朱凯敏

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司，成都 610081）

ZHU Kai-min

(Southwest Municipal Engineering Design & Research Institute of China,Chengdu610081,China)

1 引言

聚乙烯（PE）燃气管道具有挠性佳、耐腐蚀、质轻、施工简便、流体流动阻力小、抗拉强度高、适宜输送天然气等一系列优点，并经实践证明，PE管较钢管具有工程造价低、使用寿命长等优势：一般而言，管径De315及以下的PE管比钢管有一定的经济优势，其成本可比钢管便宜10%～30%；在国外，PE管最早在20世纪50年代服役于城市燃气输配系统，我国使用PE管的历史也可追溯至20世纪80年代初[1]。

天然气的发展和PE管的诸多优势使其逐渐取代铸铁管和钢管，成为中压燃气输配系统的主流。然而，PE管由于不导电、不导磁而无法直接用电磁法探测其空间位置[2]。因此，GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》、CJJ 51—2006《城镇燃气设施运行、维护和抢修安全技术规程》、CJJ 63—2018《聚乙烯燃气管道工程技术标准》等技术规范都要求燃气PE管道敷设时，须随管道走向埋设金属示踪线，以准确探测PE管的位置和埋深。

在直埋燃气管道工程实践中，深圳地区采用2.5mm2的聚乙烯薄膜包裹不锈钢金属线示踪线，有效解决了PE管的探测问题。在定向钻施工中，示踪线与PE管一同回拉，存在示踪线被拉断或因示踪线埋设过深而导致不能有效探测PE管的空间位置等问题，因此，定向钻施工中如何有效敷设示踪线的问题亟待解决。

2 电磁法探测PE管示踪线的原理与方法

目前，探测地下PE管最常用的方法是电磁法。它是以地下管线或导线与周围介质的导电性及导磁性差异为主要物性基础，根据麦克斯韦电磁场理论和电磁感应原理观测和研究电磁场空间分布规律，从而实现探测地下管线的目的。

电磁法分被动源法和主动源法。被动源法通过发射机产生一个交变电磁场（一次场），以电磁感应的方式在金属管线或示踪线上产生感应电流，感应电流再以金属管线或示踪线为中心形成另一个电磁场（二次场），通过接收机探测二次场的中心位置，即可对金属管线或示踪线进行定位。该方法操作简便，缺点是感应信号弱，易受邻近地下管线干扰而影响探测结果。主动源法是发射机直接将交变电流加载到金属管线或示踪线上产生一个交变电磁场，接收机通过探测一次场的中心位置来确定金属管线或示踪线的位置和埋深。该方法因具有信号强、探测精度高、不受邻近管线干扰等优点而应用广泛，但要求示踪线无断点，并有接地良好的出露点。

由以上的阐述可知，无论是被动源法还是主动源法，接收机都是通过探测示踪线发出的交变电磁场（二次场或一次场）实现对PE管的定位定深的，故以应用广泛的主动源法为例分析示踪线的探测方法及影响示踪线探测精度的因素。

2.1 示踪线交变电磁场的产生

当示踪线直径远小于埋深并忽略大地和空气的介质变化时，示踪线可视为均匀介质中的一条无限长的长直导线，将幅值为I0的交变电流I0sinωt加载到示踪线上时，在地面上P点产生的交变电磁场如图1所示[3]。

图1 示踪线产生的交变电磁场

式中：B——磁感应强度，T；μ0——真空磁导率，N/A2；I——交变电流的有效值，满足示踪线中心至地面P点的距离，m。

交流电流的大小由发射机功率和闭合回路的电阻决定，存在关系：

式中：P——发射机的发射功率，W；R1——被测示踪线的电阻，Ω；R2——示踪线、发射机与大地组成的闭合回路中除R1以外的电阻，Ω。

由电阻定律可知：

式中：ρ——示踪线的电阻率，Ω·m；L——示踪线的长度，m；S——示踪线的横截面积，m2。综合式（1）、（2）、（3）可得：

分析图2可知，交变电磁场的水平分量和垂直分量分别为：

图2 交变电磁场的水平分量和垂直分量

式中：β——测量点的电磁场切线方向与水平线的夹角，rad；x——地面观测点到示踪线在地面投影的水平距离，m；h——示踪线（PE管管顶）的埋深，m。

2.2 交变电磁场的测量

Bx与Bz的曲线如图2所示，在实际应用中，通常借助接收机测量Bx（峰值法）或Bz（极小值法）的方式对示踪线进行定位定深。采用极小值法定位时，当探头位于示踪线正上方时，电磁场垂直分量Bz为零；用45°定深，确定示踪线位置后，将探头与地面成45°进行垂直示踪线移动测量，当测得电磁场垂直分量Bz为零时，零值点与定位点的水平距离即为示踪线的埋深（见图 3）。

图3 极小值法测量电磁场的方法

交变电磁场的测量是通过其在接收机上产生感应电动势来实现的。根据电磁感应定律，感应电动势e正比于磁通量对时间的变化率，即：

式中：Φ——通过线圈截面的磁通量，Wb；N——线圈匝数；A——线圈的面积；α——电磁场方向与线圈平面方向的夹角，rad。

当采用极小值法测量电磁场时，将（6）代入（7）得：

由上式可知，当接收器选定之后，示踪线埋深越小，示踪线的电阻越小（电阻率越小，横截面积越大），示踪线与大地的接触电阻越小，则电信号越强，示踪线越容易探测。

3 定向钻施工中示踪线技术改进

一般来说，示踪线要求具有高导电性、高强度、良好耐腐蚀及耐久性等特点，在工程实践中，一般采用聚乙烯薄膜包裹1.5～2.5mm2的金属丝，也有选用塑料膜包裹窄条的铝箔。深圳地区的聚乙烯燃气输配系统中，选用2.5mm2的不锈钢金属丝示踪线，但在定向钻施工中，由于上述示踪线太细，故存在因拉断或埋设太深而不能有效探测PE管的位置和埋深的问题。

深圳燃气公司自2010年起将2根截面为4mm2的铜芯线应用于PE管定向钻工艺中，施工时用胶带将铜芯平行绑于PE管的顶面，随管道一同回拖，并在两端出钻点设置拉线井，用于将铜芯两端与直埋敷设的不锈钢金属丝示踪线可靠地接驳。

采用极小值法测量电磁场时，对式（8）的讨论可知，选用电阻率小、横截面积大的导线，可获得较强的电磁信号，而且更高的强度也能有效抵御PE管回拖时对示踪线的破坏。深圳目前采用的2.5mm2的不锈钢金属丝示踪线的电阻率为0.73Ω·mm2/m，抗拉强度为 860MPa，铜芯的电阻率为0.0175Ω·mm2/m，抗拉强度为250MPa。故经计算可知，单位长度示踪线的电阻：不锈钢金属丝为0.292Ω，铜芯线为0.002Ω；回拖时能承受的最大拉力：不锈钢金属丝为2150N，铜芯线为2400N。

在近期市政燃气管道工程施工中，深圳燃气公司的35处定向钻施工均采用了铜芯线示踪线，共计敷设各种管径的燃气管道4200余米。对在定向钻工艺中采用铜芯示踪线的燃气管道工程进行试验时，采用英国雷迪公司的RD4000产品进行探测，结果显示能有效地探测到电磁场信号。

4 结论

①电磁法探测示踪线的首选方法为主动源法，它具有信号强、探测精度高、不受邻近管线干扰等优点。②定向钻工艺中，示踪线宜选用2根截面积不小于2.5mm2的铜芯。敷设时，示踪线平行管道固定于管顶，不宜缠绕于管道上或两根示踪线分散于管道截面圆周敷设。③定向钻两端应设置拉线井，铜芯示踪线应与不锈钢金属丝示踪线可靠连接，并做好绝缘防腐处理。④以定向钻工艺敷设的PE管道示踪线的埋深较大时，除减小示踪线电阻、接地电阻、系统电阻外，还应提高发射机的发射功率，以提高信号强度，获得更好的探测结果[4]。