孫長保，鄒定杰

1.深圳中海油服深水技術(shù)有限公司，天津 300451

2.中海油田服務(wù)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(shè)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(dá)1 500 m。由于工程設(shè)計(jì)、海上鋪設(shè)、海洋環(huán)境、淺層工程地質(zhì)、漁業(yè)活動以及自然災(zāi)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(yán)重威脅到油田生產(chǎn)的運(yùn)行和安全。為保證海底管道運(yùn)行的安全性，減少各類管道泄漏事故的發(fā)生，保護(hù)海洋環(huán)境，對海底管道進(jìn)行全方位的準(zhǔn)確檢測，成為面臨的緊迫要求。海底管道檢測技術(shù)分內(nèi)檢測和外檢測，管道外檢測是指在海底管道外部進(jìn)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(yuǎn)程操作潛水器（ROV）對管道進(jìn)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(jìn)行目視檢查，根據(jù)目視情況進(jìn)行陽極腐蝕方面的評估；測量管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的電位。

（3）管道的路由坐標(biāo)、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(hù)層的破壞情況、機(jī)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(yīng)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(shè)備和技術(shù)多用于淺水區(qū)的調(diào)查；水深超過100 m 時(shí)需要借助深拖設(shè)備或ROV。

2 深水管道外檢測技術(shù)

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(hù)裝置和連接法蘭、軟管等進(jìn)行巡航檢測。多路水下監(jiān)控系統(tǒng)可對海底管道進(jìn)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(jìn)行水環(huán)境下的實(shí)時(shí)攝影記錄。

圖1 ROV 外觀檢測示意

2.2 管道位置坐標(biāo)確定

管道的位置坐標(biāo)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(shí)，實(shí)時(shí)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(biāo)；ROV 通過水下定位系統(tǒng)USBL 確定相對于船的位置，通過計(jì)算機(jī)處理，得到管道的大地坐標(biāo)。

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(shè)有犧牲陽極以進(jìn)行陰極保護(hù)。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(hù)系統(tǒng)的性能和保護(hù)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(jìn)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(hù)電位應(yīng)該在-800～-1050 mV 之間；鋅陽極在海水中的電位應(yīng)在-900～-1 050 mV 之間；鋁陽極在海水中的電位應(yīng)在-900～-1 100 mV之間。如果超出正常值，將出現(xiàn)過保護(hù)或欠保護(hù)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(shè)計(jì)埋深通常在1.5 m 左右，即使經(jīng)過長時(shí)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(shí)就需要利用專業(yè)設(shè)備對管道進(jìn)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(dǎo)體材料，可以調(diào)查海底管道位置和埋深。

探測海底管道時(shí)，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(gè)探測線圈檢測目標(biāo)誘導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場，然后通過軟件內(nèi)的函數(shù)對比每個(gè)線圈所獲得的探測距離，計(jì)算得到目標(biāo)物的準(zhǔn)確位置。通過同步使用高度計(jì)算軟件計(jì)算獲得目標(biāo)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(jìn)水桿件檢測技術(shù)

進(jìn)水桿件探測（Flooded member detection，F(xiàn)MD）是上世紀(jì)末英國發(fā)展起來的一種水下結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)，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(dāng)管道存在腐蝕穿孔或貫穿型裂紋時(shí)，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(shí)常使用伽馬射線FMD 進(jìn)行檢測（見圖5），無需清潔表面海洋生物和涂層。然后對進(jìn)水部位進(jìn)行更詳細(xì)的檢查，如部分目視檢查或無損檢測。通過減少需詳細(xì)檢測部位的數(shù)量，可以節(jié)省時(shí)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(shù)

非接觸式磁力斷層攝影技術(shù)（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(shù)，主要利用磁應(yīng)力原理。在天然磁場中，鐵磁材料的應(yīng)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(jì)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(yīng)力狀態(tài)。

MTM 檢測技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：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(shè)備或者準(zhǔn)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(hù)層損壞故障等。該技術(shù)在陸地埋地管道檢測中已有多次應(yīng)用案例[9]；2013年該技術(shù)在中海油的崖城管道檢測中首次成功應(yīng)用，現(xiàn)已在該公司的多條海底管道檢測中應(yīng)用[10]。

2.5.3 磁渦流檢測技術(shù)

對于某種原因不能通過內(nèi)檢測技術(shù)獲得管道狀態(tài)的管道可以利用磁渦流檢測技術(shù)（Magnetic eddy current，MEC）組合式管道掃描器對管道進(jìn)行外部檢測（見圖6）。MEC 技術(shù)是一種將渦流傳感器與直流磁化技術(shù)結(jié)合的一種檢測技術(shù)。MEC 組合式管道掃描器也可根據(jù)特定的檢測需求進(jìn)行專門的布設(shè)，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(shù)，管道爬行器可以在相當(dāng)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(shù)可檢測的管徑可大大超過6 in、可檢測的管道壁厚可達(dá)25.4 mm、可檢測的管道防護(hù)層厚度可達(dá)15 mm。目前，該技術(shù)在國外已有工程應(yīng)用案例，國內(nèi)尚未有公開應(yīng)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(shù)

脈沖渦流檢測（Pulsed eddy current testing，PECT）也稱為暫態(tài)渦流檢測技術(shù)，其基本原理是在線圈中引入恒定電流或電壓，在一定時(shí)間內(nèi)，在被測構(gòu)件中會產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，當(dāng)輸入斷開時(shí)，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(yīng)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(jìn)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(shù)由于具有很強(qiáng)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(dá)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(shè)計(jì)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(dá)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(dá)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(xì)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(fēng)險(xiǎn)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(shù)

交流電磁場測量法（Alternating current field measurement，ACFM）的理論基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)原理。通交變電流的激勵(lì)線圈靠近導(dǎo)體時(shí)，交變電流在周圍的空間中產(chǎn)生交變磁場，被測導(dǎo)體工件表面的感應(yīng)電流（集膚效應(yīng)產(chǎn)生）聚集于工件的表面（集膚效應(yīng)）。工件中無缺陷時(shí)，感應(yīng)電流線彼此平行，工件表面存在均勻強(qiáng)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(dǎo)致工件表面磁場變化，這個(gè)磁場變化的強(qiáng)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(shù)已廣泛用于海洋平臺機(jī)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(shè)計(jì)的，它可以檢測水下管道周向環(huán)焊縫（見圖8）。檢測時(shí)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(diǎn)

是不能穿透混凝土保護(hù)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(shù)

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(shù)進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了水下從外部對管道進(jìn)行檢測，作業(yè)水深達(dá)到3 000 m。Magna 掃描儀通過優(yōu)化超聲波技術(shù)，可檢測腐蝕、點(diǎn)蝕和開裂等內(nèi)部和外部管壁腐蝕和損傷。

當(dāng)達(dá)到檢測位置時(shí)，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(jī)系統(tǒng)用于監(jiān)測管道的檢測進(jìn)度。由于SeaTurtle 安裝在ROV 主機(jī)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(shè)備相比，該設(shè)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(shù)在檢測速度上相對較慢，適合于已知缺陷位置需精細(xì)檢測的管道檢測[16]。

2.5.7 射線檢測技術(shù)

Tracerco 的Discovery 海底管道檢測裝置是世界上第一個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)與水面數(shù)據(jù)處理單元的實(shí)時(shí)通訊，可邊檢測邊評估管道狀況。

該技術(shù)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(shí)發(fā)現(xiàn)是否有水合物生成等異常現(xiàn)象。此外，可以準(zhǔn)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(hù)層。檢測時(shí)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(guān)鍵管段。此外，由于探測器帶有輻射源，因此設(shè)備運(yùn)輸和使用過程中需辦理放射源運(yùn)輸和使用手續(xù)，作業(yè)人員需采取特別防護(hù)措施。該技術(shù)已成功應(yīng)用于墨西哥灣的深水項(xiàng)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(yùn)行，需要定期對海底管道進(jìn)行內(nèi)外檢測，全方位了解管道的運(yùn)行狀況，收集準(zhǔn)確、詳實(shí)的一手資料，為海底管道的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、安全評估以及后期的修復(fù)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(shù)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(shè)情況、電位情況、外觀情況等整體情況的了解，缺乏管道精細(xì)檢測技術(shù)的工程應(yīng)用。建議有實(shí)力的海洋工程服務(wù)公司加強(qiáng)與國外公司的交流與合作，通過實(shí)驗(yàn)研究逐步將新的技術(shù)引入工程應(yīng)用中，例如電磁超聲技術(shù)和射線檢測技術(shù)已有代理商開始推薦，但由于自身缺少實(shí)驗(yàn)平臺，缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，無法獲得油田經(jīng)營者的信任；對于國外封鎖的有關(guān)技術(shù)，建議校企聯(lián)合對高新技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合研發(fā)，例如某高校對海底管道脈沖渦流技術(shù)進(jìn)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(shí)際應(yīng)用結(jié)合，從而導(dǎo)致技術(shù)無法工程應(yīng)用。

隨著新技術(shù)引進(jìn)和研發(fā)，深水管道檢測技術(shù)也將越來越豐富。根據(jù)作業(yè)內(nèi)容的實(shí)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(yùn)營者首選。