电子标志系统及在PE燃气管道的应用_工程实践

摘要

阐述PE燃气管道的定位方式及存在的问题。介绍电子标志系统的工作原理、不同类型电子标志系统的特点与应用情况，分析了电子标志系统的经济性。从全生命周期角度考虑，电子标志系统具有使用寿命长、定位准确、可靠性高、维护便捷等诸多特点，技术成熟且具有一定的经济优势。

Abstract：The positioning patterns of PE gas pipeline and the existing problems are expounded．The working principle of electronic identification system，the characteristics and applications of different types of electronic identification system are introduced，and the economk：performances of these electronic identification systems are analyzed．Considering the whole life cycle，elec．tronice identification system has the characteristics of long service life，accurate positioning，high reliability，convenient maintenance and so on，the technology is mature and has certain economic advantage．

Keywords：electronic marker；PE gas pipeline；positioning；electronic identification system

1　概述

目前，城市燃气中、低压管网的管道大多采用金属(钢质)管材和聚乙烯(PE)管材，且近几年PE管材的使用比例有明显的增长趋势。这些燃气管道一般都埋设在地下1.0m左右的深度，有些地段，比如穿越工程的管道，埋深达10m以上。管道通常由人工回填土覆盖，回填土上方是沥青路面或水泥路面等。

由于城市总是处于不断建设、发展与变化之中，因此，弄清埋设在地下的燃气管道的实际位置，实现对地下燃气管道准确定位并对其进行科学监管非常重要，这是确保燃气管网运营安全，提升城市现代化管理水平的必然要求。

2　PE管道定位中存在的问题

钢质燃气管道由于其良好的导电特性，与周围覆盖层存在明显的电性差异，且表现为二维线性特征，常规的探测方法就能较好地识别，因此，对钢质管道的定位相对来说不是太难，现有技术也比较成熟。但是，对于非金属材料的PE燃气管道，其表现出高电阻性质，再加上管道周围一些干扰源的影响，探测这类高电阻管道，常规的方法则难以奏效。

尽管理论上讲，对PE管道的探测，可以利用探地雷达来实现。但无论是从经济方面，还是从其定位的准确性方面考虑，都还存在一些不尽人意之处。以现有条件，探地雷达还不能成为一种可以广泛使用的探测定位方式。因此不少学者对PE燃气管道定位问题开展研究。

3　常见的地下PE管道定位方式^[1]

①警示带

警示带敷设在燃气管道的上方，距管顶不小于300mm。警示带上标有醒目的提示字样，具有抗回填冲击、压迫及耐土壤中化学物质腐蚀的特性。

这种定位方式成本低廉，但只有在开挖之后才能够知道PE管道的走向，后期成本较高。

②示踪线

通常选用BV 2.5mm²聚乙烯绝缘无护套电缆作为示踪线，非开挖穿越地段有时采用BV 2.5mm²双线或BV 4.0mm²单线。而且，地面上需安装信号加载点或检测桩。

示踪线埋设方便，价格便宜，但在实际探测时信号接入条件较为苛刻，探测仪必须与示踪线连接才可进行探测。此外，示踪线还较易受到外力破坏，出现断线或腐蚀断点等情况，可靠性极为有限。

③金属示踪带

示踪线与警示带相结合，即将金属导线包覆在警示带中，则构成金属示踪带，它能起到示踪线和警示带的双重作用。

④警示PE保护板

与警示带作用相似，警示PE保护板也是埋地燃气管道的一种定位方式，可有效地起到警示作用。其主要特点是：使用寿命长，抗冲击能力强，在应对第三方破坏方面有一定作用。

⑤电子标志系统

电子标志系统在欧美发达国家已有40多年的使用历史，自20世纪末以来，在我国燃气行业也开始逐步得到应用。它不仅可以指示出其埋设的位置，还可以将内部储存的信息，比如管道直径、埋设时间、三通、弯头、阀门、周边建筑物情况等相关信息发送给电子探测仪，有效弥补其他示踪方式的不足。

此外，它还可以与全球卫星定位系统(GPS)结合，扩充其功能，导出PE管道的绝对坐标(经度、纬度、海拔)，变相对定位为绝对定位。

4　电子标志系统介绍^[2-4]

①电子标志系统的组成

电子标志系统由电子标志器和电子标志定位仪(探测仪)两部分组成，其中，电子标志器通常埋设在地下PE管道的顶部位置。

②工作原理

电子标志系统实施对PE管道定位是基于射频原理工作的。探测仪以间断方式发送一定频率的信号，被埋设在管道上方的相同谐振频率的地下电子标志器吸收并储存信号能量，探测仪短时间发送信号后，停止发送并进入信号接收模式。当探测仪停止发送信号时，电子标志器将储存的能量释放并返回探测仪。探测仪通过检测返回的信号强度来确定电子标志器所在的具体地点，信号最强处就是标志器的正上方。探测到电子标志器位置实际上就是掌握了燃气管道的位置。

③外观与谐振频率

城市燃气行业使用的电子标志系统外观颜色为黄色，谐振频率为83.0kHz。外观颜色及专有固定频率遵循国际统一颜色编码标准。不同的行业诸如通信、电力、有线电视、供水、污水、石油天然气等，对应不同颜色、不同类型的电子标志器和探测仪，其谐振频率、探测深度各不相同。

④电子标志器介绍

电子标志器是电子标志系统的核心组成部分。有球形电子标志器、球形电子信息标志器、钉形电子标志器、盾形电子标志器4种类型。

a．球形电子标志器

球形电子标志器主要是由密封防水聚乙烯壳体及其内部的无线天线构成。本身是一个无源体，它只能够接收和反射专用探测仪的信号。

球形电子标志器内部是一个特定低频的谐振电路，外壳防潮、防腐蚀、耐挤压，不受温度的影响。采用白对准水平设计，其内部的电磁感应线圈可以漂浮在防冻液表面，确保最佳的接收效果和探测深度。无论何种敷设方式下，感应线圈总保持水平位置。球形电子标志器中的防冻液(聚乙烯乙二醇和水的混合物)使其能适用于低至-40℃的极寒环境。

b．球形电子信息标志器

球形电子信息标志器是在球形电子标志器的基础上增加一片可储存设施相关信息的射频识别(RFID)芯片。这些球形电子信息标志器均用唯一的标志号码进行了预编程，记录客户的细节信息，如设备数据、危险级别、应用类型、放置日期和其他重要详细资料。该信息由用户使用探测仪编写并锁定。

c．钉形电子标志器

钉形电子标志器采用垂直安装方式。使用冲击钻在硬质路面上打一个垂直的孔洞，孔洞深度为30～40cm，将钉形电子标志器放入，然后填埋孔洞即可。它有助于用户标志那些采用非开挖技术安装及已存在的设施。

d．盾形电子标志器

盾形电子标志器的结构为圆盘线圈。由于其信号接收有方向性，因此要求水平埋设。为确保外力不使其倾斜，需在夯平的细土或沙土上安放盾形电子标志器，再回填足够厚的细土后才能进行夯实。

5　电子标志系统的应用

为了确保电子标志系统发挥作用，实现对PE管道的准确定位，对电子标志器的埋设，包括埋设方式、位置、数量、验收等都有一套严格规定，必须予以遵守。

①电子标志系统的设计^[5]

仔细踏勘现场，以前瞻性、系统性眼光统筹考虑管网的分布，这是做好电子标志系统设计的基本要求。

②电子标志器的设置与安装部位

一般情况下，以下部位需要设置电子标志器：

a．所有地下燃气管道各类阀门、井处；分支点(如三通)、异径接头等位置；转弯处的起止位置；与其他地下设施的交叉处。

b．燃气管道横过道路、河流或其他公共设施的两端(可以是燃气管道保护管的两端)；非开挖技术敷设的地下燃气管道的两端。

c．燃气管道的深度变化幅度大于0.5m时，电子标志器的埋设位置为最高和最低处。

d．所有预埋的燃气管道端头；所有档案图纸上标注的其他重要地下燃气设施点；其他认为重要而需要标注的位置。

e．对于已建燃气管道，在维修过的地下燃气管道或接头处，必须在覆土前安装电子标志器，记录维修信息；其他市政管线开挖工程，若遇燃气管道，也必须安装电子标志器。

由于电子标志器内部天线大小不同，接收信号强度不同，因此能探测到的深度不同。一般来说，钉形电子标志器的最大可探测深度为0.5m，球形电子标志器、球形电子信息标志器的最大可探测深度为1.5m，盾形电子标志器的最大可探测深度为2m。

球形电子标志器、球形电子信息标志器、盾形电子标志器应水平安装，钉形电子标志器应垂直安装，通常安装在燃气管道正上方。当现场情况不适合上置安装时，也可将电子标志器安装在燃气管道下部。安装工作完成后，务必将已安装的电子标志器位置记录在相应的管网图纸或系统中。

当管道敷设完成后，应使用探测仪对已安装的电子标志器进行可探性测试，以确定埋于地下的电子标志器安装妥当，并应记录所有测试结果。

③施工要求

施工时应由具备电子标志器安装资格的人员负责电子标志器的施工工作，并严格按照设计文件进行施工。如出现诸如施工图有误、管道定位点发生变化、需要增减标志器等情况，应及时向设计单位提出变更设计要求，经设计单位同意，并出具设计变更后方可继续施工。

电子标志器埋设前应严格按照施工要求将标志器下方的回填土夯实，以减小沉降量。

④验收要求

电子标志器施工验收应作为整个工程验收的一部分列入流程。建设单位应严格审查施工单位的电子标志器信息记录表，对没有该表或填写不全的工程，不能按竣工处理。验收人员验收时，应将探测仪探测的结果与电子标志器的施工图中的内容进行对比。

⑤运行管理

电子标志器交付运行后，应经常进行探测管理。由相关管理部门指定人员定期测试其运行状况；每年测试一次。

⑥功能拓展^[6]

由探测仪现场记录电子标志器的经度、纬度、海拔等信息，将数据上传到电子地图系统，由此记录电子标志器所在位置的绝对坐标。

6　电子标志系统的经济性分析

警示带及警示PE保护板等“被动”管道定位方式，只有在发生开挖或第三方破坏时，才能得知管道具体情况，显然不能满足燃气企业希望主动、及时获取管道信息的要求，因此这种方法会逐步退出历史舞台。

电子标志器：按照“直线每30～50m放置l个电子标志器；弯道、岔路口及每个重要节点放置1个电子标志器”的要求，1km管道需放置电子标志器25个左右。球形电子标志器约260元／个，球形电子信息标志器约330元／个，钉形电子标志器约450元／个，盾形电子标志器约130元/个。考虑价格因素，选用盾形标志器相对普遍。因此，以盾形标志器为例进行计算，其购置成本为3250元／km，安装费用低，可以忽略不计。

示踪线：示踪线总成本约3000～4000元／km，其中购置成本约为2000～3000元／km，安装成本为1000元／km。

可见，盾形标志器与示踪线的单位成本基本接近，而其他类型电子标志器的成本过高，不宜大范围推广使用。

若考虑到“电子标志器50a使用寿命，而示踪线30a使用寿命”这一因素，则盾形标志器的综合成本是示踪线的70％左右。

7　其他优势

①使用功能及可靠性比较

电子标志器可以准确定点定位，快速确定管道、弯头、三通、阀门、穿越地点的具体位置，可靠性较高，使用寿命长，至少达到50a。且可以回收使用，当管道改线时，可以将电子标志器重新敷设在新的管道位置。而带有芯片的球形电子信息标志器还可以准确导出地下管道的相关信息。

示踪线定位操作复杂，准确度不高，受外力作用容易断裂，可靠性差，检测时耗费时间长。且使用寿命平均不到30a，也不能重复使用。

②日常维护

电子标志器不需要外接电源，随管道施工同时进行安装。示踪线每隔500～800m要有引出桩，需满足对地绝缘电阻>999MW要求。一旦示踪线出现断裂情况，在非开挖条件下无法进行修补与维护。此外，与其他非燃气管线邻近时，借助于电子标志器可分辨出其中的燃气管道，而示踪线很难做到这一点。

8　结语

电子标志系统作为一种高效可靠的地下燃气管道准确定位方式，相对于示踪线等传统的方法，从全生命周期角度考虑，具有性能优良、综合成本低、维护简便、使用寿命长、可靠性高等特点，技术成熟且具有一定的经济优势，对于保障管道的安全运行具有显著作用，值得大力推广应用。

参考文献：