王克寬，段瑞彬，何亞章，于德周，王來(lái)臻

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

2.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451

3.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司海洋工程事業(yè)部，山東青島 266555

海底管道是海上油氣田系統(tǒng)的主要組成部分[1]。隨著服役年限的增加或由于人為因素及自然災(zāi)害等外力影響，管道會(huì)產(chǎn)生不同程度的屈曲變形[2]。為防止受損海底管道進(jìn)一步變形或破損而造成環(huán)境污染及經(jīng)濟(jì)損失，一般根據(jù)管道受損程度及狀態(tài)采取適宜的維修方式，以保障管道運(yùn)行安全[3]。因此，精準(zhǔn)測(cè)量管道受損狀態(tài)、獲取管道屈曲變形的特征數(shù)據(jù)并據(jù)此評(píng)估管道的損傷程度，對(duì)管道維修和保障管道運(yùn)行安全至關(guān)重要。

在海況條件良好的海域，海底管道屈曲變形測(cè)量通常采用潛水員觀察探摸法、ROV/AUV 輔助目視攝像法以及激光、聲吶等常規(guī)測(cè)繪方法[4-5]，但對(duì)于高渾濁度、低能見(jiàn)度以及高流速等海況條件惡劣的作業(yè)海域，常規(guī)的測(cè)量方法通常難以適用或無(wú)法滿足工程測(cè)量精度的要求。

本文依據(jù)水下超聲測(cè)距原理，針對(duì)惡劣海況下海底管道變形測(cè)量精度、作業(yè)效率及施工安全性需求，研究海底管道屈曲變形精確測(cè)量技術(shù)，以期為復(fù)雜海域海底管道屈曲變形修復(fù)工程施工提供切實(shí)可行的技術(shù)手段。

1 海底管道屈曲變形超聲法測(cè)量技術(shù)原理

1.1 水下超聲測(cè)距原理

超聲法測(cè)量海底管道變形的技術(shù)基礎(chǔ)是超聲測(cè)距技術(shù)，采用直達(dá)波測(cè)量原理，當(dāng)發(fā)射探頭發(fā)射一束超聲波在水中傳播到達(dá)結(jié)構(gòu)物表面，除部分聲波進(jìn)入管道內(nèi)，大部分聲波將被反射回水中傳播并被接受，如圖1所示。

圖1 水下超聲測(cè)量原理

管道變形值由聲波在水中傳播的雙程時(shí)間和水中的平均聲速確定[6]，測(cè)量從開(kāi)始發(fā)射超聲波到接收到反射波所經(jīng)歷的時(shí)間，則可計(jì)算探頭與反射面的距離，從而計(jì)算管道變形量。

式中：H為管道變形量，m；C為聲速，m/s；t為測(cè)量時(shí)間系統(tǒng)探測(cè)的發(fā)射和接收聲波的時(shí)間差，s。

技術(shù)可行性方面，為了適應(yīng)被測(cè)變形缺陷的變化，要求發(fā)射的超聲波束具有盡可能小的擴(kuò)散角，以保證較強(qiáng)的方向性，需要制作專(zhuān)門(mén)的水下測(cè)量用超聲波探頭（換能器），滿足管道測(cè)量要求；為保證測(cè)量信號(hào)的同步性，需要制作專(zhuān)用水下同步掃查器；為適應(yīng)水下應(yīng)用環(huán)境，采用發(fā)射、接收雙探頭集成化測(cè)量，需要隔離或削弱由發(fā)射探頭直接傳到接收探頭的直達(dá)波。超聲波信號(hào)在距離被測(cè)物體較遠(yuǎn)時(shí)會(huì)有一定的信號(hào)衰減，導(dǎo)致信號(hào)失真，因此在遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)保證超聲波傳輸能力與聚焦特征是超聲激勵(lì)與接收系統(tǒng)所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1.2 管道外表面三維模型的構(gòu)建

測(cè)取管道的屈曲變形特征，首先需構(gòu)建管道外表面三維模型，再依據(jù)模型對(duì)變形幾何要素進(jìn)行精確計(jì)算[7]，從而得到橢圓度、彎曲度等變形特征值。因此需要建立水下測(cè)量坐標(biāo)系，引入數(shù)學(xué)化描述方法，對(duì)管道外表面上的點(diǎn)進(jìn)行數(shù)學(xué)化描述，從而構(gòu)建管道外表面三維模型。如圖2所示，以管道確定的橫截圓為標(biāo)準(zhǔn)圓，以其圓心o為坐標(biāo)原點(diǎn)，分別以該標(biāo)準(zhǔn)圓互相垂直的半徑軸為x軸、y軸，以管道軸向方向?yàn)閦軸，構(gòu)建水下測(cè)量坐標(biāo)系o(x，y，z)。

圖2 水下測(cè)量坐標(biāo)系

實(shí)際測(cè)量中，以標(biāo)準(zhǔn)圓的圓周為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)零點(diǎn)，通過(guò)超聲傳感器測(cè)得管道外表面某點(diǎn)P與等效標(biāo)準(zhǔn)零點(diǎn)o′(x′，y′，z′)的距離h，再配合其他傳感器測(cè)量P點(diǎn)在管道軸向方向與測(cè)量原點(diǎn)的距離l以及P點(diǎn)與等效標(biāo)準(zhǔn)零點(diǎn)的圓心o的連線沿管道環(huán)向的逆時(shí)針偏移角度θ，通過(guò)坐標(biāo)變換，即可得到P點(diǎn)的直角坐標(biāo)系值。

式中：r為標(biāo)準(zhǔn)圓半徑。

當(dāng)測(cè)量點(diǎn)位置坐標(biāo)數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，可通過(guò)樣條插值等數(shù)學(xué)方法，構(gòu)建管道外表面三維模型，測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量決定模型的精確程度。由于被測(cè)管道與測(cè)量傳感器位于同一坐標(biāo)系內(nèi)，因此測(cè)量過(guò)程中需確保傳感器與被測(cè)管道之間的相對(duì)位置可控，即確保測(cè)量過(guò)程中水下坐標(biāo)系的一致性，從而保證測(cè)量點(diǎn)位置坐標(biāo)值的準(zhǔn)確性。

2 超聲測(cè)量屈曲變形精度控制

聲速是超聲測(cè)距公式中的關(guān)鍵因子，也是海底管道變形超聲測(cè)量的重要參數(shù)，水中聲速不受管道變形程度影響，但與水下環(huán)境溫度、海水鹽度、深度等傳輸介質(zhì)條件密切相關(guān)，因此需要根據(jù)水下介質(zhì)條件的變化修正超聲波聲速值，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。溫度與水中聲速對(duì)照數(shù)據(jù)（1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）如表1 所示，溫度每上升1 ℃，聲速增加約4 m/s；鹽度每增加1‰，聲速約增加1 m/s；水深每增加10 m，近似增加1個(gè)大氣壓的壓力，聲速增加約0.2 m/s[8]。因此可知聲速對(duì)溫度變化敏感，鹽度對(duì)聲速的影響較弱，深度變化165 m 相當(dāng)于水溫變化1 ℃。本文采用如下平均聲速修正公式：

表1 不同溫度變化與水中聲速對(duì)照

式中：C為聲速，m/s；T為溫度，℃；S為鹽度，‰；Z為深度，m。

3 海底管道屈曲變形超聲測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)由測(cè)量工裝、超聲激勵(lì)/接收系統(tǒng)、前置放大器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、終端采集器及上位機(jī)軟件組成。測(cè)量工裝用于搭載超聲傳感器進(jìn)行管道缺陷掃查；超聲激勵(lì)/接收系統(tǒng)是超聲信號(hào)的發(fā)射端與接收端，與前置放大器共同完成超聲信號(hào)的前期處理；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的作用是將傳感器模擬信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸給終端采集器，最終由上位機(jī)軟件完成信號(hào)處理與分析，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量過(guò)程為：采用換能器垂直于管道表面發(fā)射聲波，當(dāng)聲波遇到管道時(shí)發(fā)生反射，發(fā)射回波信號(hào)返回接收端并被其接收，通過(guò)進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理，得到管道變形坐標(biāo)值。

為了使激勵(lì)/接收系統(tǒng)發(fā)揮最好的性能，研制了500 kHz 和1 MHz 的超聲測(cè)量換能器，集成度高、小型化且適應(yīng)于水下測(cè)量，參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 超聲換能器參數(shù)指標(biāo)

控制模塊（見(jiàn)圖4）是連接測(cè)量主機(jī)和測(cè)量工裝的中間環(huán)節(jié)，用于識(shí)別測(cè)量命令，通知測(cè)量主機(jī)采集超聲信號(hào)，調(diào)理編碼器信號(hào)，同時(shí)控制高精度旋轉(zhuǎn)測(cè)量裝置按既定圈數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)。整個(gè)觸發(fā)及控制模塊系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行觸發(fā)密度連續(xù)調(diào)節(jié)。傳感器工作在海洋環(huán)境下，易受潮流、砂石等干擾，影響測(cè)量準(zhǔn)確度，在控制模塊中進(jìn)行了較強(qiáng)的抗干擾屏蔽設(shè)計(jì)，避免因外界環(huán)境帶來(lái)的誤觸發(fā)現(xiàn)象。

圖4 控制模塊

作為測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，超聲脈沖發(fā)射/接收器（見(jiàn)圖5）具有較好的低噪接收響應(yīng)和較豐富的脈沖發(fā)生器調(diào)節(jié)功能，包括發(fā)射脈沖重復(fù)頻率控制、脈沖電壓控制（對(duì)給定的探頭，調(diào)節(jié)激勵(lì)脈沖幅度）、激勵(lì)探頭頻帶范圍選擇（對(duì)于方波脈沖發(fā)生器，脈沖頻帶寬度與激勵(lì)探頭固有頻率匹配時(shí)能得到較好的激勵(lì)效果）、接收器的增益范圍調(diào)節(jié)以及簡(jiǎn)單的低通和高通濾波等功能。除此之外，還包括射頻信號(hào)輸出、外部觸發(fā)信號(hào)輸入、同步脈沖信號(hào)輸出，在使用過(guò)程中光電編碼器的輸出脈沖信號(hào)連接，用來(lái)控制激勵(lì)脈沖的發(fā)射與超聲波的接收等功能。外部觸發(fā)信號(hào)輸入接口與上位機(jī)內(nèi)的超聲采集卡連接，將接收探頭收到的超聲信號(hào)傳送給上位機(jī)超聲采集部分。

圖5 超聲脈沖發(fā)射/接收器

4 工程應(yīng)用

位于杭州灣海域的某海底原油管道在全線檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)兩處較為嚴(yán)重的變形缺陷，變形量分別達(dá)到22%、12%，工程采用管卡方式進(jìn)行修復(fù)，該維修方式要求精準(zhǔn)測(cè)量管道變形缺陷特征，以指導(dǎo)管卡的設(shè)計(jì)及安裝，因此測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性對(duì)項(xiàng)目施工十分重要。由于杭州灣海域海況條件差，是世界上三大兇險(xiǎn)海況的海域之一，水下能見(jiàn)度為零且潮差大、流速大，常規(guī)的測(cè)量方法無(wú)法實(shí)施或測(cè)量精度無(wú)法滿足工程需求。

工程中采用超聲測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了管道變形特征的測(cè)量。由同步掃查器搭載超聲測(cè)量系統(tǒng)，以掃查器作業(yè)起始點(diǎn)為原點(diǎn)建立水下坐標(biāo)系。在水下坐標(biāo)系中獲取管道表面坐標(biāo)值，進(jìn)一步建立變形管道的三維模型（見(jiàn)圖6），計(jì)算各變形特征值，得到管道的橢圓度、彎曲角度、傾斜角度等特征值，作為管卡安裝施工的數(shù)據(jù)依據(jù)，保障維修管卡的順利安裝。

圖6 管道三維模型

5 結(jié)論

1）以水下超聲測(cè)距原理為基礎(chǔ)形成的海底管道屈曲變形測(cè)量系統(tǒng)可克服高渾濁度、低能見(jiàn)度以及高流速等惡劣海況條件，實(shí)現(xiàn)管道變形特征的測(cè)量，并能夠保證工程應(yīng)用測(cè)量精度，測(cè)量數(shù)據(jù)具有明確的工程指導(dǎo)意義。

2）超聲測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量海底管道變形的精度受海底環(huán)境條件、測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法、施工條件以及配合工裝等多種因素影響，工程應(yīng)用中需要根據(jù)實(shí)際情況作相應(yīng)的參數(shù)修正。

3）海底管道變形特征的超聲法精準(zhǔn)測(cè)量結(jié)合結(jié)構(gòu)管卡安裝的維修方式是海底管道屈曲變形缺陷維修的有效手段，具有實(shí)際推廣意義。