非掩埋海底管道應用多波束系統單探頭檢測方法研究

葉作安 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和利用，海底管道已成為海洋油氣資源開發中的重要組成部分。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、經濟損失、環境污染及社會問題，維修處理的難度及成本也非常大[2]。2010年墨西哥灣發生的“深水地平線”事故對該地區的海洋物種造成嚴重傷害，且造成直接經濟損失超過10億美元[2]。因此，在役海底管道的安全狀態檢測具有重要意義。

2 研究現狀

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航能力和檢測效率，光纖傳感受限于管道需要敷設設備和更換設備困難，已經服役管道無法敷設[4]。基于聲學探測的多波束系統(MBS)能夠實現海底結構物探測[5]。因此本文將采用多波束系統(MBS)單探頭對非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。多波束系統采用Sonic2024多波束測深儀，輔助設備由DGPS導航定位系統、Octans光纖羅經、姿態傳感器MUR、聲速剖面儀SVP組成，結合數據處理系統實現海底管道狀態的精確檢測。多波束系統單探頭工作原理示意見圖1。

工作時多波束系統的空間分辨率可以表示為：

(1)

其中，α，φ分別為多波束系統橫向、縱向單一波束的發射角；Ht為換能器正下方水深；θ為最邊緣入射波束與豎直方向夾角，此時波束開角為2θ；c為聲速；t為水平方向上最近聲脈沖與邊緣波束到達的時間差。

由式(1)可知，多波束橫向分辨率σy與水深Ht、波束開角2θ及橫向波束角α有關。取最邊緣波束所對應的邊緣波束腳印寬度為橫向分辨率，其應不大于被測海底管道的直徑D，即σy≤D，即：

(2)

由式(2)得到不同管徑下臨界波束開角2θ與水深Ht之間的關系如圖2所示。

3.2 檢測方法

根據目標管道D、檢測水域水文資料及系統空間分辨率，由式(2)通過對多波束系統的波束開角優化計算得臨界波束開角為94.3°。本次試驗所采用的多波束單探頭測深儀，其波束最大開角為160°，且10°～160°在線連續可調，試驗將波束開角分別設計為130°(工程中常用)與95°進行檢測對比試驗。由于本次試驗不研究航速對檢測結果的影響，且為確保試驗數據的可靠性及穩定性，本次試驗測量船航速設計為5節，進而以達到更佳的檢測效果。

3.3 檢測結果及分析

檢測結果以2D聲圖進行表達，如圖3所示。

從圖3分析可知，單探頭多波束系統邊緣波束質量較差，在掃測過程中的測線與目標管道軸線之間存在偏差，使管道偏離波束密集區域，較差的邊緣波束嚴重影響了檢測數據質量及結果的可靠性，導致檢測圖像中出現大量盲點。由圖3a)與圖3b)對比分析可知，波束開角對單探頭多波束系統管道檢測結果有一定影響，較小波束開角下管道檢測盲區有減少，邊緣波束質量有一定提高，增加了檢測結果的可靠性及穩定性。

4 結語

通過以上實驗分析可知，單探頭多波束系統檢測非掩埋海底管道，檢測效果與波束開角有關。因此為了獲得相對更高精度的檢測結果，在檢測之前需要詳細了解管道直徑以及管道的深度，確定合適的波束開角，以增強圖像中管道邊界而提高檢測質量。但是該方法的缺點是只能檢測非掩埋海底管道。