埋地管道腐蚀的成像检测技术研究

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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

来源：《科技创新导报》2011年第14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

中图分类号:P631.3 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)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)是应用于地球物理方面的时间域电磁法,具有简单易行、不受一次场干扰等优点,所以该方法的成像解释研究得到了重视。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、拟波动方程偏移成像和瞬变电磁视电阻率成像等。

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,当发送电流忽然断开时,导电地层中产生感应涡流,该感应电流在接收线圈中又会产生一个随时间衰减的感应电压,我们可以直接对这个感应电压进行测量,将瞬变感应电压换算成视电阻率、视深度等参数对目标体进行成像。视电阻率成像的关键就是精确求取全区视电阻率,全区视电阻率能形象的表达地下电性结构,不会像早、晚期视电阻率出现中期无定义或者多解的现象,由电阻率计算出反演深度,这样就能反映目标体的形态和位置。 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。

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1.2 全区视电阻率的计算

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。

在电阻率为ρ和磁导率为μ的均匀半空间中,假设是在理想场源的激励下,中心回线装置下的瞬变感应式[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;

将瞬变感应电动势归一化后得到我们称之为归一化感应电动势: (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,转换之后的归一化感应电动势最大值为0.70158,这样求解归一化感应电动势时,不会存在无解的情况,避免了脱节的现象从而连成一条完成的视电阻率曲线。 根据归一化阻抗Z的公式,可得视电阻率公式: (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

在电法资料的定量解释中,基本的解释方法是最优化算法,而目前应用的最为广泛的成像理论即烟圈反演理论。根据Nabighian的理论推导,在中心回线装置下,某一时刻“烟圈”的垂向深度[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;

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μ0为真空磁导率;以上采用实用单位。

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 成像算法的过程

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

本试验采用专用钢质管道进行试验研究,长度为6m,通过在钢管上车削管壁使之变薄来模拟实际产生的腐蚀缺陷,模拟缺陷在钢管上的示意图和缺陷的位置及尺寸见图1,图中尺寸单位均为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。

根据计算得到的视电阻率和反演深度,得到如下的管道成像图,如图2,其中,横坐标表示管道的长度,纵坐标表示管道的埋深,蓝色—黄色—红色的过渡表示视电阻率值从低—中—高的变化,图中的颜色代表的电阻率数值可参照右边的颜色条。该图中,因为管道有腐蚀,腐蚀处充满空气,因此视电阻率会变大,从管道2000mm～4000mm为止,电阻率发生变化,与模型相对应,另外在管道4300mm处也有缺陷,由于线圈所测感应电压是一段区域,并非某一个测点,所以4300mm～4450mm处的缺陷不明显,缺陷埋深在0.85M左右,这与给定模型相符合。 3 结语

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)由于地下管体与周围土层存在电性差异,当管道因为腐蚀而含有其他物质时,视电阻率有明显变化,应用全区视电阻率成像得到的结果比较准确,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。

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参考文献

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[3] 苏朱刘,胡文宝.中心回线方式瞬变电磁测深虚拟全区视电阻率和一维反演方法[J].石油物探,2002,41(2):216～221.

[4] 郭嵩巍、李斌、郑凯.瞬变电磁烟圈反演方法研究[J].内蒙古石油化工,2009(18):9～10. [5] 牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙:中南大学出版社,2007.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/a7h8.html