CPS14还完好,其余均已破坏。通过现场校核平面控制达到一级导线精度,高程控制达到四等光电测距三角高程精度。可以使用,校核情况见表 3。



3.1.2 测深仪误差分析

测深仪与RTK瞬时定位仪连接好后,应对测试水深作校验。校验方法如下,先用仪器测量水深,再在同一位置用标杆测量,二者比较,小于0.1 m时候测深仪误差在合理范围内。测试点选择了3个水深校验点,校差为0.03~0.06 m,详见水深校验表 4。



3.1.3 探管仪误差分析

在被测管道陆地部分选择一处测试点进行测试,并采用直接开挖的方法对管道埋深进行验证。其目的是获取仪器测试值与实际埋深值之间的差异,掌握仪器误差,测试结果如表 5所示。



3.1.4 复检验证

为了进一步证实测试数据的可靠性,测试结束后又对已测试的点进行抽检复核,通过复检,测试结果均在误差范围内,测试结果可靠,如表 6所示。


图 7  现场开挖验证照片


3.2 测试结果

(1)被测穿越段管道埋深测试采用640 Hz信号输入,测试管道长度为172.0 m,采集测试点82个。

(2)被测穿越段管道水下河床穿越段埋深在2.8~5.6 m之间,平均埋深4.7 m,河床地形为中间高两侧低,管道埋深由两岸向河中心加深;河流北岸为梯级耕地,较为平坦,管道埋深在3.5~8.6 m之间,平均埋深5.9 m;河流南岸为斜坡地形,较陡,管道埋深在1.2~6.1 m之间,平均埋深3.6 m。

(3)根据开挖穿越施工图,该段管道管顶最小埋深为3.0 m。根据本次测试数据,河床穿越段共测试31个点,仅一个点埋深略小于3.0 m,测试埋深为2.8 m,如图 8所示,其余30点均满足设计埋深。


图8 穿越段管道埋深测试结果


基于以上结果,提出了河流穿越段管道埋深测试流程,如图 9所示。


图9 河流穿越段管道埋深测试流程


4 结论

(1)由“探管仪+测深仪+RTK瞬时电位仪”三级配备组成的电磁测深技术可以用于管道河流穿越段埋深的测试,且现场可操作性强,精度高。

(2)基于研究结果,提出了河流穿越段管道埋深测试的流程和数据处理方法。

(3)提出了测试结果误差分析方法。


参考文献:

[1]贺剑君,冯伟,刘畅.基于管道应变监测的滑坡灾害预警与防治[J].天然气工业, 2011, 31(1):100-103.

[2]罗小兰,向启贵,银小兵,等.关于天然气管道环境风险评价的认识[J].石油与天然气化工,2008, 37(6): 532-534.

[3]钟威,高剑锋. 油气管道典型地质灾害危险性评价[J]. 油气储运, 2015, 34(9): 934-938.


作者:孙海军,男, 1988年生,助理工程师, 2013年学士毕业于贵州师范大学机械设计制造及其自动化专业,现主要从事长输油气管道保护工作。

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