埋地管道腐蚀的成像检测技术研究

作者：代璞璞于润桥熊文俊

资料来源：科技创新指南，第14, 2022期

摘要:根据瞬变电磁全区视电阻率的数值计算方法,以及基于烟圈效应下的反演深度求解,提出了基于埋地管道的视电阻率成像解释的思路。研制出了埋地管道腐蚀成像检测的程序,该程序能确定腐蚀大小和位置,通过野外实例的应用,获得了良好的效果,证明了该方法技术和程序的有效性及实用性,这也为管道的正常运行提供了安全保障。关键词:埋地管道瞬变电磁全区视电阻率成像

CLC编号：p631 3文件识别码：a物品编号：1674-098x（2022）05（b）-0010-02 长期以来,油气管道大部分采用埋地的工作方式,由于在役时间的延长以及所处环境的恶劣,管道会出现腐蚀穿孔或焊缝缺陷开裂等状况,所以对埋地管道的在役检测并成像显示有着重要的意义。

瞬变电磁法（TEM）是一种应用于地球物理的时域电磁法。该方法具有简单、不受一次场干扰等优点，因此其成像解释受到重视。目前，国内外基于TEM的成像技术包括基于薄板模型的s反演成像、伪波动方程偏移成像和瞬变电磁视电阻率成像。

视电阻率成像是以地下介质的导电性不同为物性基础,根据电位差进行数据的反演,实现地下目标体的成像。鉴于埋地管道腐蚀成像的重要性以及视电阻率成像的优异性,笔者尝试将视电阻率成像技术应用于埋地管道腐蚀度的检测中,希望通过高精度的视电阻率成像给出管道的腐蚀部位,为地下管道的防腐及更换提供科学依据。1视电阻率成像算法 在瞬变电磁系统中，当发射电流突然断开时，感应涡流将在导电地层中产生，感应电流将在接收线圈中产生随时间衰减的感应电压。我们可以直接测量感应电压，将瞬态感应电压转换为视电阻率和视深度等参数，并对目标进行成像。视电阻率成像的关键是准确计算整个区域的视电阻率。整个区域的视电阻率可以生动地表达地下电气结构。在中期中，早期视电阻率和晚期视电阻率都没有定义或多解的现象。根据电阻率计算反演深度，以反映目标体的形状和位置。1.1数据预处理

瞬变电磁法在数据采集时,会出现负数或超大值等数据产生畸变的情况,其原因包括:电极接地条件不良、地下目标体周围的环境或观测值中包含背景场的存在等,这些都会导致后期反演计算无法正常进行,产生较大的误差,所以必须对采集到的数据进行预处理,理论上最佳解决办法是采用剔除畸变点[1],保留有用信息。 1.2整个区域视电阻率的计算

瞬变电磁仪从接收线圈接收到的信号是感应电压v(t)值,但经过仪器处理后的输出为发送脉冲电流幅值归一化的参数,输出的读数为v(t)/i,单位为uv/a,在后续的成像处理中,一般都要换算成磁场瞬变值。

在均匀半空间中，当电阻率为ρ，磁导率为μ时，假设在理想场源激励下，中心环路器件下的瞬态感应公式[2]为：（1）

其中:i为发射电流;s为发射框的面积;μ=4π×10-7h/m为磁导率;t为瞬变电磁场的延迟时间;z为归一化阻抗;erf(z)为误差函数;

将瞬态感应电动势归一化后，我们得到我们所说的归一化感应电动势：（2） 对于非均匀空间中采集到的瞬变磁场值,经过归一化处理计算得到的归一化感应电动势y值有可能大于ymax(即相当于观测到二次场大于一次场),这时候核函数将出现无解的情况。为解决核函数无解和多解的问题,基于归一化感应电动势,引入了一个校正系数 α[3]，α=Ymax/0.70158，转换后的最大归一化感应电动势为0.70158。这样，在求解归一化感应电动势时就没有解，避免了断开现象，从而连接成完整的视电阻率曲线。根据归一化阻抗Z公式，可以得到视电阻率公式：（3）

这样,我们可以用(3)式以及误差函数erf(z)进行拟合迭代,求出全区视电阻率。1.3反演深度的计算

在电性资料的定量解释中，基本的解释方法是优化算法，应用最广泛的成像理论是烟圈反演理论。根据nabighian的理论推导，在环路装置下，某一时刻“烟圈”的垂直深度[4]可以表示为：（4）

式中:ρ为均匀半空间的电阻率;t为采样时间; μ0为真空渗透率；以上是实用单元。

通过(4)式可计算出在某一时刻垂直方向的深度,该深度为某时刻圆环电流的垂向深度,然而我们在实际资料解释中,需要的深度是反演深度,某时刻视电阻率对应的反演深度为:(5)

式中：0.441为经验系数。1.4成像算法流程

对原始资料编辑预处理;求取瞬变电磁场对时间的导数值;不断迭代求解各个桩点对应每个测道的全区视电阻率;根据烟圈理论求取反演深度;绘制视电阻率ρ为深度h色谱图。2模型计算及效果分析

本试验采用6m长的特殊钢管进行试验研究。通过在钢管上切割管壁使其变薄来模拟实际的腐蚀缺陷。钢管上模拟缺陷的示意图以及缺陷的位置和大小如图1所示。图中的尺寸单位为mm。

试验仪器采用wtem-1qⅱ/gps双道浅部瞬变电磁检测系统,工作装置采用中心回线装置,发射线圈0.8m×0.8m(10匝),接收线圈0.4m×0.4m(20匝),发射频率16hz,供电电流0.76a,埋深0.8m,我们将整根钢管设定为40个测点。

根据计算的视电阻率和反演深度，得到如下管道成像图，如图2所示。横坐标表示管道长度，纵坐标表示管道埋深，从蓝色到黄色到红色的过渡表示视电阻率值从低到中到高的变化。图中颜色表示的电阻率值可以参考右侧的颜色栏。在该图中，由于管道被腐蚀，且腐蚀部分充满空气，视电阻率将增加。从管道的2000毫米到4000毫米，电阻率发生变化，这与模型相符。此外，管道4300mm处存在缺陷。由于线圈测量的感应电压是一段区域，而不是某个测量点，4300mm至4450mm处的缺陷不明显，且缺陷埋深约为0.85m，这与给定的模型一致。3.结论

瞬变电磁视电阻率成像法速度快,分辨率高,本文将其应用到埋地管道腐蚀度的检测中,结果表明。

（1） 由于地下管道与周围土层之间的电性差异，当管道因腐蚀而含有其他物质时，视电阻率变化明显。用全区视电阻率成像方法得到的结果更准确，易于解释。

(2)在过去的资料解释中,一般以测道或延迟时间为纵坐标,这种方式没有深度概念,解释难度大,而且推断不准,通过时深转换得到的成像图易于分析解释。 参考

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