PE燃气管道定位技术综述

陆涵

（深圳市燃气集团股份有限公司，广东深圳518049）

　　摘要：综述埋地聚乙烯燃气管道定位技术的研究现状与改进方向，对各种技术在实际应用中的选取和未来发展方向提出建议。

　　关键词：聚乙烯燃气管道；管道定位；管道探测

　　参考文献示例：

　　陆涵.PE燃气管道定位技术综述［J］.煤气与热力，2024，44（11）：B37-B42.

　　1概述

　　随着城镇燃气的发展，截至2022年，我国城镇天然气供应量达到1 767.7×108 m3，管道长度超过98×104 km［1］。燃气管道建设初期，管材主要以钢管、铸铁管为主，但是由于管道腐蚀等原因，近些年燃气中低压埋地管道管材逐渐以聚乙烯管为主。

　　聚乙烯（Polyethylene，PE）材料自问世以来，因其具有良好的抗腐蚀性、较高的耐温性和优异的机械性能，在城镇燃气管道中得到了广泛应用。随着城镇化进程加快，PE管道的规模不断扩大，对管道的安全运行和管理维护提出了更高要求。城镇PE燃气管道通常敷设在地下，由于地质条件、施工环境以及运行时间等因素的影响，管道可能会出现老化、破损、泄漏等问题，这不仅影响了燃气公司的正常运营，也威胁公共安全。此外，由于我国许多燃气管道存在竣工测量数据缺乏、管道信息系统不完善等问题，容易导致施工第三方破坏，从而引起燃气泄漏、爆炸等事故。因此，对PE燃气管道进行准确、高效的探测定位，对于保障管道安全运行、预防事故发生具有重要意义［2］。

　　由于PE管道是绝缘体，不导电也无磁性，目前相对成熟的金属管道探测技术无法用于PE管道的探测与定位，因此，快速准确地探测和定位PE管道是一个迫切需要解决的问题。随着科技不断发展，PE管道探测定位技术也在不断更新和完善。目前，主要的PE管道定位技术根据技术特点和成熟度可分为：电磁感应技术、电磁波技术、声学类技术和新兴技术等［3］。本文就不同场景下的PE管道定位技术进行介绍，比较各种方法的特点，并对PE燃气管道定位技术的研究趋势与前景进行展望。

　　2电磁感应类技术

　　电磁感应技术于1910年首次用于探测埋地管道。近年来，基于这些技术的埋地管道定位已经从金属管道发展到非金属管道。

　　2.1电磁示踪线法

　　电磁示踪线法是一种通过在管道外壁安装示踪线来实现管道定位的方法。在检测时，通过信号发射机给示踪线施加一定的电流，使得示踪线产生一定的电磁信号，通过放置在地面的探头检测即可确定PE管道的位置、埋深和方向。电磁示踪线法原理见图1。

图1电磁示踪线法原理

　　电磁示踪线法是一种使用较广的方法，其优点在于设备比较便宜，便于工人操作，结果准确可靠。然而，这种方法需要在PE管道附近安装示踪线，示踪线需要保持良好的电气连接性和导电性。当示踪线断裂时，此方法将失去作用。而示踪线在敷设其他管道时或地质条件发生变化时，容易被破坏。此外，电磁示踪线法还存在着定位系统抗干扰能力较差，深埋示踪线能检测到的磁场强度较弱等缺点。可通过改良示踪线材质［4-5］、优化敷设流程［6］等手段来提高其可靠性。

　　2.2示踪探针法

　　示踪探针法是通过在管道内部插入示踪探针来探测管道位置的方法。该方法中的示踪探针本质上是个磁偶极子，在使用时，通过改变示踪探针在管道中的位置，在地面使用接收器跟踪示踪探针发射的电磁信号，即可得到PE管道的位置和埋深。示踪探针法原理见图2。该方法适用已敷设好的管道，但需要对管道进行打孔，可能对管道造成损伤，因此无法进行带气检测。此外电磁信号易受影响、示踪探针质量等问题限制了该技术的发展。

图2示踪探针法原理

　　3电磁波类技术

　　3.1探地雷达法

　　探地雷达法利用高频电磁波在地下介质中的传播特性，通过接收反射信号来探测管道位置。其原理是利用发射天线向地下发射电磁波信号，当电磁波传播到不同介质（如孔洞、裂缝）时，电磁波会发生折射、反射、透射，接收天线接收到反射回的电磁波信号后，通过分析反射波来确定管道的位置。探地雷达法原理见图3。该方法具有探测深度大、分辨率高等优点，但需要根据雷达波形、电磁场强度、振幅、时间等参数计算探测目标的存在、深度和方向，对处理器和算法要求较高，此外对于直径较小管道或者盐碱土壤、页岩地层中的管道探测也存在局限性，受地质条件影响较大。对于探地雷达法，可通过优化识别算法［7-8］和改变电磁波频率［9-10］来提高检测性能。

图3探地雷达法原理

　　3.2电子标识法

　　电子标识法通过在管道上安装电子标识，利用信号识别技术实现管道定位。其工作原理是安装在管道上的电子标识可发出特定频率的无线电波信号，当检测器接近电子标识时，可接收到储存在电子标识内的管道位置与深度信息。电子标识法原理见图4。该方法具有识别速度快、准确性高等特点，但需要预先在管道上安装电子标识。电子标识易被土壤腐蚀破坏，信号传输深度也有所欠缺［11］。电子标识法的改进可从电子标识防腐外壳材料［12］和标识定位算法［13］两方面进行优化。

图4电子标识法原理

　　4声学类技术

　　4.1管道激励法

　　管道激励法通过在管道上施加激励信号，利用声学传感器接收管道传播的声波信号来探测管道位置，管道激励法装置见图5。使用时，首先将易识别的声信号通过裸露在外的相连设备引入埋地管道，声信号可沿着管道传播，也会通过土壤传输到地面，在此过程中可通过地面上的探测器进行声音信号收集，最后通过一定的算法得到管道的位置信息。该方法对管道材质和埋设环境适应性较强，但可能受到周围噪声的干扰。为了利用声波对PE燃气管道进行准确定位，需要对信号的幅度与频率进行处理。

图5管道激励法装置

　　对管道激励法的改进主要有以下几个方向。

　　①确定最佳声波波形，根据不同PE管道管径的固有频率特征，调整合适的声波频率与波形，使得传输过程中能量损失更少。

　　②针对单检测器定位较慢的问题，王东［14］研究多个探测器同时定位，并将信号同步处理，不但能提高检测效率，还能提高定位精度。

　　③为减少对管道暴露的需要，Muggleton［15］利用地面振动测量方法研究了树根的位置。结果表明，在低频下二维信号的等高线图中可以看到与树根相邻的塑料管的方向。因此，在不直接接触管道的情况下，通过对管道附近的树木或地面施加激励，可以将声波辐射到管道中。

　　4.2弹性波法

　　使用时，通过振动源向地面发射一个短时压缩波脉冲，在压缩波传播过程中遇到任何不连续界面都会被反射，然后利用布置在地面的检波器接收反射波，并将其转换成电信号输出，通过对电信号的处理即可得到地下管道的信息。弹性波法原理见图6。该方法还适用于检测管道破损等缺陷，但探测精度易受其他管道影响，且在土壤湿度较大或者空洞较多的地方，探测结果往往不甚理想。目前对弹性波法的研究主要从多源时域叠加法［16］和弹性波理论［17］等方向展开。

图6弹性波法原理

　　4.3点振动法

　　点振动法通过在地面施加局部振动，利用声学传感器接收振动产生的声波信号来探测管道位置。使用时，沿地面的几个点施加垂直谐波激励，并在每个点测量振动。当振动频率较低时，表面表现为单一自由度的简单质量-弹簧系统，其共振频率取决于当地土壤的密度和弹性特性。由于埋地管道的性质与周围土壤的性质不同，其振动频率会发生变化，可据此判定埋地管道的存在。该方法具有操作简单、成本较低等优点，但可能受到周围环境的干扰，且要求管道埋深较浅。

　　点振动法的主要改进方向为通过增加探测深度［18］和优化算法［19］来提高定位精度。

　　5新型技术

　　5.1高密度电阻率法

　　高密度电阻率法通过测量地下介质的电阻率分布来探测管道位置。高密度电阻率法原理见图7。该方法是一种非侵入性的检测方法，可以避免对管道造成损害，并且能快速确定管道位置与深度，但是对于垂直管道或者弯曲管道的检测效果会受到影响，且易受到土壤类型、温度等影响，抗干扰能力差，因此对采集设备与数据处理设备的精度要求较高［20］。

图7高密度电阻率法原理

　　5.2惯性陀螺仪法

　　惯性陀螺仪法是一种利用陀螺仪测量管道的倾斜角度和方向，结合管道起点位置信息，实现管道精确定位的方法［21］。由于陀螺仪在旋转时，其旋转轴所指的方向在无外力的条件下不改变，因此可以用其作为保持方向的传感器。在工作时，牵引器牵引陀螺仪在管道中行进，用传感器读取旋转轴所指示的矢量方向，并将数据传输至地面，根据计算，再结合GPS数据即可得到管道的三维坐标。惯性陀螺仪法原理见图8。该方法具有精度高、适应性强等特点，但需要持续供电和校准，并且需要管道两端开放、管道内无障碍物，因此较适用于新建管道。

图8惯性陀螺仪法原理

　　5.3电容层析成像法

　　电容层析成像法通过测量管道周围介质的电容变化来构建管道的三维图像，从而实现管道定位。该方法具有非接触测量、成像速度快等优点，但受介质分布和测量精度影响较大，导致分辨率较低［22］。

　　5.4地理信息系统法

　　地理信息系统（GIS）法将管道的位置信息整合到地理信息系统中，通过空间分析功能实现管道定位。该方法具有数据集成度高、可视化效果好等优点，但需要建立完善的数据库和信息系统［23-24］。

　　5.5管内机器人检测法

　　管内机器人检测法利用管内机器人携带的传感器在管道内部进行探测和定位。该方法适用于长距离、复杂环境下的管道探测，但受管道内部环境和机器人性能影响较大［25-26］。

　　5.6静态电磁场法

　　静态电磁场法通过测量管道周围产生的静态电磁场来探测管道位置。该方法具有测量速度快、精度高等优点，但受周围电磁干扰影响较大［27］。

　　5.7卫星定位法

　　卫星定位法利用全球定位系统（如北斗）对管道进行定位。该方法具有覆盖范围广、定位精度高等特点，但受天气和信号遮挡等因素影响较大［28］。

　　5.8脉冲发生器法

　　脉冲发生器法通过在管道上施加脉冲信号，利用传感器接收脉冲信号在管道中传播的时间差来计算管道位置。该方法具有定位速度快、精度高等优点，但可能受到管道材质和连接方式的影响［29］。

　　5.9微波全息成像法

　　微波全息成像法利用微波干涉原理对管道进行全息成像，通过图像处理技术实现管道定位。该方法具有成像质量高、分辨率高等优点［30-31］。

　　6总结与展望

　　各种定位技术各有优缺点，应根据具体的应用场景和需求选择合适的定位方法。

　　①在管道施工期间，可以考虑使用电磁示踪线法或电子标识法，以确保定位的准确性。

　　②在管道运行过程中，可以采用探地雷达法或声学管道激励法进行定期检测和维护。

　　③对于定向钻等复杂环境下的管道，可以考虑使用惯性陀螺仪法或者管内机器人检测法。

　　随着物联网、大数据、人工智能等技术不断发展进步，可以预见未来的管道定位系统将实现更加智能化，管道定位技术将向着以下几个方向发展。

　　①通过结合GIS技术和大数据分析，实现对管道的实时监控和预警。

　　②通过引入人工智能算法，优化管道探测路径，提高探测效率。

　　③通过研发新型传感器和信号处理技术，进一步提高管道定位的精度和稳定性。

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　　（本文责任编辑：李欣雨）