Polyethylene pipeline detection and visualization using the method of auxiliary sources

Abstract

İstanbul ve diğer pek çok şehirde, su, doğal gaz gibi yer altı şebekelerini ev sahiplerine ve sektörlere çeşitli hizmetler sunmak için alt yapı sistemleri kullanılmaktadır. Bu hizmetlerin kesintisiz ve güvenli şekilde sağlanması ve altyapı sistemlerinin sorunsuz bir şekilde çalıştırılması kaçınılmazdır. Ülkemizde altyapı şebekeleri büyük bir ivmeyle gelişmeye devam etmektedir. Türkiye genelinde sadece doğal gaz dağıtım sistemi yaklaşık 138 bin kilometreden daha fazla bir uzunluğa ulaşmıştır. Şehirlerdeki altyapı şebekelerinin gelişim, genişleme ve yenileme faaliyetlerindeki artış altyapı hizmeti işletmeciliği açısından bazı tehlike ve riskleri de beraberinde getirmektedir. Altyapı hizmeti işletmeciliğinin en önemli önceliği ise boru hatlarının bakımı ve işletme hizmetinin geliştirilmesidir. Boru hatları üzerinde meydana gelebilecek olası bakım işleri için boruya ulaşmak için en bilindik yöntem ise kazı çalışmasıdır. Bu yöntem aynı zamanda işletme açısından karşılaşılabilecek en büyük risk olan doğal gaz boru hattı hasarı riskini de taşımaktadır. Kazı kaynaklı hasarlar doğal gaz dağıtım sektörü için kronik bir sorundur. Meydana gelebilecek bu tarz hasarlar can, mal ve çevre emniyetini de büyük ölçüde tehlikeye düşürmektedir. Ayrıca bu hasarlar altyapı hizmetlerini aksatması nedeniyle aynı zamanda müşterilere verilen hizmetin de kesintiye uğramasına sebep olmaktadır. Türkiye'de izinsiz ve kontrolsüz kazı sayısı her geçen gün artmaktadır ve bu durumun sonuçları ise şebekelerde delinme, yırtılma, kırılma ile birlikte meydana çıkan yüksek basınçta kontrolsüz gaz çıkışları ve buna dayalı yangınlar meydana gelebilmektedir. Bu nedenle can, mal ve çevre emniyeti ile konut, ticari ve endüstriyel sanayi kuruluşlarının doğal gaz arzı tehlikeye girmekte ayrıca ülkemiz için de büyük maddi kayıplara sebebiyet verebilmektedir. Kazı çalışmalarını yapmadan önce kazı çukurlarının yanlış yerlerde yapılmasını ve ekskavatörün boru hattına zarar vermesini önlemek için, kazı çalışmalarından önce, ekskavatörlerin çalışma planını ayarlamada dağıtıcı şirketin kayıt altına aldığı altyapı koordinat bilgilerini referans alarak çalışmayı yapması gerekmektedir. Ancak, dağıtım şirketleri tarafından sağlanan haritalama kayıtları düzenli aralıklar ile güncelleme istediği için çoğu zaman sınırlı kullanımdadır. Dağıtım şirketleri tarafından kaydedilen boru hatlarının koordinat bilgileri x ve y eksenlerinde değişiklik göstermese de, boru hatlarının derinlik koordinatları yapılan kazı çalışmaları ve yol çalışmaları nedeniyle zaman içerisinde derinlik yani z koordinat bilgileri değişmektedir. Bu değişimleri sürekli olarak güncel tutmak ve takip etmek ise son derece zor bir iştir. Bu nedenle dağıtım şirketleri, boru hatlarına zarar gelmemesi için yer altı radarı (GPR) gibi sensör cihazları kullanarak kazı çalışmaları yapmalıdır. Yer altı Radarı günümüzde bilinen ismiyle (GPR: Ground Penetrating Radar), yüzeyin üzerinden düşük derinlikleri incelemek için kullanılan yüksek frekanslı elektromanyetik dalgalar ile çalışan cihazlardır. Düşük derinlik tanımı jeoteknik araştırmalar için kullanıldığında 0 ile 3 metre arası derinlikler genelde jeoteknik araştırmalar için yeterli olmamaktadır. Fakat şehir içi yer altı şebekeleri için 3 metre derinliğe nüfuz eden yer radarları yeterli görülmektedir. GPR cihazlarının içinde bulunan alıcı veya verici antenler bulunmakta olup bazı cihazlarda ise hem alıcı hem verici antenin birlikte olduğu anten kutusu bulunmaktadır. Antenlerin görevlerini tanımlarsak verici anten yer yüzeyinden yer altına doğru yüksek frekanslara sahip kısa sinyaller halinde dalgalar göndermektedir. Bu gönderilen dalgalar yerin altında bulunan bir cisme veya di-elektrik sabiti içinde mevcut bulunduğu katman içerisindeki farklı katman sınırları ile temas ettiğinde, bu yüzeylerden gelen farklı varyasyonlardaki dalgaları alıcı anten sayesinde tespit edip kayıt altına alır. Güncel piyasada bulunan GPR cihazları ile yapmış olduğumuz saha testleri neticesinde çelik boruların tespiti polietilen borulara nazaran iyi sonuçlar vermektedir. Fakat altyapısı karışık olan bölgelerde yaptığımız çalışmalarda boru hatlarını ve diğer altyapı varlıklarını birbirinden ayırma ve tespit etme noktasında problemler yaşanmıştır. Farklı bir teknoloji olan polietilen boru hatlarına yönelik akustik tabanlı çalışan polietilen boru dedektörü saha ortamında uygulanmış olup güzel neticeler vermiştir. Fakat tespit süreci oldukça uzun olduğu için isteklerimizi tam olarak sağlayamamıştır. Yapılan birçok saha çalışmaları neticesinde tatmin edici sonuçlar elde edemediğimiz için farklı metotlar üzerinde araştırma yapılması gündeme gelmiştir. Çelik hatların tespitine yönelik birçok cihaz ile yaptığımız saha testleri sonucunda polietilen boru hatlarının tespitine nazaran daha olumlu sonuçlar aldığımız için çalışmanın önceliği polietilen boruların tespit edilebilirliği konusuna çevrilmiştir. Çalışmanın ilerleyen dönemlerinde ise bütün altyapı varlıklarının tespitine yönelik bir çalışma planlanmaktadır. Çalışma kapsamında farklı metotlar araştırılmış olup eşdeğer kaynaklar yöntemi ile altyapı sistemlerimizde genellikle en çok kullanmış olduğumuz polietilen boru tipleri tespit edilmiştir. Polietilen boru hatlarımızın derinlikleri en az 0.5 metre en fazla ise 1.5 metre olarak seçilmiştir. Boru hatlarının çapları ise sırası ile Ø32 mm, Ø63 mm ve Ø125 mm olarak seçilmiştir. Ortam şartları ise toprak nemliliğinin dielektrik katsayısına doğrudan etki etmesinden dolayı öncelik olarak kuru toprak üzerinde çalışma yapılmıştır. Kullandığımız yöntem olan eşdeğer kaynaklar yöntemi (MAS) ise, belirli bir diferansiyel denklem için sınır probleminin çözümünü ve bu denklemin temel veya diğer tekil çözeltileri açısından genişleterek çözümü bulma yöntemidir. Özellikle karmaşık şekilli ve dolgulu gövdeler üzerine 2D ve 3D saçılma problemlerine uygulanan bir yöntemdir. Eşdeğer kaynaklar yöntemi farklı durumlar için uzak ve yakın alanlar, yarı-statikten yarı-optiğe kadar geniş frekans bandında sayısal simülasyonlarla analiz edebilmemizi sağlamaktadır. Ayrıca eşdeğer kaynaklar yöntemi karmaşık saçılma problemlerini inceleme ve elektromanyetik ve hafif dalga bandında çeşitli fiziksel olayları görselleştirme konusundaki etkinliği de gösterilmiştir. Çalışma kapsamında polietilen borunun kendisine ait rezonans frekans aralığı taranmış olup seçilen aralıklarda meydana gelen grafiklerdeki tepe noktaları frekans aralıkları küçültülerek incelenmiştir. Elde edilen rezonans frekansı sayesinde farklı derinliklerde bulunan farklı kalınlıklardaki polietilen boruların tespit edilebilirliği incelenmiştir. Ayrıca yüzeye dik olarak gönderilen kaynak açıları değiştirilerek farklı açılardan gönderilmiş olup eşdeğer kaynaklar yöntemi ile yer altında bulunan polietilen boruların tespiti sağlanmıştır.

In Istanbul and many other cities, underground networks like water, natural gas is used to deliver a range of services to households and industries. It is inevitable for the metropolitan cities to operate the infrastructure system without any problems. Pipelines maintaining and upgrading are the most important undertakings for distribution companies. Excavation work is required to reach the pipe for possible maintenance works that may occur on the pipelines. To avoid unnecessary holes dug in wrong places and excavator damage to pipeline, before invasive works, it is normally required that excavators should obtain record information from distributing company to identify what is buried where. However, the mapping information supplied by distributing companies is often of limited use as asset records are usually inaccurate and incomplete. Although the coordinate information of the pipelines recorded by the distribution companies does not vary in x and y, the depth coordinates of the pipelines change over time due to the superstructure studies. This changing depth information carries the risk of damaging the pipelines if there is no current data in the next excavation. In drillinglike works, uncontrolled gas outlets or fire may occur at high pressure with perforation, tearing, breaking in the natural gas distribution network. For this reason, the security of life, property, and environment and the natural gas supply of residential, commercial, and industrial establishments are endangered and may cause big material losses for our country. Thus distribution companies have to conducted using sensor devices, such as groundpenetrating radar (GPR) to avoid damage to pipelines. As the results of many field tests could not be obtained from the devices, it was decided to research a different method. In this thesis, the detection of polyethylene pipes of different diameters buried underground will be investigated by using the Method of Auxiliary Sources.