陳 鵬

(交通運(yùn)輸部北海航海保障中心天津海事測(cè)繪中心，天津 300222)

1 概述

隨著海洋能源的迅速開(kāi)發(fā)和利用，海底管道已成為海洋油氣資源開(kāi)發(fā)中的重要組成部分。至今中國(guó)累計(jì)總鋪設(shè)長(zhǎng)度已超過(guò)6 000 km[1]。海底管道事故會(huì)造成人員傷害、經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境污染及社會(huì)問(wèn)題，維修處理的難度及成本也非常大[2]。2010年墨西哥灣發(fā)生的“深水地平線”事故對(duì)該地區(qū)的海洋物種造成嚴(yán)重傷害，且造成直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)10億美元[2]。因此，對(duì)役海底管道的狀態(tài)安全檢測(cè)具有重要意義。

2 研究現(xiàn)狀

目前，海底管道常用的檢測(cè)方法有人工潛水檢測(cè)、水下機(jī)器人技術(shù)檢測(cè)、基于光纖傳感技術(shù)的檢測(cè)方法以及基于聲學(xué)探測(cè)技術(shù)的檢測(cè)方法[3]。各種檢測(cè)方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，不能滿足海底管道檢測(cè)自然和人為的所有各種復(fù)雜情況。因此本文將對(duì)各種檢測(cè)方法進(jìn)行總結(jié)分析，并探討一種更合適的海底管道檢測(cè)方法。

3 海底管道檢測(cè)方法分析

3.1 人工潛水檢測(cè)方法

人工潛水的檢測(cè)方法優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)單，并能對(duì)管道狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行直觀的表達(dá)描述，已被廣泛應(yīng)用于海底管道外檢中[4]。該方法的缺點(diǎn)在于：

1)工況條件要求苛刻，必須是較淺海域且在水質(zhì)較為清晰情況下對(duì)非掩埋海底管道的探摸檢測(cè)。2)該方法受潛水人員下潛深度、視線及下潛耐久性的限制。3)對(duì)于工程浩大的海底管道檢測(cè)而言，該法效率低下。

該方法的適用范圍：海洋平臺(tái)附近管道及管道局部區(qū)域的快速檢測(cè)。

3.2 水下機(jī)器人檢測(cè)方法

水下機(jī)器人檢測(cè)海底管道，首先由檢測(cè)船將機(jī)器人釋放入海底，操作人員通過(guò)電纜對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作，機(jī)器人搭載相應(yīng)檢測(cè)設(shè)備對(duì)海底管道及其周圍環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)過(guò)程中獲取的大量檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)電纜同步傳送給檢測(cè)船進(jìn)行處理，從而同步顯示檢測(cè)結(jié)果[4]。

該檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)在于不受下潛深度的影響。但是缺點(diǎn)在于：

1)機(jī)器人搭載的光學(xué)檢測(cè)裝置受限于水下視線的影響，嚴(yán)重影響檢測(cè)效率；2)機(jī)器人通過(guò)電纜與檢測(cè)船連接，極易受到工況條件和波浪以及水下洋流的影響[4]；3)機(jī)器人搭載的檢測(cè)設(shè)備需要提供足夠的電力需求，續(xù)航能力直接影響檢測(cè)效率。

該方法的適用范圍：海底管道大面積檢測(cè)后的小范圍或局部驗(yàn)證檢測(cè)。

3.3 光纖傳感技術(shù)檢測(cè)方法

光纖傳感技術(shù)檢測(cè)海底管道，是將光纖傳感器安裝于被測(cè)管道上，通過(guò)對(duì)管道應(yīng)變、溫度、壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)及檢測(cè)，進(jìn)而識(shí)別出管道的健康狀態(tài)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的試驗(yàn)及理論研究。

該檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)在于光纖傳感技術(shù)具有高精度、抗干擾、大范圍及連續(xù)性等監(jiān)測(cè)優(yōu)點(diǎn)[5]，較適用于大型結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)距離輸送管道等基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)及檢測(cè)。但是用于海底管道檢測(cè)，該方法明顯存在如下缺點(diǎn)：

1)該技術(shù)受到有效傳感距離及敏感性的影響，不適用于較長(zhǎng)距離的海底管道，且惡劣的海底服役環(huán)境對(duì)傳感器的長(zhǎng)期耐久性、服役可靠性等都提出了嚴(yán)重挑戰(zhàn)，這些因素使得該技術(shù)還處于室內(nèi)試驗(yàn)研究階段，尚無(wú)法直接用于實(shí)際海底管道的監(jiān)測(cè)/檢測(cè)；2)實(shí)現(xiàn)海底管道光纖傳感技術(shù)檢測(cè)的前提是管道上已敷設(shè)光纖傳感器，因此，該技術(shù)僅局限于新鋪管道，對(duì)沒(méi)有安裝光纖傳感器的在役老齡管道則無(wú)法完成檢測(cè)/監(jiān)測(cè)；3)傳感器敷設(shè)后就無(wú)法更換，一旦局部發(fā)生失效，整個(gè)傳感系統(tǒng)有效性及其檢測(cè)結(jié)果的可靠性都將顯著下降。因此，管道施工及光纖傳感器敷設(shè)過(guò)程中，光纖的存活性是該技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，這對(duì)海底管道的整個(gè)施工及敷設(shè)都提出了較高要求，加大了管道安裝的難度及成本；4)盡管該方法能夠?qū)崿F(xiàn)管道的泄漏檢測(cè)，并能同步確定管道的破壞位置，但僅能事后報(bào)警，很難進(jìn)行事先預(yù)警。

該方法的適用范圍：新敷設(shè)的海底管道的局部關(guān)鍵位置的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)。

3.4 聲學(xué)探測(cè)技術(shù)檢測(cè)方法

聲波具有長(zhǎng)距離傳輸且容易控制的特點(diǎn)，回波特性與目標(biāo)物的物理性質(zhì)具有良好的相關(guān)性，因此聲學(xué)探測(cè)技術(shù)成為水下探測(cè)有效工具。

基于聲學(xué)探測(cè)的側(cè)掃聲吶系統(tǒng)(SSS)、多波束系統(tǒng)(MBS)及淺層剖面儀(SBP)的優(yōu)點(diǎn)在于，能夠?qū)崿F(xiàn)海底地形地貌的寬覆蓋、高分辨探測(cè)，目前已廣泛應(yīng)用于海底地形及海底地質(zhì)探測(cè)、海底地質(zhì)災(zāi)害檢測(cè)及海底結(jié)構(gòu)物探測(cè)[6]。海底管道檢測(cè)中，SSS能夠?qū)Ψ茄诼駹顟B(tài)的海底管道進(jìn)行追蹤探測(cè)，確定管道在海底的在位狀態(tài)及管道周圍地形的變化趨勢(shì)，通過(guò)幾何關(guān)系可以求得懸空管道的懸空高度；MBS對(duì)非掩埋管道進(jìn)行追蹤探測(cè)的同時(shí)能夠直接獲取管道及其周圍環(huán)境的水深數(shù)據(jù)，進(jìn)而判斷出管道運(yùn)行狀態(tài)；SBP可用于判斷管道在海床上的相對(duì)空間位置關(guān)系，通過(guò)回波反射特征，能夠確定管道的埋置深度及懸空高度；SSS和SBP的檢測(cè)結(jié)果以高分辨率的聲吶圖像呈現(xiàn)，MBS的檢測(cè)結(jié)果可同時(shí)以聲吶圖像及水深數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)。

該檢測(cè)方法的缺點(diǎn)在于：1)MBS進(jìn)行海底管道檢測(cè)時(shí)，由于受波束開(kāi)角的影響，邊緣波束逐漸發(fā)散，嚴(yán)重影響測(cè)深數(shù)據(jù)的精度，從而給位于海溝等復(fù)雜海底地形的管道檢測(cè)帶來(lái)困難；2)SSS的海底管道檢測(cè)過(guò)程中，聲波掠射角對(duì)于檢測(cè)效果的影響很大，但在海底管道狀態(tài)檢測(cè)時(shí)往往被忽略，且對(duì)于海底復(fù)雜地形處(如海底斜坡、海底凹坑、海底凸起等)的海底管道檢測(cè)，SSS在探測(cè)時(shí)具有一定的局限性，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)偏差；3)SBP的海底管道檢測(cè)中，該方法僅能對(duì)管道截面進(jìn)行探測(cè)，對(duì)于大規(guī)模的海底管道檢測(cè)而言，其效率較為低下；4)對(duì)于各個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)而言，單一的檢測(cè)方法因受工作原理的限制，往往只能確定海底管道的部分特征，很難全面反映管道的實(shí)際狀態(tài)。

該方法的適用范圍：大面積海底管道全局全海況適時(shí)監(jiān)測(cè)獲取三維信息。

4 檢測(cè)方法探討

通過(guò)分析四種監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，可知聲學(xué)探測(cè)技術(shù)是應(yīng)用最廣，受制因素最少的方法。但是鑒于聲學(xué)探測(cè)三種技術(shù)的各自的優(yōu)缺點(diǎn)，本文認(rèn)為可以在優(yōu)化各自參數(shù)的基礎(chǔ)上，探討三種技術(shù)的聯(lián)合監(jiān)測(cè)。

由于SSS的拖曳式作業(yè)方式，系統(tǒng)不受水深影響，因此其掃測(cè)范圍大，工作效率高且能獲取較高分辨率檢測(cè)結(jié)果，常被用以探測(cè)海底管道的走向，無(wú)法直接獲取海底管道空間位置信息。MBS在獲取海底管道位置信息的同時(shí)，還可獲取水深信息及海床地貌圖像信息，其圖像位置精度較高，但其波束掃測(cè)范圍較小。針對(duì)掩埋段管道，SSS及MBS均無(wú)法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，而SBP能夠?qū)崿F(xiàn)掩埋管道高程信息的獲取，但SBP僅能獲取管道斷面信息，無(wú)法實(shí)現(xiàn)海底管道的全分布式快速檢測(cè)。

因此，可充分利用各系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于SSS可以優(yōu)化聲波掠射角取值，MBS可以優(yōu)化波束開(kāi)角和航速設(shè)計(jì)聯(lián)合進(jìn)行非掩埋管道的平面位置和懸空高度的監(jiān)測(cè)，結(jié)合SBP對(duì)掩埋位置的海底管道進(jìn)行埋深和懸空高度的探測(cè)。聯(lián)合使用SSS-MBS-SBP來(lái)獲取海底管道多源檢測(cè)信息，構(gòu)成海底管道完整的三維信息，其聯(lián)合方案可設(shè)計(jì)為：1)根據(jù)目標(biāo)管道尺寸、測(cè)區(qū)水文等信息，對(duì)聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；2)利用SSS平行于海底管道方向進(jìn)行掃測(cè)，以獲取管道的海底狀態(tài)基本信息，再通過(guò)MBS及SBP系統(tǒng)沿管道方向進(jìn)行管道狀態(tài)的精確檢測(cè)；3)聯(lián)合SSS-MBS-SBP數(shù)據(jù)成果，以實(shí)現(xiàn)管道狀態(tài)及標(biāo)高(裸露及懸跨高度)的統(tǒng)一，進(jìn)行檢測(cè)成果的表達(dá)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的總結(jié)分析與探討，基于聲學(xué)探測(cè)的三種技術(shù)的聯(lián)合使用，可以通過(guò)多種檢測(cè)方法之間良好的互補(bǔ)性實(shí)現(xiàn)對(duì)海底管道全面、高效、精確的檢測(cè)，為運(yùn)營(yíng)期海底管道的健康檢測(cè)和三維重構(gòu)提供保障。