張建興，宋永東，欒振東**，馬小川，閻 軍

(1.中國科學(xué)院海洋研究所，中國科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室，山東青島 266071；2.中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心，山東青島 266071)

0 引言

隨著海洋石油資源的大力開發(fā)，海底輸油管道作為一種連續(xù)、快捷、輸送量大的高效原油運輸手段，已成為海上油氣田開發(fā)過程中油氣運輸?shù)闹饕绞絒1]。由于海底輸油管道安全與否對海洋生態(tài)環(huán)境具有重大影響，因此其鋪設(shè)竣工后的定期檢測評估成為海底輸油管道工程中不可或缺的工作內(nèi)容。海底輸油管道調(diào)查方法主要包括工程物探和潛水摸探兩類。工程物探基于聲學(xué)或磁力探測方法，通常用于前期大面積調(diào)查，具有效率高、成本低的特點，而潛水摸探主要用于小范圍的詳查和檢修[2-3]。近年來，許多專家學(xué)者對海底輸油管道的調(diào)查技術(shù)及應(yīng)用方面進行大量研究，主要集中在地形地貌數(shù)據(jù)高精度處理、管道狀態(tài)定量識別表征、多技術(shù)綜合應(yīng)用等方面[4-10]。

聲學(xué)探測因其快速高效的特點,目前仍是海底管道外檢測中應(yīng)用的主流技術(shù)[11-13]。本文系統(tǒng)介紹了多波束測深、淺地層剖面、側(cè)掃聲吶等主流探測技術(shù)在海底管道外檢測中的應(yīng)用效果，同時結(jié)合前人在掃描聲吶、合成孔徑聲吶等技術(shù)的應(yīng)用成果，分析各類聲學(xué)探測技術(shù)的優(yōu)缺點和適用環(huán)境，指出管道外探測技術(shù)的發(fā)展趨勢，為后期海底管道的持續(xù)監(jiān)測、安全運營分析以及海洋生態(tài)環(huán)境的維護提供理論支撐。

1 海底管道狀態(tài)及檢測技術(shù)分類

海底管道在海底的賦存狀態(tài)包括埋藏、裸露、懸空、移位等基本類型[2]，根據(jù)具體埋深情況又可分為完全埋藏、淺埋藏、部分裸露、完全裸露、懸空等類型[14]。海底管道埋設(shè)方式的選取，通常需要綜合考慮水深、地形地貌、底質(zhì)、水動力條件等因素的影響。在淺海區(qū)，海洋水動力條件較強，海底地質(zhì)作用活躍，加之人類活動比較頻繁，海底管道設(shè)計埋藏較深，深度通常要達到管道直徑的1—1.5倍[2]；在深海區(qū)，波浪、潮流等因素影響較小，海管埋藏深度較淺，甚至直接鋪設(shè)在海床之上[2-3]。

海底管道檢測通常分為內(nèi)檢測和外檢測兩類[15]。內(nèi)檢測，顧名思義即對管道內(nèi)部進行檢測，主要采用清管器和智能檢測器等設(shè)備進行檢測；外檢測主要是針對管道所處位置、海域地質(zhì)水文環(huán)境、管道賦存狀態(tài)、外部腐蝕損傷等內(nèi)容進行檢測。從海底管道檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，外檢測技術(shù)主要包括聲學(xué)探測、磁法探測、潛水摸探技術(shù)等。外檢測技術(shù)的要點是確定海底管道的埋藏狀態(tài)及空間展布特征，而聲學(xué)探測技術(shù)因其快速高效、經(jīng)濟便捷等特點，成為海底管道外檢測的主流技術(shù)。基于聲學(xué)原理并常用于海管外探測的技術(shù)包括單波束/多波束測深、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面、掃描聲吶、合成孔徑聲吶等多項內(nèi)容。

2 傳統(tǒng)聲學(xué)探測技術(shù)

傳統(tǒng)聲學(xué)探測技術(shù)包括單波束/多波束測深、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面探測等3項主要技術(shù)。目前，SONIC 2024多波束測深系統(tǒng)、SES 2000參量陣淺地層剖面系統(tǒng)、KLEIN 3000側(cè)掃聲吶系統(tǒng)在海底管道外檢測過程中應(yīng)用最廣泛。多波束數(shù)據(jù)主要用于展示研究區(qū)水深、地形地貌分布特征，側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)可以直觀地顯示管道周圍的自然或人工地貌，淺地層剖面數(shù)據(jù)可以查明海底底質(zhì)狀況、管道埋深情況。具體工作時，可根據(jù)外業(yè)調(diào)查獲得的調(diào)查數(shù)據(jù)，首先利用Caris 9.1、SonarWiz 5.0、ISE 2.0等軟件對多波束、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面數(shù)據(jù)進行處理，進而通過Surfer、GoobalMapper、Arcgis等繪圖軟件對研究區(qū)水深、地形地貌、管道狀態(tài)進行成圖；在此基礎(chǔ)上，綜合各類聲學(xué)探測技術(shù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，取長補短，優(yōu)勢互補，對調(diào)查區(qū)管道賦存狀態(tài)進行綜合評估。

2.1 測線布設(shè)原則

在執(zhí)行海管外調(diào)查作業(yè)任務(wù)前，需設(shè)計調(diào)查方案，完成測線布設(shè)工作。測線布設(shè)應(yīng)根據(jù)調(diào)查區(qū)域環(huán)境、調(diào)查目的及調(diào)查區(qū)范圍確定。通常來講，將整個海底管道調(diào)查工程劃分為近岸段、路由段、近平臺段等進行分區(qū)作業(yè)。近岸段水深較淺，潮汐作用強，漁業(yè)活動頻繁，存在沖刷潛在危害；近平臺段海底環(huán)境復(fù)雜，海底工程設(shè)施復(fù)雜，渦流影響大。因此，近岸段和近平臺段屬于重點調(diào)查區(qū)段，測線布置時要適當(dāng)提高密度。

主測線按照一定間距平行海管中軸線布設(shè)，與等深線和岸線垂直，用于多波束測量和側(cè)掃聲吶測量；垂直管道路由的測線為橫測線或聯(lián)絡(luò)測線，主要用于海底淺地層剖面探測。在北部灣某單點系泊海底輸油管道測量中，為滿足多波束和側(cè)掃聲納全覆蓋的測量要求，結(jié)合單點系泊系統(tǒng)的實際現(xiàn)狀，以海管路由為中心，平行管道路由方向，均勻布設(shè)多波束和側(cè)掃聲吶測線(Zi)；垂直于管道路由方向，布設(shè)淺地層剖面橫向測線(SBPi)。為保證測線調(diào)查質(zhì)量，每條測線應(yīng)對適當(dāng)提前上線、延遲下線。為查明單點系泊管匯區(qū)的地形地貌特征，可圍繞單點系泊布設(shè)環(huán)形測線(Si)。測線具體布設(shè)示意圖如圖1所示。

圖1 海底管道調(diào)查測線布設(shè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of survey and survey line layout of submarine pipeline

2.2 多波束測深

多波束測深系統(tǒng)主要用于海底地形的測量，能夠方便地獲取海底管道路由區(qū)及平臺區(qū)的水深地形資料，宏觀反映海底管道走向、出露或懸空管道特征。多波束測深系統(tǒng)基本原理是向海底發(fā)射一個由數(shù)百個單波束組成的扇形波束，波束到達海底后發(fā)生反射、散射等過程，回波被換能器接收，利用傳播時長、聲速等參數(shù)計算距海底的距離，通過走航式調(diào)查方法實現(xiàn)對水深的連續(xù)觀測，利用Caris等軟件對水深數(shù)據(jù)進行處理，制作三維地形圖，從而直觀地反映海底地形特征[16-17]。SONIC 2024多波束測深系統(tǒng)頻率為200—400 kHz，頻率在線連續(xù)可調(diào)；波束數(shù)目為256個，覆蓋寬度在10°—160°內(nèi)連續(xù)可調(diào)；最大測深量程達500 m，可完全滿足海底管道調(diào)查過程中的水深、海底地形測量精度要求。

圖2清晰展示了SONIC 2024多波束測深系統(tǒng)在海底管道路由區(qū)的調(diào)查效果。多波束測深系統(tǒng)調(diào)查結(jié)果表明，在北部灣某單點系泊海底輸油管道系統(tǒng)中，自登陸點至單點系泊(SPM)的管道路由調(diào)查區(qū)，海底地形整體平坦、水深沒有劇烈變化，同時還反映出管溝、土垅、錨鏈溝、礁石等人工和自然地貌類型。在近岸登陸段，受潮流、人工開挖管溝的影響，海底起伏凹凸不平，表現(xiàn)為崎嶇海底地形(圖2a)；在中間段，海底地形平坦，海底管道基本處于埋藏狀態(tài)(圖2b)；在近單點系泊處，在管溝一側(cè)發(fā)現(xiàn)有未回填形成的高土垅(圖2c)。此外，在錨鏈的影響下，海底底部形成了數(shù)條錨溝，海底地形局部有較大起伏變化(圖2d)。

圖2 SONIC 2024多波束測深系統(tǒng)顯示管道區(qū)海底地形地貌特征Fig.2 Characteristics of submarine topography in the pipeline area by SONIC 2024 multibeam sounding system

2.3 側(cè)掃聲吶

側(cè)掃聲吶用于獲得海底表面的聲反射信息，形象直觀地顯示海底管道的出露、懸空情況。其基本原理是,換能器發(fā)射出的高頻聲波信號在到達海底后發(fā)生反射，目標面向換能器的一側(cè)聲波信號將被反射，換能器將接收到的海底反射信號按信號強度的強弱還原，以圖像形式表現(xiàn)出來，形成具有地理參照，形象直觀的高分辨率聲吶圖像[18]。KLEIN 3000側(cè)掃聲吶系統(tǒng)頻率為100,500 kHz，單頻脈沖，波束開角水平0.7°(100 kHz)/0.21°(500 kHz)，垂直40°；波束傾角向下5°、10°、15°、20°、25°可調(diào)，最大距離在100 kHz時達600 m，在500 kHz時達150 m，額定深度1 500 m，是目前國內(nèi)外常用的側(cè)掃聲吶系統(tǒng)。

研究發(fā)現(xiàn)，KLEIN 3000側(cè)掃聲吶系統(tǒng)對海底管道調(diào)查區(qū)中的回填碎石、管道管溝、軟泥區(qū)等地貌類型的探測精度高、探測效果顯著。通過對側(cè)掃聲吶圖像進行分析，結(jié)合多波束調(diào)查結(jié)果，可以確定管道路由區(qū)內(nèi)的自然地貌形態(tài)和人工地貌形態(tài)(圖3)。

圖3 KLEIN 3000側(cè)掃聲吶系統(tǒng)顯示管道區(qū)海底地形地貌特征Fig.3 Characteristics of submarine topography in the pipeline area by KLEIN 3000 side-scan sonar system

2.4 淺地層剖面

淺地層剖面系統(tǒng)能夠反映海底淺層地層結(jié)構(gòu)信息，確定海底管道的平面位置和埋藏深度，對查明管道的埋藏、出露、懸空情況均適用。系統(tǒng)基于聲波反射原理，在沿著與海底管道軸向垂直的測線方向上進行走航式測量，儀器探頭發(fā)出的高頻聲波脈沖信號在海底沉積物與管道之間的界面上形成反射，換能器接收反射信號后，以模擬或數(shù)字信號的方式存儲輸出。在地層剖面上，海底管道會呈現(xiàn)出規(guī)則的、開口向下的拋物線狀記錄，拋物線的頂點即為海底管道的頂部，基于這種特性，地層剖面可以清晰地展現(xiàn)出管道在海底地層中的相對位置和埋藏情況[5,18]。SES 2000參量陣淺地層剖面系統(tǒng)的換能器發(fā)射兩組頻率不同的高頻聲波，由于高聲壓條件下聲波傳播的非線性，這兩組聲波互相作用，產(chǎn)生一種新的、頻率低、穿透性強的聲波，稱為次頻(4，5，6，8，10，12，15 kHz)，參量陣技術(shù)就是利用這種次頻來穿透地層，提供高分辨率和強地層穿透性的剖面數(shù)據(jù)。SES 2000參量陣淺地層剖面系統(tǒng)探測精度較高，目前在海底管道外檢測中得到了廣泛應(yīng)用。

根據(jù)調(diào)查區(qū)海底管道的技術(shù)參數(shù)和鋪設(shè)施工完工方法定義，完全埋藏型管道埋藏深度大于0.5 m，淺埋藏型管道埋藏深度小于0.5 m，裸露型管道埋藏深度為0 m，管道部分或是全部裸露在海底。根據(jù)SES 2000參量陣淺地層剖面系統(tǒng)測量分析結(jié)果，考慮到管道直徑大小和埋藏方式的不同，在研究區(qū)識別出完全埋藏型、淺埋藏型和裸露型3種管道賦存狀態(tài)(圖4)。

3 其他聲學(xué)探測技術(shù)

3.1 掃描聲吶

掃描聲吶是目前比較先進的用于海底管道檢測的聲學(xué)探測技術(shù)，其采用海底支架靜態(tài)布放測量的方式，具有實時探測、操作簡單、成像清晰的特點。其工作原理是利用換能器發(fā)射聲脈沖，通過對回波信號的接收和處理形成圖像，然后定點旋轉(zhuǎn)探頭，重復(fù)發(fā)射接收的過程，形成完整、清晰、精確的海底圖像[16,19-22]。掃描聲吶包括二維掃描聲吶、三維掃描聲吶，如Kongsberg公司的MS1000二維掃描聲吶、Blueview公司的BV5000三維掃描聲吶。圖5展示MS1000二維掃描聲吶[16]、BV5000三維掃描聲吶在海底管道外檢測中的應(yīng)用效果。掃描聲吶對海底裸露管道、錨鏈等具有非常直觀的顯示，成圖清晰、識別準確，能清晰展示探測目標的水下三維結(jié)構(gòu)，在海洋平臺、單點系泊等附近區(qū)域以及海水渾濁、能見度低的海水區(qū)域的管道探測發(fā)揮了重要作用，具有很好的推廣性和適用性。

圖5 掃描聲吶在海底管道檢測中的應(yīng)用Fig.5 Application of scanning sonar in submarine pipeline detection

3.2 合成孔徑聲吶技術(shù)

作為一種高分辨率水下探測成像技術(shù)，合成孔徑聲吶已成為國際上的研究熱點。其基本原理是小孔徑基陣及其勻速直線運動形成虛擬的等效大孔徑，通過合成的大孔徑波束形成回波過程，實現(xiàn)高分辨率成像。根據(jù)其基本原理，合成孔徑聲吶具有很高的橫向空間分辨率，并且分辨率與聲吶工作頻率、作業(yè)距離無關(guān)[23-25]。合成孔徑聲吶甚至可以在低于30 kHz頻率下工作，可以很好地穿透地層探測海底埋藏目標。低頻合成孔徑聲吶被認為是掩埋物探測最有潛力、最可行的手段，在海底管道檢測中具有得天獨厚的優(yōu)勢。雙頻合成孔徑聲吶具有高低頻同步成像的優(yōu)點，可以用于海底管道埋藏狀態(tài)的識別。低頻信號用于埋藏目標的探測，高頻信號進行高分辨率表面成像。假如高頻圖像中不顯示海底管道，低頻圖像中顯示海底管道，表明管道處于埋藏狀態(tài)(圖6)。

圖6 合成孔徑聲吶埋藏管道成像效果[23]Fig.6 Imaging effect of buried pipelines by synthetic aperture sonar[23]

4 技術(shù)對比分析

多波束測深技術(shù)、側(cè)掃聲吶技術(shù)只能對海底裸露或懸空狀態(tài)的管道進行檢測，無法對埋藏狀態(tài)的管道進行檢測；掃描聲吶雖具成圖直觀準確、連續(xù)監(jiān)測能力強等優(yōu)點，但同樣無法對埋藏管道狀態(tài)進行檢測，并且通常缺少有效的定位坐標信息；淺地層剖面系統(tǒng)橫切管道，具有很好的垂向探測效果，但是探測不連續(xù)，導(dǎo)致空白段判斷難度增大，同時受底質(zhì)、海況等多種環(huán)境因素的影響較大；合成孔徑聲吶技術(shù)是海底管道檢測的理想技術(shù)，但目前也存在管道埋深定性判斷、設(shè)備價格高、性價比低等劣勢(表1)。

表1 海底管道常用聲學(xué)探測技術(shù)對比Table 1 Comparison of common acoustic detection technologies for submarine pipeline

我國渤海海域海底管道水深一般不超過30 m，東海海底管道水深在100 m左右，南海海底管道水深在數(shù)十米至上千米不等[16]。通常情況下，在水深較淺(小于30 m)的條件下，采用多波束測深、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面系統(tǒng)等傳統(tǒng)聲學(xué)探測技術(shù)進行海底管道探測，該探測技術(shù)組合基本滿足探測精度需求，作業(yè)效率高、成本低。在靠近平臺或者單點系泊處，為保障已建設(shè)施、船舶、人員及設(shè)備的安全，可以使用掃描聲吶進行探測；在100 m水深的海底管道，管道路由區(qū)同樣采用傳統(tǒng)聲學(xué)探測技術(shù)的組合進行探測;在靠近平臺或者單點系泊處，宜采用遙控?zé)o人潛水器(ROV)搭載探測設(shè)備進行探測。如果水深在幾百米甚至上千米的海域，海底管道通常不進行掩埋處理，建議使用ROV搭載探測設(shè)備進行作業(yè)。當(dāng)然，在成本允許的前提下，也可以使用合成孔徑聲吶代替?zhèn)葤呗晠冗M行海底管道探測?？傊５坠艿捞綔y方案的選擇應(yīng)綜合考慮水深、海域條件、設(shè)備優(yōu)缺點、作業(yè)載體、工作成本等因素，確定有效、高效、經(jīng)濟、適用的探測方案。

5 展望

(1)聲學(xué)探測技術(shù)是海底管道外檢測過程中應(yīng)用最廣泛的探測技術(shù)，多波束測深、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面目前仍是海底管道外檢測過程中的主流探測技術(shù)。掃描聲吶、合成孔徑聲吶等技術(shù)手段的應(yīng)用，有助于提高海底管道賦存狀態(tài)的準確識別和表征。

(2)各類聲學(xué)探測設(shè)備都有優(yōu)缺點，在外業(yè)調(diào)查過程中應(yīng)盡量減小或避免干擾因素的影響，提高測量精度。海底管道外檢測方案的選擇應(yīng)綜合考慮海域環(huán)境等多種因素，多種技術(shù)取長補短、互相驗證，才能為海底管道的安全穩(wěn)定運行提供基礎(chǔ)保障條件。

(3)雙探頭多波束系統(tǒng)[26]、雙頻合成孔徑聲吶等設(shè)備的研發(fā)應(yīng)用，以及同一設(shè)備實現(xiàn)多類型參數(shù)的檢測、傳輸、分析的一體化，表明海底管道探測設(shè)備向集成化方向發(fā)展[27]。用于海底管道三維重建的點云技術(shù)[28]、三維掃描聲吶系統(tǒng)等新技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及許多專家學(xué)者對于各種聲學(xué)探測設(shè)備基本原理及精度影響因素的探討[29-30]，體現(xiàn)了海底管道的檢測精細化、識別智能化發(fā)展方向。綜上所述可認為，海管外檢測技術(shù)向著設(shè)備集成化、檢測精細化、識別智能化的方向發(fā)展。