王立明 杜 邵 何世亮 阮偉東，3

（1. 廣西天然氣管道有限責(zé)任公司，廣西 北海 536000；2. 寧波市慧通管道科技有限公司，浙江 寧波 315600；3. 浙江工業(yè)大學(xué)，浙江 杭州 310023）

0 引言

在過(guò)去的幾十年間，我國(guó)已經(jīng)建造了數(shù)千公里的海底管線以及約13萬(wàn)公里的陸地長(zhǎng)輸油氣管道。隨著我國(guó)天然氣消費(fèi)需求的不斷增大及環(huán)保要求的不斷提高，我國(guó)天然氣管道的里程數(shù)將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)“十三五”到“十四五”期間，中國(guó)油氣管網(wǎng)主干道總投資將達(dá)到16000億元，新建10多萬(wàn)公里管道，我國(guó)長(zhǎng)輸油氣管道總里程將超過(guò)30萬(wàn)公里。

在長(zhǎng)距離油氣管道輸送中，由于我國(guó)的地理環(huán)境，穿越河流的管道比其他穿越管道的頻次高、距離長(zhǎng)，是長(zhǎng)輸油氣管道建設(shè)中不可避免的一項(xiàng)關(guān)鍵工程，也是長(zhǎng)輸管道安全的薄弱環(huán)節(jié)之一，穿越段常年受河水沖刷，特別是洪水季節(jié)，河床擺動(dòng)、河岸崩塌等引起的穿越管段橫向與縱向變形，時(shí)間長(zhǎng)了管道存在裸露的風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致管道發(fā)生漂浮及第三方破壞，且在日后管理中很難掌握其工作狀態(tài)和運(yùn)行變化規(guī)律。

尤其是定向鉆及大開挖施工技術(shù)成熟后，對(duì)于一些大型定向鉆河流穿越管道，管道埋深變化范圍非常大，有的甚至達(dá)到20～30m，市場(chǎng)上現(xiàn)有的探測(cè)埋深的儀器設(shè)備普遍存在埋深檢測(cè)深度不足、精度不高、防腐層缺陷檢測(cè)困難等諸多問(wèn)題，難以滿足技術(shù)上的需求，水下穿越管道及定向鉆穿越管道的檢測(cè)已經(jīng)成為管道檢測(cè)檢驗(yàn)領(lǐng)域面臨的新技術(shù)難點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)管道的檢測(cè)進(jìn)行了較為廣泛的研究，但是對(duì)水下穿越管道及大埋深管道的探測(cè)方法研究不多，國(guó)際上目前主要采用美國(guó)ONE-PASS 水下管道檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。天津市嘉信技術(shù)工程公司研發(fā)將管道探測(cè)技術(shù)融合到水下ROV設(shè)備中，發(fā)明了River ROV（Remote Operated Vehicle）水下管道檢測(cè)裝置，該系統(tǒng)屬于纜控水下機(jī)器人檢測(cè)裝置，由水上控制顯示終端和水下檢測(cè)裝置組成，水上和水下部分通過(guò)臍帶纜實(shí)現(xiàn)連接，由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力[1]。

寧波市慧通管道科技有限公司以電磁法為基礎(chǔ)，研究了基于動(dòng)態(tài)算法的大埋深管道計(jì)算方法，并基于此技術(shù)開發(fā)了水下穿越管道檢測(cè)系統(tǒng)DEEP SEE SYSTEM。

1 概述穿越河流管道檢測(cè)方法

根據(jù)GB/T 373692-2019《埋地鋼質(zhì)管道穿跨越段檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)》[2]附表B，目前對(duì)于穿越河流管道的檢測(cè)方法主要有四種，分別為電磁擬合技術(shù)法、電磁固定公式法、IMU法與水下管道檢測(cè)裝置法（如表1所示）。

表1 穿越段埋深測(cè)量技術(shù)適用性選擇（穿越方式）

1.1 電磁法+擬合公式

電磁法擬合技術(shù)以美國(guó)ONE-PASS產(chǎn)品與寧波市慧通管道科技有限公司開發(fā)的DEEP-SEE系統(tǒng)為代表。

在穿越河流管道兩端的測(cè)試樁處，用電纜將管道連接為閉合回路，發(fā)射機(jī)給管道一定頻率的電磁信號(hào)，接收機(jī)采用電磁峰值法，接受管道上方的信號(hào)值，在穿越河流段采用皮劃艇輔助方式，沿管道S形路徑穿越管道，從而收集管道信號(hào)值，并根據(jù)信號(hào)衰減模型計(jì)算深度。同時(shí)，聲納采集水深，GPS對(duì)采集點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行記錄。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以計(jì)算管道大埋深，但是操作程序繁瑣，工序較多。為了盡量降低人為因素的影響，DEEP SEE系統(tǒng)開發(fā)了數(shù)據(jù)自動(dòng)實(shí)時(shí)采集功能，在河流作業(yè)時(shí)系統(tǒng)直接自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，并且將GPS信號(hào)/電磁信號(hào)/聲納數(shù)據(jù)三者實(shí)時(shí)匹配，提高了數(shù)據(jù)采集的精確性。

1.2 電磁法+固定公式

該方法是計(jì)算管道埋深的經(jīng)典方法，以英國(guó)雷迪公司產(chǎn)品為代表，其利用處于管道正上方具有一定間距的兩個(gè)水平線圈同時(shí)測(cè)試不同高度位置處管道水平磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)，并將信號(hào)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式中，即可直接計(jì)算出管道的檢測(cè)深度。在計(jì)算過(guò)程中，與計(jì)算相關(guān)的參數(shù)（例如土壤電阻率、磁導(dǎo)率、修正系數(shù)等）是通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)選取得到的。采用該方法可實(shí)現(xiàn)管道檢測(cè)深度的實(shí)時(shí)顯示，操作簡(jiǎn)單方便。

目前市面上絕大多數(shù)管道檢測(cè)設(shè)備的埋深計(jì)算均是基于此方法，以RD雷迪系列產(chǎn)品為例，在幾十年的發(fā)展過(guò)程中，其不斷對(duì)靜態(tài)計(jì)算方法的參數(shù)進(jìn)行修正，使埋深的檢測(cè)范圍提升至8m左右。

1.3 水下管道檢測(cè)裝置

水下穿越管道檢測(cè)裝置，以天津市嘉信技術(shù)工程公司研發(fā)的River ROV（Remote Operated Vehicle）水下檢測(cè)系統(tǒng)為代表，該系統(tǒng)整合了管道定位、陰保電位測(cè)量、電位梯度檢測(cè)、管道埋深測(cè)量、DGPS定位等技術(shù)手段，集成度高，克服了檢測(cè)中的水深問(wèn)題，但是管道埋深計(jì)算仍然采用的是靜態(tài)計(jì)算方法，不能應(yīng)用于大埋深管道，且管道平面定位精度為±0.5m，精度不高。

2 水下穿越管道DEEP SEE系統(tǒng)介紹

2.1 DEEP SEE系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，水下穿越管道DEEP SEE檢測(cè)系統(tǒng)由高精度測(cè)繪系統(tǒng)、埋深測(cè)量及定位系統(tǒng)、聲納水深測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)四部分組成。DEEP SEE系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 DEEP SEE系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

圖1 助劑加注裝置簡(jiǎn)圖

如圖2所示，低頻大功率電磁發(fā)射機(jī)主要輸出256HZ，512HZ，1000HZ及3000HZ頻率的電流，輸出電流由1A～5A電流不等。

圖2 DEEP SEE系統(tǒng)信號(hào)發(fā)射機(jī)

信號(hào)接收機(jī)（如圖3所示）包括信號(hào)接受探棒、信號(hào)接收器、探棒里面內(nèi)置水平信號(hào)接收器與垂直信號(hào)接收機(jī)，可以同時(shí)顯示水平信號(hào)與垂直信號(hào)大小及方向。

圖3 DEEP SEE系統(tǒng)信號(hào)接收系統(tǒng)

2.2 動(dòng)態(tài)計(jì)算方法

電磁信號(hào)擬合法主要是基于電磁信號(hào)隨著管道和接收天線系統(tǒng)之間距離的增加，信號(hào)的振幅遞減的原理，從而計(jì)算分析管道的埋深。

采用定位管道及埋深檢測(cè)，聲納技術(shù)測(cè)量水深并測(cè)繪河床等高線，輔以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)（RTK），將發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、測(cè)深儀和GPS組合應(yīng)用于水下穿越段管道檢測(cè)的實(shí)時(shí)定位和同步采集。

動(dòng)態(tài)計(jì)算法主要是基于管道上的低頻電磁信號(hào)，通過(guò)已經(jīng)獲知的電磁信號(hào)衰減計(jì)算模型，根據(jù)岸上校準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)不斷修正計(jì)算模型（如圖4所示），同時(shí)分析不同模型的擬合度與殘差，從而獲得本次檢測(cè)河流適用的最佳模型。

圖4 電磁信號(hào)衰減曲線

通過(guò)該修正擬合模型，分析計(jì)算檢測(cè)河流管道的埋深。

2.3 檢測(cè)實(shí)施過(guò)程

如圖5所示，DEEP SEE系統(tǒng)水下檢測(cè)實(shí)施流程主要包含四大部分：（1）前期準(zhǔn)備工作；（2）陸上數(shù)據(jù)采集；（3）水下數(shù)據(jù)采集；（4）數(shù)據(jù)處理與繪圖。

圖5 DEEP SEE系統(tǒng)水下檢測(cè)實(shí)施流程

2.3.1 前期準(zhǔn)備工作

DEEP SEE系統(tǒng)檢測(cè)流程主要分為9個(gè)步驟，其中第1～第5個(gè)步驟為準(zhǔn)備工作，可以在不同的時(shí)間窗口完成，但是第5～第8個(gè)步驟一定要在同一個(gè)窗口或者時(shí)間段完成，就是為了避免不同時(shí)間段管道所處環(huán)境變化帶來(lái)的電磁信號(hào)發(fā)生變化。其中，前5個(gè)步驟分別為：

（1）資料收集與現(xiàn)場(chǎng)勘察；

（2）測(cè)試樁回路連接；

（3）校準(zhǔn)點(diǎn)打孔及信號(hào)采集；

（4）GPS設(shè)備架設(shè)；

（5）岸上管道走向標(biāo)記。

2.3.2 陸上數(shù)據(jù)采集

陸上數(shù)據(jù)采集主要是采集已選取的校準(zhǔn)點(diǎn)及陸地地形的代表點(diǎn)位置的GPS坐標(biāo)，以方便在后期制圖中，能夠完整的顯示出穿越段兩端管道走向及所經(jīng)地形變化。

（1）從測(cè)量起始點(diǎn)開始向岸邊進(jìn)行管道定位，每隔10～50m安裝一個(gè)標(biāo)識(shí)牌，進(jìn)行記錄每個(gè)標(biāo)識(shí)樁牌的編號(hào)、所在位置管道信號(hào)值及GPS坐標(biāo)直到岸邊，測(cè)量點(diǎn)的位置完全按照DM探測(cè)的管道位置進(jìn)行打點(diǎn)記錄；

（2）在特殊地形處，例如堤岸、護(hù)坡、河岸處、管道標(biāo)志樁、轉(zhuǎn)角樁、測(cè)試樁、可通行區(qū)的建筑、公路、橋梁，交叉管道等特殊的點(diǎn)，進(jìn)行標(biāo)記，以保證后期制圖中能夠顯示出管道走向及地形變化；

（3）同樣的工作要在河流對(duì)岸進(jìn)行。

2.3.3 水下數(shù)據(jù)采集

在進(jìn)行水下管道數(shù)據(jù)采集時(shí)，將信號(hào)接收機(jī)、聲納系統(tǒng)及GPS系統(tǒng)設(shè)置連接于電腦上，軟件設(shè)置完成并測(cè)試保證所有數(shù)據(jù)采集無(wú)誤，DEEP SEE系統(tǒng)將自動(dòng)化采集管道電磁信號(hào)與聲納數(shù)據(jù)及GPS坐標(biāo)，三者數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)匹配，從而精確地測(cè)量出管道正上方管道的水深、坐標(biāo)值以及電磁信號(hào)值。

數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，皮劃艇以S形軌跡行駛，行駛軌跡會(huì)出現(xiàn)在測(cè)試屏幕中（如圖6所示）。

圖6 DEEP SEE系統(tǒng)水上數(shù)據(jù)采集過(guò)程

其中一人駕駛船只，控制船只使其沿S形軌跡行駛，行駛中注意保證切割間距為3～5m（視具體情況而定），在經(jīng)過(guò)管道時(shí)盡量垂直經(jīng)過(guò)管道，如船體無(wú)法垂直管道通過(guò)，則一定保證管線儀接收器垂直于管道走向。

2.3.4 數(shù)據(jù)處理與繪圖

在采集完成陸上管道與水下管道的數(shù)據(jù)之后，采用校準(zhǔn)點(diǎn)處的修正擬合模型，對(duì)陸上管道與水下管道的埋深進(jìn)行反演計(jì)算分析，并繪制管道平面圖與剖面圖。

3 穿越河流管道檢測(cè)示范應(yīng)用

3.1 管道信息

某油氣管道采用大開挖直埋的方式沿西-東方向穿越九州江敷設(shè)。穿越管段管道材質(zhì)選用L450，規(guī)格為φ711mm，壁厚為11.1mm，設(shè)計(jì)壓力8.0MPa，當(dāng)前運(yùn)行壓力為2.4MPa，本次檢測(cè)穿越管段長(zhǎng)度約為500m，于年2011年10月投產(chǎn)使用，管道采用3PE防腐層，采用外加電流陰極保護(hù)。

3.2 檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，穿越段存在多處淺埋和露管的管段。圖7和圖8分別為穿越管段平面圖和剖面圖。其中，淺埋段：測(cè)點(diǎn)15～18淺埋，長(zhǎng)度20m；測(cè)點(diǎn)25～29淺埋，長(zhǎng)度約50m；測(cè)點(diǎn)32～34淺埋，長(zhǎng)度27.5m；測(cè)點(diǎn)41～43之間淺埋，長(zhǎng)度估約15m；露管段：測(cè)點(diǎn)19～24露管，長(zhǎng)度約37m。

圖7 穿越管道平面走向

圖8 穿越管道剖面圖

3.3 聲納復(fù)核

通過(guò)DEEP SEE系統(tǒng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)管道存在露管的情況，為了進(jìn)一步核實(shí)檢測(cè)情況，并確認(rèn)管道是否存在懸空以及懸空高度等信息，采用水下機(jī)器人搭載多波束程序聲納對(duì)管道進(jìn)行側(cè)掃。

采用多波束成像系統(tǒng)，采用兩種方式對(duì)管道進(jìn)行勘察。一種是從管道上方沿著管道從西岸一直勘察到管道東岸；第二種方式是采用側(cè)掃（多波束方向垂直于管道，ROV在管道側(cè)面）的方式從管道的西岸一直側(cè)掃到管道東岸，發(fā)現(xiàn)西岸存在露管（如圖9所示），距離西岸入水點(diǎn)位置約30m處開始，露管合計(jì)約37m，距離西岸入河點(diǎn)約67m左右結(jié)束，與DEEP SEE系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果吻合。

圖9 多波束成像側(cè)掃露管

3.4 結(jié)果評(píng)定

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)陸上管道埋深均大于0.8m。依據(jù)GB 50253-2014《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

表3 管溝穿越水域的管頂埋深（m）

依據(jù)GB 50423-2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，該穿越管段穿越類型為大型穿越，參考大型穿越設(shè)計(jì)規(guī)范，該管段所處河流為無(wú)沖刷或疏浚的水域，最小埋深值≥1.5m方可滿足要求。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，穿越段存在多處淺埋和露管的管段。其中，淺埋段：測(cè)點(diǎn)15～18淺埋，長(zhǎng)度20m；測(cè)點(diǎn)25～29淺埋，長(zhǎng)度約50m；測(cè)點(diǎn)32～34淺埋，長(zhǎng)度27.5m；測(cè)點(diǎn)41～43之間淺埋，長(zhǎng)度估約15m；露管段：測(cè)點(diǎn)19～24露管，長(zhǎng)度約37m。

4 檢測(cè)關(guān)鍵因素分析

4.1 環(huán)境影響因素分析

在對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程中，管道與電纜線連接成為閉合回路。在檢測(cè)過(guò)程中，閉合回路的電阻會(huì)隨著現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的變化而發(fā)生變化，比如下雨等造成土壤電阻的變化等，導(dǎo)致閉合回路電流信號(hào)的變化，因此在檢測(cè)中，信號(hào)采集過(guò)程與校準(zhǔn)點(diǎn)信號(hào)拔高必須保證在同一窗口期完成，且信號(hào)采集完成后，需要對(duì)校準(zhǔn)點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行復(fù)核。

4.2 采集過(guò)程誤差分析

在對(duì)管道上方電信號(hào)采集時(shí)，需要保證采集點(diǎn)是管道正上方且接收機(jī)必須垂直于管道的走向，這樣采集的信號(hào)才是最大值。

在對(duì)岸上管道信號(hào)采集時(shí)，可以很好的掌握探棒的方向，很好的保證采集的準(zhǔn)確性。但是在水面對(duì)管道采集過(guò)程時(shí)，無(wú)法確認(rèn)管道的具體走向，因此在采集時(shí)需要時(shí)刻注意采集軟件中船舶行駛的方向與管道走向的位置，盡可能的保證探棒垂直于管道的走向。否則采集的數(shù)據(jù)不是管道正上方的最大值，對(duì)埋深的反演計(jì)算會(huì)有誤差。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)河流穿越管道，本文對(duì)水下穿越管道檢測(cè)方法進(jìn)行了闡述，結(jié)合工程實(shí)際，采用基于電磁擬合技術(shù)的DEEP SEE系統(tǒng)對(duì)某穿江管道的埋深進(jìn)行了實(shí)際工程應(yīng)用，并采用多波束成像聲納進(jìn)行了露管復(fù)核，發(fā)現(xiàn)基于電磁擬合法的技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)大埋深管道的檢測(cè)，DEEP SEE系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)河流穿越管道的位置與埋深的精確探測(cè)，為管道安全狀態(tài)提供技術(shù)指導(dǎo)，應(yīng)用前景良好。

對(duì)于大開挖敷設(shè)的水下穿越管道，建議在檢測(cè)完成之后，采用多波束成像系統(tǒng)進(jìn)行全線側(cè)掃，進(jìn)一步確認(rèn)管道的露管或懸空情況。

目前，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸油氣管道檢測(cè)檢驗(yàn)中，并未實(shí)現(xiàn)對(duì)水下穿越管道的檢測(cè)，建議對(duì)水下穿越管道的信息進(jìn)行收集，并定期對(duì)水下管道進(jìn)行檢測(cè)，建立管理數(shù)據(jù)庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水下穿越管道的實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析，為水下管道安全運(yùn)行提供保障。