孫長保，鄒定杰

1.深圳中海油服深水技術有限公司，天津 300451

2.中海油田服務股份有限公司，天津 300451

截止至2017年上半年，中國海洋石油有限公司共鋪設了360 多條海底管道，其中在用的海底管道總長超過6 800 km[1]，海上油田作業(yè)水深已達1 500 m。由于工程設計、海上鋪設、海洋環(huán)境、淺層工程地質(zhì)、漁業(yè)活動以及自然災害等原因，管道會產(chǎn)生裸露懸空、內(nèi)外腐蝕、涂層損壞、陽極塊失效，甚至破裂、泄漏等情況[2]，嚴重威脅到油田生產(chǎn)的運行和安全。為保證海底管道運行的安全性，減少各類管道泄漏事故的發(fā)生，保護海洋環(huán)境，對海底管道進行全方位的準確檢測，成為面臨的緊迫要求。海底管道檢測技術分內(nèi)檢測和外檢測，管道外檢測是指在海底管道外部進行檢測的一類檢測方法[3]。

1 海底管道外檢測內(nèi)容

海底管道的外檢測內(nèi)容一般包括外觀檢測、金屬損失檢測、犧牲陽極檢測、防腐層檢測、管道路由檢測等。例如Y13-1 海底管道某次外部檢測具體工作內(nèi)容如下：

（1）利用遠程操作潛水器（ROV）對管道進行100%的一般目視檢查（GVI）并全程視頻記錄。

（2）對陽極的狀況進行目視檢查，根據(jù)目視情況進行陽極腐蝕方面的評估；測量管道陰極保護系統(tǒng)的電位。

（3）管道的路由坐標、埋深和周圍海底狀況。

（4）管道自由橫跨的位置、長度、高度。

（5）管道外部保護層的破壞情況、機械損傷和缺陷。

（6）管道上或鄰近管道的雜物調(diào)查。

（7）高危段的應力腐蝕調(diào)查。

海底管道外檢測的常規(guī)方法包括：多波束測深法、旁掃聲吶法、淺地層剖面法、磁力調(diào)查法等[4-7]，但這些設備和技術多用于淺水區(qū)的調(diào)查；水深超過100 m 時需要借助深拖設備或ROV。

2 深水管道外檢測技術

2.1 外觀檢測

外觀檢測一般由ROV 搭載攝像頭執(zhí)行，見圖1。ROV 使用配置的攝像頭對管道損壞、管道懸空、犧牲陽極、管道保護裝置和連接法蘭、軟管等進行巡航檢測。多路水下監(jiān)控系統(tǒng)可對海底管道進行全方位的觀察，并對管道的重要部位、發(fā)現(xiàn)的缺陷和異常進行水環(huán)境下的實時攝影記錄。

圖1 ROV 外觀檢測示意

2.2 管道位置坐標確定

管道的位置坐標通常利用水上定位系統(tǒng)和水下定位系統(tǒng)相結(jié)合的方式來確定，見圖2。在海上作業(yè)時，實時差分DGPS 定位系統(tǒng)用于水面定位，以確定工作船的大地坐標；ROV 通過水下定位系統(tǒng)USBL 確定相對于船的位置，通過計算機處理，得到管道的大地坐標。

圖2 管道定位示意

2.3 電位檢測

為了防止海底管道的腐蝕，除了涂層防腐外，海底管道通常還設有犧牲陽極以進行陰極保護。通過測量陽極塊和管道本體的水下電位，可以評估犧牲陽極保護系統(tǒng)的性能和保護效果。

管道電位測量通常使用ROV攜帶銀/鹵化銀參比電極電位儀對管道本體和犧牲陽極電位進行測量，見圖3。管道本體和犧牲陽極電位值通過ROV 臍帶傳輸至水面數(shù)據(jù)采集顯示單元。鋼管道本體的陰極保護電位應該在-800～-1050 mV 之間；鋅陽極在海水中的電位應在-900～-1 050 mV 之間；鋁陽極在海水中的電位應在-900～-1 100 mV之間。如果超出正常值，將出現(xiàn)過保護或欠保護的狀況。

圖3 ROV 攜CP 探頭測量管道電位

2.4 海底管道掩埋情況調(diào)查

為了保證海底管道的穩(wěn)定性和安全性，管道設計埋深通常在1.5 m 左右，即使經(jīng)過長時間的海底流的沖刷，絕大部分管段仍會掩埋在海底泥面之下，利用ROV 上的攝像頭無法發(fā)現(xiàn)管道的位置，這時就需要利用專業(yè)設備對管道進行跟蹤。TSS440管纜跟蹤探測儀（見圖4）采用主動電磁脈沖方式探測導體材料，可以調(diào)查海底管道位置和埋深。

探測海底管道時，探測線圈內(nèi)的脈沖電流誘使海底管道產(chǎn)生脈沖電流，利用3個探測線圈檢測目標誘導電流產(chǎn)生的磁場，然后通過軟件內(nèi)的函數(shù)對比每個線圈所獲得的探測距離，計算得到目標物的準確位置。通過同步使用高度計算軟件計算獲得目標物的埋藏深度、懸空高度等信息。

圖4 TSS440 管纜跟蹤探測儀

2.5 海底管道損傷、腐蝕檢測

2.5.1 進水桿件檢測技術

進水桿件探測（Flooded member detection，F(xiàn)MD）是上世紀末英國發(fā)展起來的一種水下結(jié)構(gòu)檢測技術，它適用于檢測輸氣管道貫穿型裂紋或其他可使水滲到管道內(nèi)部的缺陷。當管道存在腐蝕穿孔或貫穿型裂紋時，海水將滲到海底管道內(nèi)部，這種情況下可用超聲波或伽馬射線探測管道內(nèi)是否存在水，并據(jù)此判斷是否存在腐蝕穿孔或貫穿性缺陷，該方法特別適用于海底輸氣管道。

雙層海底管道檢測時常使用伽馬射線FMD 進行檢測（見圖5），無需清潔表面海洋生物和涂層。然后對進水部位進行更詳細的檢查，如部分目視檢查或無損檢測。通過減少需詳細檢測部位的數(shù)量，可以節(jié)省時間和成本。

圖5 射線型FMD 檢測雙層管

2.5.2 非接觸式磁力斷層攝影技術

非接觸式磁力斷層攝影技術（Non-contact magnetic tomography method inspection，MTM）是一種非接觸式的在線連續(xù)外部檢測技術，主要利用磁應力原理。在天然磁場中，鐵磁材料的應力異常區(qū)域（包括缺陷、受外力等）周圍的磁場分布也表現(xiàn)出異常，而磁場分布的異?？赏ㄟ^磁力計測得，因此可通過對接收到的管道磁場異常信號的反向解算，得到管道自身的應力狀態(tài)。

MTM 檢測技術具有以下優(yōu)點：不影響管道工作；不要求最低或最高工作壓力；不需要專用管道設備或者準備工作；無需接觸或者改變管道狀態(tài)；對檢測管道沒有長度要求；可確定任何方向的所有金屬缺陷；可確定保護層損壞故障等。該技術在陸地埋地管道檢測中已有多次應用案例[9]；2013年該技術在中海油的崖城管道檢測中首次成功應用，現(xiàn)已在該公司的多條海底管道檢測中應用[10]。

2.5.3 磁渦流檢測技術

對于某種原因不能通過內(nèi)檢測技術獲得管道狀態(tài)的管道可以利用磁渦流檢測技術（Magnetic eddy current，MEC）組合式管道掃描器對管道進行外部檢測（見圖6）。MEC 技術是一種將渦流傳感器與直流磁化技術結(jié)合的一種檢測技術。MEC 組合式管道掃描器也可根據(jù)特定的檢測需求進行專門的布設，它可以配備激光三角測量傳感器來測量管道的輪廓，配備UT 傳感器測量壁厚，配備渦流傳感器以滿足各種需求。利用這些技術，管道爬行器可以在相當高的掃描速度下檢測內(nèi)部和外部金屬損耗缺陷。MEC 的掃描儀傳感器陣列可環(huán)繞覆蓋180 mm，對于直徑6 in（1in=25.4 mm）管道，完成360°的全覆蓋需要4 次掃描。該技術可檢測的管徑可大大超過6 in、可檢測的管道壁厚可達25.4 mm、可檢測的管道防護層厚度可達15 mm。目前，該技術在國外已有工程應用案例，國內(nèi)尚未有公開應用案例。

圖6 海底管道MEC 檢測系統(tǒng)

2.5.4 脈沖渦流檢測技術

脈沖渦流檢測（Pulsed eddy current testing，PECT）也稱為暫態(tài)渦流檢測技術，其基本原理是在線圈中引入恒定電流或電壓，在一定時間內(nèi)，在被測構(gòu)件中會產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，當輸入斷開時，線圈周圍會產(chǎn)生電磁場，該電磁場由直接從線圈中耦合出的一次電磁場和構(gòu)件中感應出的渦流場所產(chǎn)生的二次電磁場兩部分疊加而成，二次電磁場包含了構(gòu)件厚度或缺陷等信息，采取合適的方法和檢測元件對二次電磁場進行測量，分析測量信號，即可得到被測構(gòu)件信息[11]。

脈沖渦流檢測技術由于具有很強的穿透能力，可以解決常規(guī)渦流檢測不能兼顧檢測的靈敏度和檢測深度的問題。對于具有保溫層和混凝土配重層的海底管道，在不剝離外涂層的情況下，可達到檢測管道內(nèi)、外腐蝕的目的。

意大利Impresub 公司已開發(fā)出滿足不同條件的SUBSEA PEC 系列探測系統(tǒng)（見圖7），該系統(tǒng)是為配套ROV 完成深水管道檢測而專門設計的。它可以在管道上自動定位，通過軸向移動和周向滑動完成管段的全覆蓋掃查。該系統(tǒng)最大作業(yè)水深可達4 000 m，可檢管道直徑8 ～54 in，管道壁厚最大70 mm，包覆層厚度可達150 mm[12]。SUBSEA PEC 系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，可通過專用軟件生成詳細的平均壁厚云圖。利用2D 或3D 云圖可以直觀地分析結(jié)構(gòu)腐蝕狀態(tài)。檢查結(jié)果與其他調(diào)查數(shù)據(jù)相結(jié)合可用作腐蝕風險評估的儲備信息[13]。

圖7 SUBSEA PEC 檢測系統(tǒng)

2.5.5 交流電磁場檢測技術

交流電磁場測量法（Alternating current field measurement，ACFM）的理論基礎是電磁感應原理。通交變電流的激勵線圈靠近導體時，交變電流在周圍的空間中產(chǎn)生交變磁場，被測導體工件表面的感應電流（集膚效應產(chǎn)生）聚集于工件的表面（集膚效應）。工件中無缺陷時，感應電流線彼此平行，工件表面存在均勻強磁場；若工件中有缺陷存在，由于材質(zhì)的不均勻性和分界面處電流的連續(xù)性原理，電流線會向裂紋兩端和裂紋底面偏轉(zhuǎn)，使裂紋中心處電流線變疏，電流密度下降，兩端的電流線匯聚，從而導致工件表面磁場變化，這個磁場變化的強弱就能反映出裂紋的尺寸[14-15]。ACFM 檢測不要求被檢工件打磨清理至露出金屬本色，而是可以帶油漆、涂層操作。目前該技術已廣泛用于海洋平臺機構(gòu)的焊縫檢測。

MagCrawler 是TSC 公司最新的ACFM深水檢測系統(tǒng)，是專門針對ROV 部署ACFM 陣列探頭設計的，它可以檢測水下管道周向環(huán)焊縫（見圖8）。檢測時ROV 將MagCrawler 系統(tǒng)放置到管道上，MagCrawler 系統(tǒng)依靠磁力吸附到管道上，通過履帶移動爬行，利用陣列探頭完成焊縫的檢測。其缺點

是不能穿透混凝土保護層或聚氨酯保溫層等，需要將海底管道被檢測段完全挖開暴露，且露出管道本體。

圖8 MagCrawler檢測系統(tǒng)

2.5.6 電磁超聲檢測技術

Oceaneering 公司的Magna 檢測系統(tǒng)，是一套與ROV 配合使用的海底管道爬行檢測裝置，它將自動化SeaTurtle 掃描儀與電磁超聲（EMAT）掃描技術進行結(jié)合，實現(xiàn)了水下從外部對管道進行檢測，作業(yè)水深達到3 000 m。Magna 掃描儀通過優(yōu)化超聲波技術，可檢測腐蝕、點蝕和開裂等內(nèi)部和外部管壁腐蝕和損傷。

當達到檢測位置時，ROV 將SeaTurtle 放置在被測管道的頂部，掃描儀通過其磁輪保持在管道上。ROV 攝像機系統(tǒng)用于監(jiān)測管道的檢測進度。由于SeaTurtle 安裝在ROV 主機架上，盡管SeaTurtle 在ROV 控制室操作員的控制下沿著管道頂部移動，但移動單元的位置保持不變。

與其他的外部檢測設備相比，該設備只需要清洗海管的頂部表面部分，大大減少了沖挖海管的工作量。但該技術在檢測速度上相對較慢，適合于已知缺陷位置需精細檢測的管道檢測[16]。

2.5.7 射線檢測技術

Tracerco 的Discovery 海底管道檢測裝置是世界上第一個用于海底管道的放射性掃描裝置，用于診斷管道壁厚和內(nèi)徑的變化，通過掃描可以檢測管道內(nèi)的積累水合物、砂礫、瀝青質(zhì)或者結(jié)蠟等。檢測時需要將Discovery 裝置固定并保持在管道外壁上，通過ROV 拖拽移動。檢測數(shù)據(jù)可通過ROV 臍帶纜實現(xiàn)與水面數(shù)據(jù)處理單元的實時通訊，可邊檢測邊評估管道狀況。

該技術可以從管道外部檢查雙層管道的內(nèi)外管壁，還可以監(jiān)測壁厚，及時發(fā)現(xiàn)是否有水合物生成等異?，F(xiàn)象。此外，可以準確診斷出管道中的填充物是水合物、蠟、瀝青質(zhì)還是結(jié)垢（見圖9）。射線可以穿透小于80 mm 的保護層。檢測時需要將管道完全裸露并有足夠的作業(yè)空間，檢測速度慢，適用于需要精確檢測的關鍵管段。此外，由于探測器帶有輻射源，因此設備運輸和使用過程中需辦理放射源運輸和使用手續(xù)，作業(yè)人員需采取特別防護措施。該技術已成功應用于墨西哥灣的深水項目。

圖9 Discovery 海底管道檢測效果示意

3 結(jié)束語

為保證海底管道的安全運行，需要定期對海底管道進行內(nèi)外檢測，全方位了解管道的運行狀況，收集準確、詳實的一手資料，為海底管道的風險評價、安全評估以及后期的修復和維修等完整性管理提供重要的數(shù)據(jù)支持。

目前國內(nèi)深水管道的外檢測技術還處于起步階段，對于深水管道的調(diào)查和檢測大多局限于采用ROV 對管道的位置埋設情況、電位情況、外觀情況等整體情況的了解，缺乏管道精細檢測技術的工程應用。建議有實力的海洋工程服務公司加強與國外公司的交流與合作，通過實驗研究逐步將新的技術引入工程應用中，例如電磁超聲技術和射線檢測技術已有代理商開始推薦，但由于自身缺少實驗平臺，缺少實驗驗證，無法獲得油田經(jīng)營者的信任；對于國外封鎖的有關技術，建議校企聯(lián)合對高新技術進行聯(lián)合研發(fā)，例如某高校對海底管道脈沖渦流技術進行了多年的理論研究，卻缺少海洋工程公司的支持，無法將理論研究成果與現(xiàn)場實際應用結(jié)合，從而導致技術無法工程應用。

隨著新技術引進和研發(fā)，深水管道檢測技術也將越來越豐富。根據(jù)作業(yè)內(nèi)容的實際需求，性能可靠、操作簡便、效率高、成本較低的檢測手段將會成為油田運營者首選。