陳 鵬

(交通運輸部北海航海保障中心天津海事測繪中心，天津 300222)

1 概述

隨著海洋能源的迅速開發(fā)和利用，海底管道已成為海洋油氣資源開發(fā)中的重要組成部分。至今中國累計總鋪設(shè)長度已超過6 000 km[1]。海底管道事故會造成人員傷害、經(jīng)濟損失、環(huán)境污染及社會問題，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”事故對該地區(qū)的海洋物種造成嚴重傷害，且造成直接經(jīng)濟損失超過10億美元[2]。因此，對役海底管道的狀態(tài)安全檢測具有重要意義。

2 研究現(xiàn)狀

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

3 海底管道檢測方法分析

3.1 人工潛水檢測方法

人工潛水的檢測方法優(yōu)點在于操作簡單，并能對管道狀態(tài)檢測結(jié)果進行直觀的表達描述，已被廣泛應(yīng)用于海底管道外檢中[4]。該方法的缺點在于：

1)工況條件要求苛刻，必須是較淺海域且在水質(zhì)較為清晰情況下對非掩埋海底管道的探摸檢測。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)對于工程浩大的海底管道檢測而言，該法效率低下。

該方法的適用范圍：海洋平臺附近管道及管道局部區(qū)域的快速檢測。

3.2 水下機器人檢測方法

水下機器人檢測海底管道，首先由檢測船將機器人釋放入海底，操作人員通過電纜對其進行遠程控制操作，機器人搭載相應(yīng)檢測設(shè)備對海底管道及其周圍環(huán)境進行檢測。檢測過程中獲取的大量檢測數(shù)據(jù)通過電纜同步傳送給檢測船進行處理，從而同步顯示檢測結(jié)果[4]。

該檢測方法的優(yōu)點在于不受下潛深度的影響。但是缺點在于：

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

該方法的適用范圍：海底管道大面積檢測后的小范圍或局部驗證檢測。

3.3 光纖傳感技術(shù)檢測方法

光纖傳感技術(shù)檢測海底管道，是將光纖傳感器安裝于被測管道上，通過對管道應(yīng)變、溫度、壓力等數(shù)據(jù)進行監(jiān)測及檢測，進而識別出管道的健康狀態(tài)，國內(nèi)外學(xué)者對此進行了大量的試驗及理論研究。

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

1)該技術(shù)受到有效傳感距離及敏感性的影響，不適用于較長距離的海底管道，且惡劣的海底服役環(huán)境對傳感器的長期耐久性、服役可靠性等都提出了嚴重挑戰(zhàn)，這些因素使得該技術(shù)還處于室內(nèi)試驗研究階段，尚無法直接用于實際海底管道的監(jiān)測/檢測；2)實現(xiàn)海底管道光纖傳感技術(shù)檢測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，對沒有安裝光纖傳感器的在役老齡管道則無法完成檢測/監(jiān)測；3)傳感器敷設(shè)后就無法更換，一旦局部發(fā)生失效，整個傳感系統(tǒng)有效性及其檢測結(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)過程中，光纖的存活性是該技術(shù)應(yīng)用的一個巨大挑戰(zhàn)，這對海底管道的整個施工及敷設(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，并能同步確定管道的破壞位置，但僅能事后報警，很難進行事先預(yù)警。

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

3.4 聲學(xué)探測技術(shù)檢測方法

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

基于聲學(xué)探測的側(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)點在于，能夠?qū)崿F(xiàn)海底地形地貌的寬覆蓋、高分辨探測，目前已廣泛應(yīng)用于海底地形及海底地質(zhì)探測、海底地質(zhì)災(zāi)害檢測及海底結(jié)構(gòu)物探測[6]。海底管道檢測中，SSS能夠?qū)Ψ茄诼駹顟B(tài)的海底管道進行追蹤探測，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，通過幾何關(guān)系可以求得懸空管道的懸空高度；MBS對非掩埋管道進行追蹤探測的同時能夠直接獲取管道及其周圍環(huán)境的水深數(shù)據(jù)，進而判斷出管道運行狀態(tài)；SBP可用于判斷管道在海床上的相對空間位置關(guān)系，通過回波反射特征，能夠確定管道的埋置深度及懸空高度；SSS和SBP的檢測結(jié)果以高分辨率的聲吶圖像呈現(xiàn)，MBS的檢測結(jié)果可同時以聲吶圖像及水深數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)。

該檢測方法的缺點在于：1)MBS進行海底管道檢測時，由于受波束開角的影響，邊緣波束逐漸發(fā)散，嚴重影響測深數(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帶來困難；2)SSS的海底管道檢測過程中，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，且對于海底復(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，SSS在探測時具有一定的局限性，導(dǎo)致檢測結(jié)果出現(xiàn)偏差；3)SBP的海底管道檢測中，該方法僅能對管道截面進行探測，對于大規(guī)模的海底管道檢測而言，其效率較為低下；4)對于各個檢測系統(tǒng)而言，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)。

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

4 檢測方法探討

通過分析四種監(jiān)測方法的優(yōu)點和缺點，可知聲學(xué)探測技術(shù)是應(yīng)用最廣，受制因素最少的方法。但是鑒于聲學(xué)探測三種技術(shù)的各自的優(yōu)缺點，本文認為可以在優(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。

由于SSS的拖曳式作業(yè)方式，系統(tǒng)不受水深影響，因此其掃測范圍大，工作效率高且能獲取較高分辨率檢測結(jié)果，常被用以探測海底管道的走向，無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，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，但其波束掃測范圍較小。針對掩埋段管道，SSS及MBS均無法對其進行檢測，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，無法實現(xiàn)海底管道的全分布式快速檢測。

因此，可充分利用各系統(tǒng)的優(yōu)勢，對于SSS可以優(yōu)化聲波掠射角取值，MBS可以優(yōu)化波束開角和航速設(shè)計聯(lián)合進行非掩埋管道的平面位置和懸空高度的監(jiān)測，結(jié)合SBP對掩埋位置的海底管道進行埋深和懸空高度的探測。聯(lián)合使用SSS-MBS-SBP來獲取海底管道多源檢測信息，構(gòu)成海底管道完整的三維信息，其聯(lián)合方案可設(shè)計為：1)根據(jù)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(shù)進行優(yōu)化設(shè)計；2)利用SSS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MBS及SBP系統(tǒng)沿管道方向進行管道狀態(tài)的精確檢測；3)聯(lián)合SSS-MBS-SBP數(shù)據(jù)成果，以實現(xiàn)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。

5 結(jié)語

通過本文的總結(jié)分析與探討，基于聲學(xué)探測的三種技術(shù)的聯(lián)合使用，可以通過多種檢測方法之間良好的互補性實現(xiàn)對海底管道全面、高效、精確的檢測，為運營期海底管道的健康檢測和三維重構(gòu)提供保障。