熊春寶,李 志,孫 軒,丁建棣,陳小華

(1.天津大學建筑工程學院,天津 300350; 2.南開大學周恩來政府管理學院,天津 300350; 3.天津市陸海測繪有限公司,天津 300191)

基于聲波探測的海底管道非掩埋狀態(tài)檢測方法

熊春寶1,李 志1,孫 軒2,丁建棣1,陳小華3

(1.天津大學建筑工程學院,天津 300350; 2.南開大學周恩來政府管理學院,天津 300350; 3.天津市陸海測繪有限公司,天津 300191)

基于聲波探測技術,提出一種對海底管道非掩埋狀態(tài)進行聯(lián)合檢測的方法,以山東勝利油田某海底輸油管道為對象,設計一種雙聲納探頭多波束測深系統(tǒng),并聯(lián)合側掃聲納系統(tǒng),通過對系統(tǒng)參數進行分析、優(yōu)化,從而實現對海底管道非掩埋狀態(tài)的高效精確檢測。分析檢測結果表明:基于雙聲納探頭多波束系統(tǒng)的海底管道檢測可獲得高密度的點云數據,顯著提高了管道檢測數據的穩(wěn)定性及可靠性;側掃聲納系統(tǒng)的良好檢測效果有賴于其聲波掠射角的最佳取值;參數優(yōu)化后的聯(lián)合檢測系統(tǒng)的檢測效率得到顯著提高,能夠精確判斷出管道的實際狀態(tài)。

多波束系統(tǒng);側掃聲納;海底管道;非掩埋狀態(tài);參數優(yōu)化;聯(lián)合檢測方法

由于海床常年遭受波浪、海流沖刷等作用,因此海底管道服役環(huán)境惡劣,容易出現非掩埋(裸露及懸空)狀態(tài)[1]。裸露及懸空于海床面之上的管道受海潮流沖擊,形成較大的拉力,當裸露或懸空跨度足夠長,造成管道形變過大及內應力大幅增加,易產生疲勞振動,甚至引起管道斷裂[2-5],嚴重威脅海上油氣生產安全,因此亟需采用合適的檢測方法對海底管道的精確狀態(tài)進行安全檢測[6-8]。

基于聲波探測的多波束測深系統(tǒng)及側掃聲納系統(tǒng),實現了海底地形地貌的寬覆蓋、高分辨探測,成為海底管道非掩埋狀態(tài)檢測中不可或缺的檢測設備[9-10]。然而,在檢測過程中,由于系統(tǒng)自身及海況環(huán)境的復雜性以及檢測數據的海量性,使其在應用過程中存在以下問題[11-15]:(a)傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)在進行檢測時,由于受波束開角的影響,多波束系統(tǒng)邊緣波束逐漸發(fā)散,嚴重影響多波束測深數據精度,從而給位于海溝等復雜海底地形的非掩埋管道的檢測帶來困難;(b)側掃聲納的聲波掠射角對于檢測效果的影響很大,但在海底管道狀態(tài)檢測時往往被忽略,導致檢測結果出現偏差;(c)基于側掃聲納及多波束系統(tǒng)的管道狀態(tài)檢測中,單一的檢測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際狀態(tài)。

針對上述海底管道非掩埋狀態(tài)檢測方面存在的不足,基于聲波探測技術,設計了雙聲納探頭多波束系統(tǒng)及側掃聲納系統(tǒng)聯(lián)合檢測方法,通過分析多波束系統(tǒng)的波束開角及側掃聲納系統(tǒng)的聲波掠射角對于檢測精度和檢測效果的影響,對系統(tǒng)的這2個重要技術參數進行優(yōu)化設計,通過對山東勝利油田某海底管道狀態(tài)進行檢測試驗,以驗證所提聯(lián)合檢測方法的可行性和參數優(yōu)化設計的有效性。

1 聯(lián)合檢測方法原理

1.1側掃聲納系統(tǒng)

側掃聲納通過拖魚上的換能器向沿航跡兩側方向發(fā)射高頻聲脈沖,當聲波碰到海底界面時發(fā)生散射,根據回波信號的強弱,形成海底地貌特征圖。側掃聲納對非掩埋的海底管道進行檢測時,海床的影像呈灰色,由于管道產生的散射較強,在聲圖上顯示為黑色的條狀目標物,受到管道遮擋的海床,接收不到聲脈沖,其聲線受到屏蔽,在聲圖上顯示為白色的聲影區(qū),因此可根據側掃聲納的聲圖來確定管道的位置狀態(tài)[16]。

1.2雙探頭多波束系統(tǒng)

多波束測深儀向海底發(fā)射一個由數百個單波束組成的扇形波束,該扇形波束垂直于航跡線分布,扇形角稱為波束開角。當采用多波束系統(tǒng)進行海底管道檢測時,減小波束開角,能有效提高檢測分辨率,但由于掃測寬度變窄,檢測效率降低;反之,當增大波束開角時,邊緣波束的回波信號密度迅速降低,其信號質量嚴重降低,且對其他波束的回波信號造成干擾,形成噪聲,導致多波束測深數據存在一定數量的異常值,這些異常值嚴重影響檢測結果。因此,需對多波束數據水深異常值進行處理,其處理方法一般采用聯(lián)合不確定度測深估計算法:利用實測水深數據,通過網格節(jié)點一定鄰域范圍內捕獲的多個測深點,聯(lián)合這些測深點的深度值和不確定度對網格節(jié)點處的水深及其誤差進行動態(tài)濾波、估計與更新,有效剔除水深異常值[17]。

(1)

式中:dij、σij2——測深點i對網格節(jié)點j的傳播深度和傳播方差;δij——測深點i到網格節(jié)點j的距離;sH——水平誤差尺度因子;Δmin——最小網格節(jié)點間隔;m——距離冪指數。

假設當前節(jié)點j的估計為

(2)

通過迭代計算,根據網格節(jié)點的前位深度與不確定度估計即可快速獲得更新后的當前節(jié)點估計,且節(jié)點的深度與不確定度估計精度隨著測深數據點個數的增加而迅速提高。鑒于此,采用雙探頭多波束測深系統(tǒng),在未減小波束開角、確保檢測效率的前提下,又可大大增加回波信號的密度和測深數據點的個數,從而減少測深數據的異常值,實現對較小的目標物更為精確的檢測[17-18]。

1.3聯(lián)合檢測方法的優(yōu)勢

由于側掃聲納系統(tǒng)不受水深影響,因此其掃測范圍大,工作效率高,然而,側掃聲納系統(tǒng)的聲圖在成像過程中受到海水混響噪聲的影響,使得目標邊緣或者外形有較大的不規(guī)則性,出現圖像殘缺,給海底管道實際狀態(tài)的識別帶來困難。另外,側掃聲納系統(tǒng)無法得到水深信息,無法直接準確量測管道懸空狀態(tài)時的懸空高度。系統(tǒng)參數優(yōu)化后的雙探頭多波束系統(tǒng)加大了回波信號密度,能提供海底地形(含非掩埋管道)的高密度三維點云,從而可以實現對較小目標物的更精確檢測,但其波束的掃測范圍較小。因此,將側掃聲納系統(tǒng)與雙探頭多波束系統(tǒng)聯(lián)合使用,充分利用各自的優(yōu)勢,從而實現對海底非掩埋管道的實際狀態(tài)進行高效精確的檢測。此聯(lián)合檢測方法流程如下:(a)根據目標管道尺寸、測區(qū)水文等信息,對聯(lián)合檢測系統(tǒng)參數進行優(yōu)化設計;(b)利用側掃聲納平行于海底管道方向進行掃測,以獲取管道的海底狀態(tài)基本信息,再通過雙探頭多波束系統(tǒng)沿管道方向進行管道狀態(tài)的精確檢測;(c)聯(lián)合側掃聲納及多波束數據成果,以實現管道狀態(tài)及標高(裸露及懸跨高度)的統(tǒng)一,進行檢測成果的表達。

圖1 不同管徑下2θr與H的關系Fig.1 Relation between 2θr and H at different pipe diameters

圖2 海底管道側掃聲納檢測示意圖Fig.2 Inspecting diagram for side- scan sonar of submarine pipeline

2 系統(tǒng)參數優(yōu)化分析

2.1多波束系統(tǒng)波束開角的最優(yōu)設計

水深、波束開角及航速是影響多波束系統(tǒng)檢測效率與檢測分辨率的3個主要因素[19]。多波束系統(tǒng)垂直于航跡線方向的橫向分辨率σy為[20]

(3)

式中:α——多波束系統(tǒng)橫向波束角;H——換能器正下方水深;θ——最邊緣入射波束與豎直方向夾角,此時波束開角為2θ。

由式(3)可知,多波束系統(tǒng)的σy與H、2θ及α有關。為了既能高效率檢測,又能滿足檢測結果穩(wěn)定性、可靠性的要求,需對波束開角進行優(yōu)化設置。取最邊緣波束所對應的邊緣波束腳印寬度為橫向分辨率,其應不大于被測海底管道的管徑D:

σy≤D

(4)

將式(4)代入式(3)可得

(5)

根據式(5)可得不同D時臨界波束開角2θr與H之間的關系曲線(圖1)。從圖1可以看出,當D一定時,隨著H的不斷增大,2θr逐漸減小;當H一定時,隨著D的增大,2θr逐漸增大。因此,根據式(5)可進行最優(yōu)波束開角范圍的設計,在確保檢測結果穩(wěn)定和可靠的同時,使檢測效率達到最高。

2.2側掃聲納系統(tǒng)聲波掠射角的最佳取值

側掃聲納系統(tǒng)檢測懸空狀態(tài)的海底管道時,聲波掠射角β是影響檢測效果的重要因素。由圖2可得β的計算式:

(6)

式中:h——裸露(懸空)管道與海底之間的距離;Ht——拖魚距海底面的高度;L——拖魚至管道中心的水平距離;R——發(fā)射線至管道影像末端的斜距。

與Ht和L相比,D和h相對都很小,且為固定值,因此,從式(6)可以看出,側掃聲納在進行海底管道檢測時,β主要由Ht和L這2個參數決定,即可通過現場調整Ht與L,以獲取不同大小的聲波掠射角β。

由圖2還可以得到管道影像末端至管道聲影區(qū)末端總長度S與聲波掠射角β之間的關系式:

(7)

圖3 S與β的關系曲線Fig.3 Relation between S and β

由式(7)可得S與β之間的關系曲線(圖3)。從圖3可以看出,隨著β的增大,S均單調遞減,當D為定值時(圖3(a)),針對不同h,存在一簇臨界角βc,當β<βc時,S隨聲波掠射角β的變化較為顯著;當β>βc時,S隨β變化不敏感。

在側掃聲納的聲圖中,為了能準確量取S,聲影區(qū)(即S)不能太小,從圖3可知β不能過大;然而,隨著β的減小,海底反向散射強度逐漸減小,海底散射影像灰度與管道聲影區(qū)灰度接近,亦不利于管道聲影區(qū)的準確判別量取。因此,在進行管道檢測時,當β設定在一定范圍(試驗表明為臨界角βc的鄰域內)時,既可保證必要的海底反向散射強度,使海底散射影像與管道聲影區(qū)之間的邊界清晰,同時又能保證一定的管道聲影區(qū)的長度S,便于其準確判別量取。

3 海底管道檢測試驗

3.1試驗方案設計

試驗以山東勝利油田某輸油管道為檢測目標,管道直徑D=245 mm,管道長度為691.15 m,檢測海域屬于淺水區(qū),水深沿管道檢測方向由11.9 m到14.3 m逐漸加深,平均水深約13 m。試驗采用Sonic2024多波束測深儀,發(fā)射頻率為200 kHz、300 kHz、400 kHz,為避免雙探頭聲納之間信號干擾,工作頻率分別設置為200 kHz與400 kHz。試驗采用EdgeTech 4200FS側掃聲納。此外,輔助設備由DGPS導航定位系統(tǒng)、Octans光纖羅經、姿態(tài)傳感器MUR、聲速剖面儀SVP組成,結合數據處理系統(tǒng)實現海底管道狀態(tài)的精確檢測。

根據目標管道尺寸、檢測水域水文資料及系統(tǒng)空間分辨率,對檢測系統(tǒng)進行參數優(yōu)化設計。雙探頭多波束測深系統(tǒng)對海底目標管道進行實時檢測,分別進行了2組試驗以供對比分析:(a)通過控制聲納探頭的工作狀態(tài)進行單、雙探頭系統(tǒng)的實時切換,分別進行了同一波束開角下,單、雙探頭多波束系統(tǒng)檢測試驗;(b)通過調節(jié)聲納探頭波束開角,分別進行了單、雙探頭多波束系統(tǒng)下不同波束開角的檢測試驗。側掃聲納對海底目標管道進行實時檢測,在海底管道單側布置測線。由于進行檢測的海域為淺水區(qū),考慮到拖魚的安全性,在檢測過程中,保持拖魚位于海平面以下2 m。

由式(5)通過對多波束系統(tǒng)的波束開角優(yōu)化計算得臨界波束開角為94.3°。試驗所采用的多波束測深儀,其波束最大開角為160°,且10°～160°在線連續(xù)可調,試驗將波束開角分別設計為130°(工程中常用)與95°進行檢測對比試驗。

試驗將多波束系統(tǒng)波束開角分別設計為130°(工程中常用)與95°進行檢測對比試驗。試驗以管道某處懸空高度為1.01 m為例,由圖2可知,設S=5 m為臨界角βc的選取依據,則由式(7)計算可得側掃聲納系統(tǒng)的聲波掠射角臨界范圍βc=14.4°,試驗中取β=15°。由于海底的不平整,Ht在9.9 m到12.3 m之間變化(可實時測得),由此可算得L約為32.3 m到41.2 m,即側掃聲納的測線可以布置于距離管道中心32 m≤L≤42 m范圍內。為了檢測對比,試驗將側掃聲納測線布置于距離管道中心分別為20 m、30 m、35 m、40 m、50 m處。

3.2檢測數據及圖像的處理與分析

3.2.1 側掃聲納系統(tǒng)檢測結果分析

通過對側掃聲納檢測數據進行后處理,結合聲速數據,經過橫搖、縱搖、艏搖誤差修正,得到各條測線對于管道同一截面(經過多波束精密掃測及潛水員水下探摸,得出該截面處的海底管道真實懸空高度為1.01 m)的側掃聲納聲圖記錄,并由圖2可得β及h分別為

(8)

(9)

式中:R——發(fā)射線至管道影像末端的斜距,R、S均通過聲圖記錄量算得。

表1 各條測線檢測數據估算結果及誤差

上述檢測數據、量算數據、計算數據和檢測圖像分別列于表1和圖4中。由表1和圖4可知,當β較大時,即L較小時(L=20 m,β=25.2°),由于管道影像與海底散射影像難以區(qū)分(圖4(a)),管道懸空高度估算時出現較大誤差(δ=20.8%);隨著β減小,估算精度顯著提高(表1)。當β=15.2°時,管道影像與海底底質影像之間的邊界、海底底質影像與管道聲影區(qū)之間的邊界均較清晰(圖4(b)),δ相對最小,側掃聲納檢測海底管道的精度和效果均最好(表1)。但當β從15.2°減小至13.9°和10.8°時,越來越小的β使海底反向散射強度逐漸減弱,海底散射影像與管道聲影區(qū)之間的界線模糊(圖4(c)),難以區(qū)分,致使δ也降低(表1)。

設海底底質的反向散射強度為Sb,根據Lambert散射定律[21]可知,海底底質的反向散射強度不僅取決于β,還依賴于海底底質類型特征。因此,為了獲得邊界清晰的高質量檢測聲影圖像,對于不同類型的海底底質,聲波掠射角的最佳取值范圍可能會略有不同。

圖4 不同聲波掠射角的檢測圖Fig.4 Inspection images at different acoustic grazing angles

圖5 波束開角為130°的多波束系統(tǒng)管道狀態(tài)檢測圖Fig.5 Inspection diagram of MBS at 130° angular coverage

3.2.2 多波束系統(tǒng)檢測結果分析

將多波束檢測結果采用CARIS后處理軟件進行處理,得到海底地形及非掩埋的海底管道狀態(tài)(圖5、圖6),通過截取其點云數據圖對管道狀態(tài)進行精細化分析判斷。

圖6 波束開角為95°的多波束系統(tǒng)管道狀態(tài)檢測圖Fig.6 Inspection diagram of MBS at 95° angular coverage

將圖5(a)、6(a)分別與圖5(b)、6(b)對比,可以看出,單探頭檢測圖中管道處掃測盲點盲區(qū)(黑色斑點)分別比雙探頭掃測的盲點盲區(qū)明顯要多,即單探頭對管道狀態(tài)的檢測效果較差;將圖5(a)、5(b)分別與6(a)、6(b)對比,可以看出,波束開角優(yōu)化設計之后(95°)的檢測圖中管道處掃測盲點盲區(qū)(黑色斑點)比未優(yōu)化設計(130°)掃測的盲點盲區(qū)明顯要少,即波束開角優(yōu)化設計之后對管道狀態(tài)的檢測效果更好。相比而言,雙探頭且波束開角優(yōu)化設計為95°時的檢測效果最好。

3.2.3 聯(lián)合檢測成果表達

根據試驗聯(lián)合檢測的成果可知,被檢測區(qū)域整體地形平緩,海底地貌粗糙,存在沖溝,局部區(qū)域存在凹凸地形,管道兩端處以侵蝕地貌為主,各存在一處比較明顯的沖刷區(qū)域。該管道狀態(tài)的具體檢測結果如圖7所示,其狀態(tài)分為:裸露、懸空及掩埋,其中裸露10段,累計445.66 m,占管道全長的64.48%,其中較長段分別為150.53 m、152.36 m;懸空管道累計57.55m,占管道全長的8.33%,懸空段長度介于9.08 ～20.4 m,除兩端懸空部位,其余懸空管道相鄰部位的管道均處于裸露狀態(tài),因潮流沖刷影響,極易加大懸空段長度,從而造成管道失穩(wěn)、斷裂等破壞,應采取相應防護措施,此外,最大懸空高度為1.01 m,位于管道端部,應立即采取防護措施。

圖7 海底管道檢測結果Fig.7 Survey results of the submarine pipeline

4 結 論

a. 雙探頭多波束系統(tǒng)增加了回波信號密度,有效改善了邊緣波束質量,使海底管道檢測過程中的盲點或盲區(qū)顯著減少;波束開角是多波束測深系統(tǒng)的重要技術參數,根據測區(qū)水深和檢測的目標管徑,對系統(tǒng)設置適當的波束開角,能夠明顯提高系統(tǒng)檢測結果的穩(wěn)定性及可靠度。

b. 聲波掠射角是側掃聲納系統(tǒng)檢測海底輸油管道非掩埋狀態(tài)時的重要技術參數,在布設測線時,通過設置恰當的測線至管道中心的水平距離,可以使聲波掠射角的取值達到最優(yōu),以同時滿足檢測精度最高和檢測效果最好的要求。

c. 側掃聲納系統(tǒng)掃測范圍大,工作效率高,但其檢測成果只是二維聲影圖,缺少水深信息;雙探頭多波束系統(tǒng)加大了回波信號密度,能提供海底管道的高密度三維點云,可以實現對小目標的精確檢測,但其波束的掃測范圍較小。因此,二者的聯(lián)合使用,可以實現對海底非掩埋管道的高效精確檢測。

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Integratedacousticsurveymethodforinspectingtheunburiedstatusofsubmarinepipeline

XIONGChunbao1,LIZhi1,SUNXuan2,DINGJiandi1,CEHNXiaohua3

(1.DepartmentofCivilEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300350,China; 2.ZhouEnlaiSchoolofGovernment,NankaiUniversity,Tianjin300350,China; 3.TianjinSurveyingandHydrographyCo.,Ltd.,Tianjin300191,China)

Based on acoustic survey, an integrated method for inspecting the unburied status of submarine pipeline is proposed. A Multi-Beam Bathymetric System (MBS) with dual-sonar sensors and a side-scan sonar system is employed in this method, and analyzing and optimizing of system parameters are implemented for efficient and accurate inspection of the unburied status of submarine pipeline at Shengli Oil Field in Shandong Province. The analysis of inspection results shows that the MBS with dual sonar sensors is able to obtain high-density point cloud data of submarine pipeline, which greatly improves the stability and reliability of the inspecting data. The well inspecting effect of a side-scan sonar system is dependant on the optimum value of its acoustic grazing angle. With the help of the optimized system parameters, the detection efficiency of the integrated system is significantly improved so that the actual status of submarine pipe can be determined more precisely.

multi-beam bathymetric system (MBS); side-scan sonar; submarine pipeline; unburied status; parameter optimization; integrated method for inspecting

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.05.008

2016-08-12

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項(NKZXB1483)

熊春寶(1964—),男,湖北荊州人,教授,博士,主要從事工程健康監(jiān)測及海底管道檢測研究。E-mail: luhai_tj@126.com

李志,博士研究生。E-mail:rangolee@tju.edu.cn

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