三維成像聲吶在海底管道懸跨治理中的應用

趙百龍*

（海洋石油工程股份有限公司）

隨著我國海洋油氣資源的開發和利用，海底管道日益增多。海底管道鋪設于海床表面以后，受各種因素的影響，會不可避免地出現懸跨現象，在環境或其他條件共同作用下，懸空長度會持續增加，造成海底管道的破壞。因此需要定期采用對海底管道進行檢測和懸跨治理。三維成像聲納應用于海底管道懸跨治理，不僅能夠獲取海底管道懸跨情況的準確數據和清晰三維圖像，同時能夠實時跟蹤目標物，指導懸跨治理水下作業，可以極大提高懸跨治理作業質量和效率，具有較高的推廣價值。因此，以渤海某海底管道懸跨治理工程為例，介紹了三維成像聲納在海底管道懸跨治理中的應用。

1 三維成像聲吶工作原理

三維成像聲納與普通聲吶工作原理一致，都是基于聲波在海水中傳播的特性。聲納頭發射聲波，聲波遇到障礙物后反射，聲納接收設備接收到這些信息后，根據不同的物體反射聲信號的強度和頻譜不同，利用計算機的聲納軟件把接收到的信息以圖像的形式顯示在顯示屏上。

而三維成像聲納使用的成像方式，可以直接獲得二維面陣，從而在垂直、水平、距離三個方面直接獲得分辨率，形成一組二維序列圖像，再通過計算機合成具有高分辨率的三維圖像，測量數據經數字化處理后嵌入到三維圖像中，圖像包含的距離和方位等數據，可以顯示更多水下目標的細節描述。不僅如此，三維成像聲吶還能夠在目標物與聲納進行相對運動的情況下，實時將聲納掃描得到的數據以圖像的形式展現在終端顯示器上。

三維成像聲吶具有以下優點：首先，能夠將復雜的三維結構完整、準確地呈現在電腦終端上，圖像比二維結構更加立體、清晰；其次，將水下探測、跟蹤以及成像三項工作融為一體，只要沒有超出探測范圍，就可以實時調整觀察角度，獲取最優化的三維圖像，不僅可以測量三維數據，配合GPS 導航系統時，還可以獲得圖像上點位的大地坐標；最后，該技術利用聲波原理，不會受到水質的影響，即使水下能見度為零，也可以正常工作，并且成像質量不會受到影響。

2 三維成像聲吶應用實例

渤海海域某海底管道距離陸地20 km 處，海底地形地貌發生變化，致使該段海底管道懸空于海底形成懸跨，經初步調查，海底管道部分位置懸空嚴重，需要進行海底管道懸跨治理。

該項目采用三維成像聲吶對存在懸跨的海底管道進行全面掃測調查，從而獲取該段海底管道懸跨情況。在懸跨較大的位置進行沙袋回填，將懸跨位置墊實填平，以支撐海底管道，避免管道懸空。全部懸跨位置回填完成后，在海底管道兩側擺放水泥壓塊，防止來往船舶拋錨拖拉對海底管道造成破壞。懸跨治理完成后，采用三維成像聲吶對該段海底管道懸跨治理情況進行掃測復查，合格后進行工程驗收。

以往懸跨治理通常采用水下定位信標引導和潛水員水下確認的方式來擺放沙袋和水泥壓塊。水下信標信號跳動幅度大（1～2 m），潛水員在水下確認擺放位置時，只能通過個人感官判斷海底管道的相對位置，作業誤差大、耗時長，并難以擺放整齊，而且潛水作業受限于潛水時間，在強潮汐或大潮汛期間，一天的潛水作業時間僅為幾個小時。與以往懸跨治理相比，采用三維成像技術引導壓塊擺放，可以極大減少潛水員工作量，擺脫潛水時間限制，而且壓塊擺放整齊，極大地提高了懸跨治理的作業效率和質量。

3 三維成像聲吶在海底管道懸跨治理中的應用

3.1 海底管道懸跨調查

船舶首先在海底管道懸跨位置處就位，船舷側平行于海底管道。在甲板上將三維成像聲吶的各設備線纜連接并接入GPS 導航設備，將聲吶發射接收設備安裝固定在船舷的收放支架上，下放支架直至聲吶發射接收設備超過船底至少2 m，從而避免船底影響聲吶信號的發射和接收。設備安裝和調試完成后，船舶沿平行于海底管道的方向移動對海底管道懸跨段進行掃測調查，獲得海底管道懸跨影像和數據，如圖1所示。

圖1 三維聲吶懸跨檢測成像圖

收集整理獲得的海底管道懸跨信息，包括海管懸空凹坑相對與明顯參照物（如法蘭等）的相對位置距離，海底管道懸跨凹坑的長、寬、深等數據，為海底管道懸跨治理提供數據支持。

3.2 沙袋回填

根據海底管道的懸跨信息，現場工程師需估算填放的沙袋數量，甲板輔助工人將沙袋裝入網兜，吊機將網兜吊至海底管道懸跨點附近位置，三維成像聲吶實時監測，引導指揮吊機將沙袋網兜移至懸跨點位置處，吊機下放沙袋網兜，直至沙袋網兜在海床上完全著泥后，解除網兜與吊機連接的吊索具。而在網兜無法擺放的位置，可先將網兜置于一側，潛水員下水人工從網兜內搬運沙袋將凹坑墊實填平，如此重復，直至將全部海底管道懸跨位置都填放沙袋。

3.3 水泥壓塊擺放

沙袋回填完成后，在電腦端三維成形圖像上預先設置好水泥壓塊擺放的預定位置。吊機通過水泥壓塊吊架，將甲板上的水泥壓塊吊放入水，先將水泥壓塊下放至預定擺放位置上方2 m 處，根據實時三維聲吶監測圖像，指揮吊機調整水泥壓塊位置，使水泥壓塊與預定擺放位置對齊。緩慢下放水泥壓塊，同時三維成像聲吶調整不同的觀察角度，實時監控水泥壓塊的下放姿態，根據觀察到的水泥壓塊偏移情況指揮吊機及時調整水泥壓塊位置，最終將水泥壓塊擺放在預定的位置。下放水泥壓塊直至吊機噸位顯示為0，即水泥壓塊完全著泥。此時停止下放，三維成像聲吶再次調整不同觀察角度，確認壓塊是否擺放到位。若壓塊擺放到位，則利用壓塊自動釋放裝置將壓塊釋放，回收吊架至甲板，快速起吊甲板預先擺好的下一組壓塊進行下一次擺放；若壓塊未擺放到位，則重新提起，再次按照以上步驟進行下放，直至壓塊擺放到位。

3.4 懸跨治理效果后檢查

懸跨治理完成后，調整船位至海底管道懸跨治理的初始位置，船舶再次沿平行于海底管道的方向移動，對治理過的海底管道懸跨情況進行掃測復查，合格后進行工程驗收。

4 結論

在海底管道懸跨治理作業中，沙袋回填和水泥壓塊擺放是常用的方式。采用三維成像聲吶引導沙袋回填和水泥壓塊擺放，有效減少了潛水員的水下工作量，擺脫了潛水時間限制，提高了海底管道懸跨治理的作業效率和質量，因此具有很好的推廣價值。