海底管道應用淺層剖面儀檢測方法研究

李 君 李 志,2

(1.天津市陸海測繪有限公司，天津 300304； 2.天津大學建筑工程學院，天津 300072)

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，在役海底管道的狀態(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、水下機器人技術檢測、基于光纖傳感技術的檢測方法以及基于聲學探測技術的檢測方法[3]。人工潛水局限于局部管道檢測，水下機器人受限于續(xù)行能力和檢測效率，光纖傳感受限于管道需要敷設設備和更換設備困難，已經(jīng)服役管道無法敷設[4]。基于聲學探測的淺層剖面儀(SBP)能夠實現(xiàn)海底地形地貌及地層結構探測，可以追蹤掩埋于地層內(nèi)的結構物[5,6]。因此本文將采用淺層剖面儀(SBP)對掩埋海底管道進行安全檢測。

3 海底管道檢測

3.1 檢測對象及設備工作原理

本次檢測對象為勝利油田某海底輸油管線，管線直徑為24.5 cm，管線長約0.691 km，沿管線測量方向的海水深度平均13 m，最深處14.3 m，最淺處11.9 m。本次檢測掩埋海底管道采用淺層剖面儀(SBP)，非掩埋海底管線采用多波束系統(tǒng)(MBS)和測掃聲納系統(tǒng)(SSS)。淺層剖面儀發(fā)射的聲波反射和折射示意如圖1所示。SBP通過回波反射特征，確定管道的埋置深度及懸空高度。

SBP利用通過低頻聲波脈沖在水下沉積物內(nèi)傳播和反射的不同特征，獲得海底地層的聲學剖面資料，根據(jù)聲波到達時間和反射的強度來分析探測海底地層結構變化，由此判斷地層的變化情況和分布。聲波在地層界面之間的反射強度取決于界面兩邊介質聲阻抗的差。對于不同介質，其密度分別為ρ1,ρ2，聲波在其中傳播的速度分別為v1,v2，當v1>v2，則聲波的傳播方向發(fā)生改變；反之，折射角大于入射角；當聲波垂直入射時，則不會發(fā)生折線。反射強度系數(shù)B可以表示為：

(1)

3.2 檢測方法

SBP海底管道檢測時，測線方向正交于管道軸向，搭載在船體上的換能器以球面方式向海底持續(xù)發(fā)射具有強穿透能力低頻脈沖聲波，同時接受來自地層底質中聲阻抗界面的回波反射信號，形成檢測聲圖來進行地層剖面的記錄，通過檢測聲圖及不同底質對聲波的反射特征實現(xiàn)對海底地質及管道狀態(tài)的調(diào)查。由于管道與海底底質沉積物之間的聲阻抗差異較大，故聲波在穿透管道周圍底層時管道成為聲波探測中的一個繞射點，因此聲圖記錄上的管道呈現(xiàn)出較明顯的“弧”狀繞射曲線特征(見圖2a))。海底管道應用SBP檢測，該方法僅能對管道截面進行探測，因此針對掩埋管道的數(shù)據(jù)獲取，為保證管道中心線坐標的擬合及模型的精度，SBP采樣間隔不宜過大，宜取10 m～20 m，本次試驗中，采樣間隔取10 m。

3.3 檢測結果及分析

SBP的檢測結果以高分辨率的聲吶圖像呈現(xiàn)，如圖2a)，圖2c)所示。

從圖2可知，在多波束或測掃聲納檢測大面積高效獲取管道平面坐標的基礎上(見圖2b))，以一定間距進行淺層剖面儀檢測管道剖面信息，可以直接判斷出管道與海床的相對位置關系，確定其埋置深度以及懸跨高度，為管道的安全評估提供直接判斷依據(jù)。如圖2a)所示檢測的是掩埋管道的埋深，如圖2c)所示檢測的是裸露管道。

4 結語

通過本次檢測可知，在多波束或測掃聲納檢測大面積高效獲取管道平面坐標的基礎上，淺層剖面儀作為海底管線檢測方法，以一定間距進行管道剖面信息的檢測，可以直接獲取管道的高程信息，為后期檢測結果的三維重構提供保障。