埋地管道腐蚀的成像检测技术研究

埋地管道腐蚀的成像检测技术研究
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
0. 引言
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。

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：
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：
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：
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：
式中：ρ：均匀半空间的电阻率；
t:采样时间；
μ0：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：
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-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下图，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至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4300-4450mm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。