埋地管道埋深及杂散电流大小方向和地磁方位角的测量方法

摘要

一种埋地管道埋深及杂散电流大小方向和地磁方位角的测量方法。应用四个沿与管道轴向垂直方向布置的磁力仪探头组成探头阵列，探头间距均为，埋地管道位于中间第二探头和第三探头中央的正下方；第一探头测量管道电流产生磁场在垂直管道轴向的水平分量，第二探头测量大地磁场在与管道轴向平行方向的水平分量，第三探头和第四探头测量管道电流产生磁场的垂直分量，然后通过公式实现管道埋深、管中电流大小和地磁场方位角等参数的测量。本发明方法简单，具有测量精度高、抗干扰能力强、测量参数多等优点。可以用于构成受大地中杂散电流干扰的埋地管道电流的检测系统，可广泛应用于轨道交通、高速铁路形成的杂散电流对埋地管道产生干扰的检测和评价。

说明书

【技术领域】：本发明涉及埋地管道内杂散电流的检测实现方法，属于腐蚀探测、杂 散电流检测的应用技术领域。集磁测量方法、信号调理方法、相敏检波信号拾取、数学计 算方法、嵌入式系统等技术为一体。

【背景技术】：在城市地铁、城际高速铁路等轨道交通运输系统中，一般采用高压直 流、交流电源牵引，走行轨回流的驱动方式。一旦回流通路与大地的绝缘存在问题，巨大 的驱动电流会流入大地，对埋地管道等地下金属构筑物形成剧烈的电性干扰，导致金属构 筑物受到强烈的腐蚀，使得地下构筑物在短时间内发生泄漏或损伤。电性干扰的存在严重 地威胁着地下管道等构筑物的运行安全。特别是城市中的埋地燃气管道在城市中分布广 泛，铺设密度大。一旦发生煤气管道的腐蚀穿孔事故，往往会造成灾难性的后果。此外， 轨道交通系统的电流泄露，会在大地中形成杂散电流，杂散电流对城市中各种建筑物结构 中钢筋的腐蚀，会破坏混凝土的整体性，降低其强度和耐久性，给城市居民的生命财产的 安全带来严重威胁。

所谓的杂散电流是指在规定的电路或意图电路之外流动的电流。在规定的电路中流动 的电流，其中因回路故障一部分自回路中流出，流入大地、水等环境中，形成了在大地中 流动的干扰电流。金属电性腐蚀的原理与电解的情况基本相同，即阳极进行氧化反应，阴 极为还原反应。杂散电流从土壤进入金属管道的区域带有负电，为阴极区，处在阴极区的 管道一般不受什么影响；当杂散电流由某一点流出时管体带正电，这一区域称为阳极区， 阳极区的管体以铁离子的形式溶入周围介质中，阳极区的管道受到剧烈的电解腐蚀。

杂散电流腐蚀的破坏特征是阳极区段的局部腐蚀。经验表明，1安培直流杂散电流在 钢体上流出，一年内将导致大约9Kg的金属蚀失。而在杂散电流严重的区域，腐蚀电流 可达几十安培或几百安培，造成的腐蚀是相当剧烈的。对于长距离带有防腐层的埋地金属 管道，流入管道的杂散电流很大，而且电流只能从防腐层的破损处流出，因而更容易集中 在管道的局部，腐蚀将是惊人的。在干扰的阴极区也可能对管道有危害，当电位过负，如 超过-1.7V时，管体表面会析出大量氢，造成沥青类防腐绝缘层剥离破坏，脱落，从而 使阴极区的管道也发生腐蚀破坏。

杂散电流干扰的检测：轨道交通产生的杂散电流大多属于动态杂散电流，传统的测量 方法很难进行有效地检测。由于轨道交通设施设计和施工等环节存在的缺陷，导致驱动电 流产生泄漏到大地形成杂散电流。当机车运行到此处的附近，这种杂散电留会急剧增大； 当机车逐渐远离后，杂散电流会逐渐减小。这种干扰的程度会在每天的不同时段，因轨道 交通的繁忙程度不同而不同。因而，对于动态杂散电流的检测仅仅应用简单的地面电压梯 度法往往不能有效地检测出动态杂散电流的存在规律以及对某一区域内地下构筑物的危 害程度、危害方式。

当前国内外应用于杂散电流检测的主流设备是英国雷迪公司的杂散电流检测仪SCM， 国内生产的设备没有电流测量功能，不能满足复杂环境下检测的需求。而应用的SCM检 测仪采用的是上世纪90年代初的测磁技术，应用的是5个双分量的磁力仪探头，由于探 头精度低，只能通过复杂测量结构来满足电流测量的基本需求。由此组成的检测系统结构 复杂，数据处理算法复杂，测量结果精度低，造价高昂。

背景技术

【发明内容】：

本发明目的是解决目前仅仅应用简单的地面电压梯度法往往不能有效地检测出埋地 管道内的动态杂散电流的问题，提供一种埋地管道的埋深及管道内杂散电流的大小、方向 和地磁方位角的检测方法。

本发明的管内电流测量方法应用于，具有数据存储功能的杂散电流检测设备中，管内 电流大小、方向和方位角的测量。杂散电流检测设备用于完成在可能存在干扰的管道上， 检测出管道中杂散电流的方向和强度。通过将多台检测设备在一个检测区段内的多点布 置，连续24小时测量，将记录下长时段的检测数据，应用数据分析软件对不同时段，不 同地点的检测数据进行对比分析、相关分析，得出干扰电流的相互关系，确定杂散电流的 流动方向和大小，在管道上流入流出点，从而探清杂散电流的干扰模式。通过检测数据的 分析还可以确定出同一管道不同位置上电流大小和方向的分布规律，确定在管道存在的杂 散电流干扰的区段，配合现场调查就可以确定出杂散电流的确切来源，进而对应杂散电流 的干扰规律制定出杂散电流的治理方案。

本发明提供的埋地管道埋深及杂散电流大小、方向和地磁方位角的检测方法，包括：

第1、将两个用于管道电流I产生磁场的垂直分量测量的磁力仪探头(以下简称探头) 沿与管道轴向垂直方向垂直于地面放置，分别称为第三探头和第四探头，探头之间的间距 为l，靠近管道一侧的探头即第三探头到经过管道的竖直平面的距离为

第2、分别测量出管道电流I在第1步所述两个探头所在位置产生磁场的垂直分量 H_3垂、H_4垂；

第3、采用如下公式计算管道埋深d，

第4、采用如下公式计算管道电流I，

第5、管道中电流I的方向根据电磁学的右手定则结合管道电流I在第1步所述两个探头 所在位置产生磁场的方向判定。

第6、埋地管道所在地磁方位角的检测方法是：

第6.1、在第1步所述的两个探头沿线上另外放置两个探头，一个探头称为第一探头， 用于管道电流I产生磁场和地磁场的水平分量的测量，另一个探头称为第二探头，用于大 地磁场在管道轴向平行方向的地磁分量的测量，相邻探头之间的间距均为l，埋地管道位 于中间两个探头即第二探头和第三探头中央的正下方；

第6.2、通过第一探头测量出管道电流I在第一探头位置产生的磁场在垂直管道轴向 的水平分量H_1水；

第6.3、通过第二探头测量出大地磁场在与管道轴向平行方向的水平分量H_地平；

第6.4、应用如下公式计算出管道电流I在第四探头位置产生磁场的水平分量H_4水：

其中，d为以上第3步计算得到的管道埋深；

第6.5、最后，通过如下公式计算探头阵列轴线与地磁场方向的夹角即地磁方位角：

所述的每个探头的分辨率为1nT，量程为10万nT；每个探头采用方波激励，激励电 压为2.0～3.2V，频率为1.0K～10.0KHz；测量输出的相敏检波频率为激励信号的2倍， 测量结果为22位数据长度，50mS的信号检测间隔。

四个探头在同一轴线上呈直线方式排列，安装在一个铝制或塑料制的长方形箱中，箱 中内置各个探头的激励信号发生器、相敏检波及积分滤波电流，另有四路探头检测信号模 数转换和处理的微处理器控制板。

本发明检测计算依据及原理：

定义：设埋地管道的中心距离检测探头阵列的轴线为d(管道埋深)，单位：米

      各个探头之间的间距为l，单位：米。

1.每个探头距离管道中心点的距离为：

$R_{\mathrm{1,4}}=\frac{1}{2}\sqrt{{4d}^2+9l^2}---\left(1\right)$

$R_{\mathrm{2,3}}=\frac{1}{2}\sqrt{4d^2+l^2}---\left(2\right)$

2.假设无限长的直线管道内通过的电流为I，根据毕奥-沙伐定律，可得出在距离管道中 心点R的点上，其管道圆周的切线方向上磁场强度为：

其中：H是管道上方距离管道中心R点上的磁场强度，

I是管道内通过的电流值，

表示此处的磁场方向为管道圆周上的切线方向。

由公式1，2和3可得出：

$I_3=\pi ·H_3\sqrt{4d^2+l^2}---\left(4\right)$

$I_4=\pi ·H_4\sqrt{4d^2+9l^2}---\left(5\right)$

已知在位置3，4上测得电流为同一管道上的电流，有：

$I=\frac{2\sqrt{2}\pi ·l·H_3{H}_4}{\sqrt{H_3^2-H_4^2}}---\left(6\right)$

其中：H₃、H₄是位置3，4点处由管道内电流I产生的管道切线方向上磁场强度，

3.管道埋深的计算

由于位置3，4上的探头处于管道电流产生磁场和大地磁场的共同作用下，不能直接 通过测量该点处磁场的水平和垂直分量计算出管道切线方向的磁场强度。在工程应用中可 将地球看成均匀的电介质体，根据电磁感应定律，在地表上磁场沿水平方向的变化率为零， 垂直分量为零，也就是认为在地面上、在没有其他磁场存在时，测得的大地磁场的垂直分 量为零。因此，在图2中探头3，4所测得的垂直分量是不含有地磁场作用的，但在探头 1上测得的水平磁场为管道电流产生磁场与地磁场在管道轴向垂直方向上水平分量的叠加 值。

可以证明，通过管道中心和探头中心的直线与通过管道中心的竖直线所形成的夹角 β，与探头位置上管道电流产生磁场的切线方向与水平线的夹角β相等，根据三角形相似 定理可以得出：

将公式6、7和8联立，可得出管道埋深的计算公式为：

其中：H_3垂、H_4垂是在位置3，4上测得管道电流产生磁场垂直分量的数值，

      H_3水、H_4水是在位置3，4上管道电流产生磁场水平分量的推算数值。

4.大地磁场因素消除后的管道电流计算、电流方向确定

由于管道上方地面处磁场的水平分量中包含地磁的因素，在计算管道内真实管中电流 时必须将其消除。而探头3，4只测量磁场的垂直分量，不含地磁因素。故应用公式7，8， 9可以推算出：

可见，应用公式6，10，11即可通过位置3，4的垂直分量的测值计算出管道中的电流I：

规定管中电流的磁场在探头3，4中垂直向下的方向测量值为正，根据电磁学的右手 定则，确定出管中电流是向里流动的(见图3中管道内箭尾十字表示)。当探头3，4测定 的数值是负值(磁场方向垂直向上)时，表明管中电流是向外流动的。由此，可以确定出 管中电流的流动方向。

4.应用水平布置的探头2测量出探头阵列与地磁的方位角

在图2中，水平放置的探头2可以测量出地磁场在管道轴向方向上的水平分量，不 含管中电流磁场。同时，探头1可以测量出管道电流磁场与地磁在垂直于管道轴向方向上 的磁场水平方向的共同作用，应用公式7已经计算出管道电流产生磁场在垂直管道轴向方 向的水平分量值，则有：

探头阵列轴线与地磁方向的夹角为：

其中：H_地平是探头2测量出的大地磁场在与管道轴向平行方向的水平分量，

      H_1水是在探头1测得的管道电流产生磁场在垂直管道轴向的水平分量，

      H_4水是应用公式8计算出在位置4上管道电流产生磁场的水平分量。

本发明的优点和积极效果：

本发明应用于电气化轨道交通设施等形成的大地杂散电流对埋地管道造成的电性干 扰的检测，可以有效的实现各种杂散电流对地下构筑物危害的不开挖检测。检测的结果包 括：管道内的电流强度，电流方向、检测装置在管道上方与管道轴向垂直放置时与大地磁 场的方位角。

该发明集磁测量结构和方法、信号调理方法、相敏检波信号拾取方法、测量结果计算 模型、嵌入式系统等技术为一体。使检测方法及构成的仪器系统具有检测精度高、测量参 数全、测量方法简单有效等优点，具体包括：

1)本发明采用埋地管道杂散电流检测探头阵列结构可以测量出：管中杂散电流的强 度值、杂散电流方向、管道埋深以及仪器与地磁的方位角等多个参数，配合信号调理、相 敏检波、积分滤波等电路，以及检测结果计算、数据存储，系统操作界面、数据处理等控 制及数据处理软件构成埋地管道杂散电流检测系统。

2)本发明所用探头阵列结构和检测计算方法，完全消除了大地磁场存在和波动对检 测结果的干扰，有效的提高了管中电流测量方法的适用范围，提高了检测结果的可靠性。

3)本发明可以广泛应用于各种杂散电流对地下构筑物形成电性干扰的检测和危害方 式的探测。配合数据分析等相关分析软件系统，可以完成各种杂散电流源的查找和定位， 为制定埋地管道上杂散电流治理方案提供科学依据和现场数据支持。

4)本发明采用磁通门式探头构成杂散电流检测阵列，具有测量精度高、检测周期短、 可重复性好等优点。有效地减少了已有杂散电流检测仪器的探头阵列的结构复杂性，减低 了设备成本。

【附图说明】：

图1是本发明采用的探头阵列布置结构示意图；

图2是探头阵列轴线与地磁场的夹角方位示意图；

图3是管道电流磁场方向及消除大地磁场对测量影响的方法示意图；

图4是磁通门磁力仪信号处理电路。

【具体实施方式】：

实施例1：动态杂散电流检测仪SCM-Logger

SCM-Logger杂散电流检测仪是由一组4个探头的检测检测阵列为核心、应用埋地管道 动态杂散电流检测的专用设备。仪器功能是：在复杂的工矿条件下，在埋地管道上方的地 面，探头阵列以垂直管道轴向的方向放置，应用便携式电脑的上位机软件完成杂散电流检 测过程的各种检测参数设置，检测过程中测量数据结果和电流方向、方位罗盘、电位波形 显示和监视等功能。对于动态杂散电流检测实施过程，建议同时采用不少于3套 SCM-Logger检测设备。

1.硬件的实现：

采用PIC24FJ256G型微处理器构成杂散电流检测仪的测量单元，完成：检测电路控制、 检测结果实时计算、结果数据存储，电源管理、与上位机数字通信等功能。

采用四个测量磁通门磁力仪探头，各个探头间距为l＝0.4米，过程见图1。

各个探头的驱动、选频、相敏检波、积分滤波电路见图4。

实现SCM-Logger设计功能的PIC24FJ256G型微处理器具有以下资源：

A、时钟频率为100MHz。

B、具有两个带有SPI功能的串口，普通串口3个。

C、数据存储器扩展64K(16位)。

D、程序/数据存储器64K以上。

2.检测方法的实现：

1)电流测量功能

在3，4探头测得磁场垂直分量数值后，应用公式(12)计算出管道内杂散电流数据大 小：

每测量5组数值后，应用H_3垂、H_4垂的平均值计算一个电流数值，进行数据存储和显示。

管道中电流I的方向根据电磁学的右手定则结合管道电流I在3，4两个探头所在位置 产生磁场的方向判定(见原理部分)。

2)管道埋深测量功能

在开始电流测量之间，应用3，4探头测得磁场垂直分量数值后，以公式(9)计算出管 道埋深数值：

测量16组数值后，应用H_3垂、H_4垂的平均值计算一个埋深数值，每次测量只进行一次 管道埋深的测量、结果计算、数据存储和显示。

3)管道走向方位角测量功能

在开始电流测量之前，应用1，2探头测得在与管道轴向垂直方向上水平分量，以及大 地磁场在管道轴向方向的磁场分量数值后，以公式(13)计算出管道方位角：

测量16组数值后，应用探头1，2测量值的平均值计算一个方位角数值，每次测量只 进行一次管道埋深的测量、结果计算、数据存储和显示。

4)动态杂散电流检测仪器的技术规格为：

实施例2：静态杂散电流检测仪IPL

IPL杂散电流检测仪是针对第三方管道的阴极保护系统对埋地管道形成静态杂散电流 干扰的检测专用设备。仪器功能是：将具有卫星同步功能的电流断流器施加到可能干扰的 阴极保护系统的电流源上，在被干扰的埋地管道上方地面，探头阵列以垂直管道轴向的方 向放置。应用便携式电脑的上位机完成杂散电流检测过程的各种检测参数设置、检测过程 检测数据结果和检测电流、电位波形显示和监视等功能。

1.仪器硬件实现同实施例1。

2.检测方法实现

1)电流实现、各个测量参数计算功能同实施例1

2)静态杂散电流检测仪器的技术规格为：

数据记录方式 SD卡 上位机接口 USB 数据通道 共4通道，1通道电流，2通道电位±10V 检测功能 管中电流、管地电位、地电位梯度测量 卫星同步功能 可接受12路GPS卫星信号，同步时间精度＜0.1s 数据记录周期 50mS 数据记录时间 24小时数据记录 采样频率 1KHz 记录精度 电流0.1A，电位0.1mV 数据显示 上位机实时数据显示 电池 铅酸蓄池可充电，连续供电大于12小时以上 软件 数据分析显示及控制软件IPL-Dview

参考文献：

1.J.A.埃德米尼斯特尔 工程电磁场基础 北京：科学出版社，2002年版

2.Stray Current Mapper User Manual Radiodetection Corp.2007

3.麦格韦尔磁通门传感器 技术白皮书 上海海事大学 麦格韦尔电磁实验室2010年版

4.丁鸿佳等，磁通门磁力仪和探头研制的最新进展 地球物理学进展Vol.19 No.4 Dec.2004