金兆波 柳 雄 馮德佳 韋鳳聯(lián)

（1. 大慶市匯通建筑安裝工程有限公司，黑龍江 大慶 163311；2. 國家管網(wǎng)集團(tuán)廣東運(yùn)維中心，廣東 廣州 510710）

0 引言

西氣東輸管道線路西起新疆輪臺(tái)輪南首站，東達(dá)線路末站上海。途徑新疆、甘肅、寧夏、陜西、山西、河南、安徽、江蘇、上海等地區(qū)，線路全長約4000km，穿越眾多大中小型河流。水下穿越管道因地質(zhì)條件、施工等狀況使得管道外防腐層損傷嚴(yán)重，目前對(duì)這部分管道還未開展過全面檢測，僅靠岸邊測試樁檢測數(shù)據(jù)評(píng)估，詳盡的腐蝕與防護(hù)效果不清楚，更談不上對(duì)腐蝕與防護(hù)安全狀態(tài)的管控。

目前國內(nèi)外對(duì)水下管道檢測的技術(shù)手段主要包括潛水員水下作業(yè)、FieldSens技術(shù)、ONE-PASS技術(shù)和ROV技術(shù)?？刹殚喌降乃麓┰焦艿赖穆酚啥ㄎ环椒ɑ径际遣捎糜性措姶判盘?hào)檢測方法，就是給管道施加一個(gè)電磁信號(hào)，在管道上方用接收機(jī)接收信號(hào)確定管道位置和埋深，該方法成熟可靠。但是既能定位，又能檢測防腐層和陰保有效性只有ROV能夠全面實(shí)現(xiàn)[1]。

潛水員水下作業(yè)就是潛水員下潛至水底進(jìn)行檢測時(shí)，需要將檢測設(shè)備和管道表面進(jìn)行接觸，檢測的條件比較苛刻不易滿足，另外這種檢測的適用范圍有限，而且周期無法保證，安全風(fēng)險(xiǎn)高，因此不具備普及的條件。

英國FieldSens管線探測儀是通過工作船拖拽接收器沿管道上方蛇形游走，水下信號(hào)接收裝置接收信號(hào)發(fā)射機(jī)給管道施加的電磁信號(hào)來定位管道位置。該技術(shù)屬于水中檢測技術(shù)，只能確定管線的位置。

美國STARTRAK公司生產(chǎn)的ONE-PASS河流穿越管道檢測系統(tǒng)，可在水面上對(duì)水下管道進(jìn)行定位。給管道施加交流信號(hào)后，船載接收器在水中沿管道路由S形游走來定位管道位置，其檢測結(jié)果僅能提供位置和埋深信息，定位深度不超過40m，不能對(duì)陰保效果進(jìn)行檢測，無法滿足外腐蝕檢測需求。

國內(nèi)River-ROV檢測系統(tǒng)將接收器和參比電極搭載到機(jī)器人上，通過推進(jìn)器控制其移動(dòng)，可下潛到水底在河床上（更靠近管道位置）對(duì)水下穿越管段實(shí)施路由定位、防腐層破損檢測、陰極保護(hù)效果評(píng)價(jià)等項(xiàng)目[2]。River-ROV檢測系統(tǒng)屬于電磁法+CIPS+DCVG多功能水下檢測技術(shù)，可潛入水下深度50m，水底河床定位覆土深度超過40m，適用環(huán)境尤為廣泛。

1 ROV搭載的檢測技術(shù)

穿越江河管道的檢測系統(tǒng)River-ROV，屬于纜控水下機(jī)器人檢測裝置，由水上控制顯示終端和水下檢測裝置組成，水上和水下部分通過臍帶纜實(shí)現(xiàn)連接，水上發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力。ROV系統(tǒng)整合2D水下環(huán)境聲吶探測、管道定位、陰保電位CIPS測量、電位梯度DCVG檢測、埋深測量、光纖通訊、GPS定位、數(shù)據(jù)庫及檢測數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)江河穿越管道外防腐與陰極保護(hù)狀況等多方面的檢測。

1.1 管道電磁法定位、測深技術(shù)

對(duì)管道的位置、埋深及走向的測量，是對(duì)管道安全檢測的第一步，精確定位管線位置非常重要，儀器探測的深度及電流值均受管道定位精度的影響。應(yīng)用有源電磁探測方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)陸上及水下管道的探測。探測原理是：應(yīng)用發(fā)射機(jī)為管道施加交變的電流信號(hào)，在管道周圍會(huì)產(chǎn)生交變的磁場，使用電磁法感應(yīng)線圈在管道上方測量所施加信號(hào)的分布情況，依據(jù)信號(hào)分布規(guī)律可精確定位管道的位置，同時(shí)通過該信號(hào)值可以探測管道的埋設(shè)深度，實(shí)時(shí)顯示定位信號(hào)，自動(dòng)/手動(dòng)測定管道的埋設(shè)深度[3]。如圖1為峰值法定位示意圖。

圖1 峰值法定位示意圖

管道埋深的測量是在峰值法模式下實(shí)現(xiàn)的，即應(yīng)用兩個(gè)相同的有固定間距的水平磁感應(yīng)線圈，分別測出兩個(gè)線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度Et和Eb，可計(jì)算出埋深數(shù)值。管道埋深測量原理如圖2所示。

圖2 管道埋深測量原理

1.2 DCVG直流電位梯度檢測技術(shù)

直流電位梯度法的檢測過程是使用一個(gè)靈敏的毫伏表，兩端連接兩個(gè)測量電極。當(dāng)電極置于陰極保護(hù)所產(chǎn)生的電場上時(shí)，電極兩端電壓將不同。測量兩個(gè)電極在電場中產(chǎn)生的水平電壓梯度輸出值。應(yīng)用江河ROV管線檢測設(shè)備電位梯度測量功能，根據(jù)測量的電位梯度，來判斷水下管道的電位梯度分布狀況。依據(jù)已有的檢測標(biāo)準(zhǔn)，通過電位梯度的變化可以測量出管道防護(hù)層的缺陷位置。如圖3所示。

圖3 電位梯度示意圖

1.3 CIPS陰保檢測技術(shù)

現(xiàn)場使用江河管線ROV檢測系統(tǒng)，在管道上實(shí)施陰極保護(hù)的檢測。檢測裝置一端使用帶絕緣層的金屬導(dǎo)線與水下管線的測試點(diǎn)連接，導(dǎo)線的另一端與檢測裝置內(nèi)部的自動(dòng)電位記錄儀相連接，記錄儀的另一端與飽和的硫酸銅參比電極相連構(gòu)成測量的回路。當(dāng)檢測系統(tǒng)放置在水中時(shí)，由于水是導(dǎo)體，并且在裝置定位在管道的正上方時(shí)，可以進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)的測量，所測得的電壓即為管道的保護(hù)電位。使用該系統(tǒng)可以測量管道沿線的電位分布狀況，通過電位的分布狀況可以判斷管道的陰極保護(hù)狀況，并間接分析管道上防護(hù)層是否存在缺陷。如圖4所示水下檢測裝置CIPS檢測示意圖。

圖4 水下檢測裝置CIPS檢測示意圖

1.4 聲吶檢測技術(shù)

聲吶是一種利用聲波水下傳播特性，通過電聲轉(zhuǎn)換和信息處理，完成水下探測和通訊任務(wù)的電子設(shè)備，屬于聲學(xué)定位范疇[4]。在水質(zhì)較差能見度較低的情況下，River-ROV裝置的視頻檢測系統(tǒng)只能在較短距離的可視（約為50cm），而ROV在水下的運(yùn)動(dòng)狀況及周圍環(huán)境狀況無法獲得，所以需要在系統(tǒng)中增加2D成像聲吶系統(tǒng)，來增加ROV在水下的可視性。通過BlueView的2D聲吶可以觀察ROV周圍的環(huán)境情況，一方面可通過聲吶判斷ROV在水下的位置及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為用戶提供水下環(huán)境狀況，起到避障作用；另一方面可以通過對(duì)環(huán)境的觀察判斷管道埋設(shè)環(huán)境的情況。由于ROV是潛到河床處作業(yè)，聲吶影像是現(xiàn)場判斷ROV是否位于水底的重要依據(jù)。如圖5為2D成像聲吶檢測圖。

1.5 視頻檢測技術(shù)

水下檢測平臺(tái)的視頻系統(tǒng)主要包括：水下照明燈、水下攝像機(jī)、視頻傳輸系統(tǒng)組成。在水下光照度及透明度不佳的情況下，可以開啟水下照明燈，利于水下攝像機(jī)對(duì)管道狀況及周圍環(huán)境狀況進(jìn)行觀察和檢測。應(yīng)用視頻檢測系統(tǒng)可以對(duì)管道埋設(shè)情況、管道外表和周圍生物覆蓋情況進(jìn)行直接的觀察及存儲(chǔ)。如圖6為水下機(jī)器人視頻檢測圖像。

圖6 水下機(jī)器人視頻檢測

2 檢測基本情況及結(jié)果

石馬河三穿越段檢測

穿越處管道管徑為Φ1016，起、終點(diǎn)里程158+347.0—158+594.3。管道參數(shù)如表1所示。

表1 管道參數(shù)

2.1 信號(hào)施加

在河?xùn)|岸測試樁處施加4安培640Hz檢測信號(hào)，兩岸電流信號(hào)均在1A以上，足以保證水下管道定位測深的信號(hào)需求。

陰保檢測信號(hào)：恒電位儀面板顯示通電點(diǎn)處電位波動(dòng)極大，-300mV～-2000mV以上，初步判斷存在雜散電流干擾，為了現(xiàn)場測試結(jié)果的有效性，將恒電位儀調(diào)至手動(dòng)輸出模式，此時(shí)測量電位為-1300mV，相對(duì)穩(wěn)定；該檢測項(xiàng)信號(hào)調(diào)制完成。

2.2 檢測現(xiàn)場

現(xiàn)場檢測人員對(duì)東莞站石馬河三穿越管段實(shí)施檢測，使用衛(wèi)星同步發(fā)射機(jī)在河?xùn)|岸測試樁處施加4A，640Hz檢測信號(hào)，兩岸電流信號(hào)均在1A以上，保證水下管道定位測深的信號(hào)需求。

為實(shí)施陰極保護(hù)系統(tǒng)有效性和外防腐層質(zhì)量狀況檢測，在恒電位儀串接衛(wèi)星同步斷流器，恒電位儀面板顯示通電點(diǎn)處電位波動(dòng)極大，-300mV至-2000mV以上，初步判斷存在雜散電流干擾，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場測試結(jié)果的有效性，將恒電位儀調(diào)至手動(dòng)輸出模式，此時(shí)測量電位為-1300mV相對(duì)穩(wěn)定，保證測試工作的正常進(jìn)行。

檢測人員在石馬河西岸搭設(shè)檢測平臺(tái)，同時(shí)將電位測試尾線從東岸牽引至西岸。原計(jì)劃采用ROV自身動(dòng)力系統(tǒng)及單側(cè)拖行方式實(shí)施檢測，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)管道上方水深變化較大，管道橫向兩側(cè)水位變化較大，ROV水下運(yùn)動(dòng)裝置正常行駛（擱淺）作業(yè)難度極大，經(jīng)現(xiàn)場項(xiàng)目組討論，變更作業(yè)方案，采用兩岸拖行方式實(shí)施ROV檢測。

水下穿越段管道現(xiàn)場檢測流程：搭設(shè)好檢測平臺(tái)后進(jìn)行儀器調(diào)試，儀器工作狀態(tài)良好時(shí)將ROV移至水較深處，實(shí)現(xiàn)ROV的自由運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而獲取管道水下穿越段各測點(diǎn)處的檢測數(shù)據(jù)。在ROV向管道方向運(yùn)動(dòng)的過程中，控制平臺(tái)處檢測人員時(shí)刻觀察信號(hào)顯示，確定ROV跨過管道后，控制ROV迅速下沉至河床，開始采集數(shù)據(jù)，在該過程中測量管道位置、水深、覆土深度、管地電位、電位梯度、聲吶等數(shù)據(jù)，之后開啟頂升使ROV上浮至水面獲取GPS信號(hào)，通過內(nèi)置慣導(dǎo)系統(tǒng)，精確換算出水下管道真實(shí)位置坐標(biāo)，該測點(diǎn)檢測完成后ROV行進(jìn)至下一測點(diǎn)，重復(fù)上述操作直至整條河流穿越段檢測完成，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.3 檢測成果

（1）通過ROV檢測系統(tǒng)對(duì)水下管道路由進(jìn)行探測，獲取到了管道覆土深度、水深以及埋設(shè)位置GPS坐標(biāo)等管道位置信息。測量結(jié)果表明該穿越管段未出現(xiàn)管道懸跨現(xiàn)象，管道最小埋深為1.67m，位于檢測段57.2m處，測點(diǎn)號(hào)P11；現(xiàn)場對(duì)各測點(diǎn)進(jìn)行了水下環(huán)境聲吶攝像勘察，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象；該水域最大水深2.06m，最大水深處位于檢測段17.6m位置，測點(diǎn)號(hào)P5。檢測管段剖面圖如圖7所示；

圖7 檢測管段剖面圖（橫/縱坐標(biāo)軸1:1比例）

（2）應(yīng)用ROV檢測系統(tǒng)對(duì)穿越管段的陰極保護(hù)效果實(shí)施檢測。測得石馬河三穿越管段管地?cái)嚯婋娢惶幱?392.5～-1908.1mV之間，通電電位在-750.3～-1930.2mV之間，電位波動(dòng)極大，雜散電流干擾嚴(yán)重，依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確判斷陰極保護(hù)有效性。建議在測試樁處應(yīng)用試片斷電法或極化探頭法測量管道極化電位，以供參考；同時(shí)為保證管道安全有效運(yùn)行，應(yīng)開展管道沿線雜散電流檢測及治理；

（3）對(duì)水下管道實(shí)施外防腐層完好性檢測，現(xiàn)場應(yīng)用DCVG方法測試管地通斷電位梯度值，最大值僅為-2.3mV，通斷電位梯度差值最大為0.1mV，判斷水下管段無明顯防腐層缺陷。

3 結(jié)語

（1）能夠全面獲取管道覆土深度、水深以及埋設(shè)位置GPS坐標(biāo)等管道位置信息；

（2）能夠全線獲取水下穿越管段每處的陰保電位，評(píng)價(jià)陰保狀況；

（3） 能夠全程檢測水下穿越管道外防腐層附近處的地電位梯度，評(píng)價(jià)外防腐層完好性；

（4）通過現(xiàn)場應(yīng)用，證明水下穿越管道檢測評(píng)價(jià)系統(tǒng)ROV技術(shù)成熟、效果顯著，填補(bǔ)了水下穿越管段檢測盲區(qū)，為日后的運(yùn)行維護(hù)、降低成本、保障安全提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐?？稍谒麓┰焦艿栏g與防護(hù)檢測領(lǐng)域內(nèi)推廣應(yīng)用，為其他水下穿越管道的安全運(yùn)營管理提供借鑒。