三維成像聲納在海上油田海底管道檢測中的應(yīng)用

勞海樁

摘 要：海底管道是海洋工程運(yùn)輸與儲(chǔ)存的重要組成部分，由于常年受到海水沖刷、海底侵蝕的影響，使得原本埋在海底的管線出現(xiàn)裸露和懸空，存在生產(chǎn)安全隱患。三維成像聲納是近年發(fā)展起來的一種探測新技術(shù)，具有高精度、高分辨率、實(shí)時(shí)成像的特點(diǎn)。本文將水下三維成像聲納應(yīng)用于海底管道檢測中，首先查明了海管路由區(qū)的水深、地貌情況；接著查明海管的走向、位置及分布情況；最后查明海管在海底當(dāng)前狀態(tài)，即海管懸空、裸露情況。

關(guān)鍵詞：三維成像聲納；管道檢測；工程應(yīng)用

1 引言

海上油田海況特征、淺層地質(zhì)條件以及海底松軟沉積物變形情況都十分復(fù)雜，油田所在海域內(nèi)易發(fā)生多種災(zāi)害地質(zhì)現(xiàn)象，如水下滑坡、塌陷、粉沙流、軟弱地層夾層、強(qiáng)烈起伏地形、埋藏河道等。這些災(zāi)害地質(zhì)的產(chǎn)生可能對(duì)海上構(gòu)筑物、海底管道、電纜或其他海上工程設(shè)施構(gòu)成潛在的重大威脅，導(dǎo)致嚴(yán)重的人身財(cái)產(chǎn)損失和工程事故。同時(shí)油田位于渤海無潮點(diǎn)附近，潮汐狀況復(fù)雜，潮流強(qiáng)大，風(fēng)暴潮時(shí)有發(fā)生。由于這些因素的存在，造成海上石油產(chǎn)區(qū)基本上位于較強(qiáng)侵蝕沖刷區(qū)，致使海區(qū)地形地貌復(fù)雜多變，海底管道裸露，甚至出現(xiàn)大范圍的管道懸空現(xiàn)象，海底管道在水平方向上產(chǎn)生位移，垂直方向上產(chǎn)生沉降，所有這些現(xiàn)象會(huì)給安全生產(chǎn)和環(huán)保帶來極大的隱患。

本文采用的海底管線檢測依托于海底管線檢測系統(tǒng)：利用三維成像聲納、高精度組合導(dǎo)航系統(tǒng)等探測設(shè)備，對(duì)海域15條海底管道進(jìn)行外檢測，對(duì)海管路由區(qū)的水深、地貌情況進(jìn)行調(diào)查，并查明海管的走向、位置、分布、懸空、裸露等情況。

2 三維成像聲納工作原理

三維聲納與常用的多波束測深聲納、側(cè)掃聲納的探測原理基本相同，都是通過聲波在海水中傳播的特性，通過換能器發(fā)射一定波束角的聲波脈沖，再接收回波。但是較側(cè)掃聲納與多波束的成像，三維聲納的成像原理更為復(fù)雜。側(cè)掃聲納與多波束測深聲納采用一維線陣，也就是聲納里的窄梯形里包含的信息，通過換能器的機(jī)械平移，然后連接形成二維面陣。再通過計(jì)算機(jī)的處理，將多組數(shù)據(jù)的二維面陣合成為二維圖像；三維成像聲納所使用的成像方式，通過多波束系統(tǒng)發(fā)射聲波脈沖，直接獲得二維面陣，從而在垂直、水平、距離三個(gè)方面上直接獲得分辨率，形成一組二維序列圖像，然后再使用計(jì)算機(jī)合成獲得三維圖像。

三維聲納成像，能夠在發(fā)射一次聲波脈沖后，獲取海水中目標(biāo)的水平、垂直、距離信息，得到一系列的切片圖像。切片圖像的類型一般情況下有兩種，一種是振幅圖像；另一種是距離圖像。同一時(shí)刻上，振幅圖像與距離圖像的方位是相對(duì)應(yīng)的。振幅圖像顯示的是成像方位上目標(biāo)的回波振幅信息，也就是回波強(qiáng)度信息。而距離圖像顯示的是成像方位上目標(biāo)與參考點(diǎn)的距離信息，距離圖像所獲取的三維數(shù)據(jù)則稱為程距數(shù)據(jù)（range data）。同時(shí)對(duì)兩類聲納切片圖像進(jìn)行處理可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識(shí)別與數(shù)據(jù)獲取。

3 檢測方法

海底管道檢測系統(tǒng)采用的設(shè)備主要有：三維成像聲納、組合導(dǎo)航系統(tǒng)、驗(yàn)潮儀、CTD等。組合導(dǎo)航為三維成像聲納提供大地坐標(biāo)定位、測量船的橫搖、縱搖、艏向、升沉等姿態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，實(shí)現(xiàn)連續(xù)探測，有效提升海管檢測系統(tǒng)在使用過程中的穩(wěn)定性；驗(yàn)潮儀與CTD用以提供潮位與聲速校正數(shù)據(jù)，提高探測精度。

3.1 導(dǎo)航定位

系統(tǒng)采用GPS+光纖陀螺組合導(dǎo)航方法實(shí)施導(dǎo)航定位，可提供符合國際標(biāo)準(zhǔn)的位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)。船載導(dǎo)航軟件采用OpenCPN4.2.0，可支持船舶位置與狀態(tài)顯示、船舶航行軌跡顯示、海圖載入、測線載入與修正、航行指引等多種功能。該軟件可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的各類聲納測線的布設(shè)。利用三維成像聲納測量海底管道情況時(shí)，平行于路由軸線左右各布置2條測線（測線間距分別為20m），同時(shí)沿管線路由方向布設(shè)1條測線，共計(jì)5條測線，實(shí)現(xiàn)管線左右40m的覆蓋范圍。

3.2 設(shè)備安裝與檢測

三維成像聲納采取舷側(cè)安裝方式，安裝于船體1/2處位置，安裝支架垂直末端連接二自由度云臺(tái)與三維成像聲納探頭，組合導(dǎo)航系統(tǒng)位于安裝支架頂端。在完成設(shè)備、儀器的安裝和調(diào)試后檢測船借助導(dǎo)航軟件OpenCPN4.2.0沿測線對(duì)海底管道進(jìn)行外業(yè)測量。

外業(yè)測量期間，根據(jù)驗(yàn)潮站和驗(yàn)潮儀及時(shí)記錄當(dāng)天的潮汐數(shù)據(jù)，同時(shí)保證每天早中晚至少3次聲速測量，對(duì)于跨度大于3公里的區(qū)域加測聲速，保證能很好的控制測量區(qū)域的聲速。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，通過后處理軟件及時(shí)處理潮位數(shù)據(jù)、聲速數(shù)據(jù)、安裝校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，加載完原始數(shù)據(jù)后查看聲納數(shù)據(jù)拼接是否完好，是否存在漏空現(xiàn)象等。若存在問題，及時(shí)補(bǔ)測。

外業(yè)工作完成后，確認(rèn)所有采集資料完整可靠，則在室內(nèi)對(duì)本次海底管道檢測資料進(jìn)行全面整理分析，三維成像聲納測試數(shù)據(jù)參考聲納圖譜的硬拷貝記錄及工作站的回放圖像辨別記錄上的干擾信號(hào)、噪聲及不具工程意義的回聲信號(hào)資料，判斷海底海管走向，并對(duì)海管進(jìn)行識(shí)別及定位。生成三維彩圖發(fā)現(xiàn)存在海管裸露、懸空或可疑區(qū)域。

4 檢測成果分析

經(jīng)過檢測驗(yàn)證，利用三維成像聲納檢查海底管道，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)快速探測，并將水下復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)完整、準(zhǔn)確的呈現(xiàn)在電腦終端上，可以清晰的看到海底地形、地貌情況以及海管、平臺(tái)、海管維護(hù)物等水下目標(biāo)物的狀態(tài)及分布情況，三維成像聲納相較于普通的多波束聲納和側(cè)掃聲納，具有更高的分辨率，檢測圖像更加立體、清晰，從而更易于對(duì)海管等目標(biāo)進(jìn)一步地跟蹤、識(shí)別和分析。

4.1 海底地貌檢測結(jié)果

經(jīng)過本次檢測：海上油田海管路由區(qū)域（水平段）海底以平坦、坡度平緩的平滑地貌為主，局部地區(qū)存在粗糙地貌。部分路由區(qū)域由于海管裸露以及多種治理使海底周圍的流場改變，產(chǎn)生了新的局部沖刷和淤積區(qū)進(jìn)而形成粗糙地貌。

4.2 平臺(tái)檢測結(jié)果

借助三維成像技術(shù)，三維成像聲納系統(tǒng)可以提供水下平臺(tái)外形輪廓的細(xì)節(jié)描述，對(duì)水下結(jié)構(gòu)安全檢測，排除安全隱患。通過本次檢測，輸油平臺(tái)水下部分的平臺(tái)導(dǎo)管架、立管、電纜、靠船排等完好，沒有存在損傷，平臺(tái)附近沒有發(fā)現(xiàn)障礙物。

4.3 海管治理效果檢測結(jié)果

檢測管道治理后埋藏狀況，就是檢查海底管道經(jīng)過治理后管道上方覆蓋的保護(hù)層是否達(dá)到施工的要求。本次海管檢測主要發(fā)現(xiàn)海管進(jìn)行三種治理：連鎖排、拋砂以及挖溝治理。海管經(jīng)過連鎖排治理后的檢測效果，可以清晰看到裸露管道左側(cè)部分已被連鎖排覆蓋，治理效果較好；立管處經(jīng)過拋砂治理后的檢測效果，立管基本被砂石覆蓋，治理效果較好；海管經(jīng)過挖溝治理后的檢測效果，溝內(nèi)管道上方沉積物自然回淤狀況欠佳，管道依然處于裸露狀態(tài)。

5 結(jié)論

三維成像聲納在作業(yè)中規(guī)避了潛水員水下探摸存在的人身安全隱患，此外在精度、效率、點(diǎn)云密度方面上，相比其它側(cè)掃聲納以及多波束測深聲納檢測性能有較大幅度的提升。三維成像聲納是全面、系統(tǒng)地進(jìn)行水下檢測的一種重要技術(shù)手段，在海底管道檢測中具有廣闊的應(yīng)用前景。

從本次檢測獲得的數(shù)據(jù)資料來看，三維成像聲納揭示出了海底管道的所在位置和裸露、懸空狀況。在海底管道檢測中的良好效果，為下一步的管道維護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。還可對(duì)平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)安全檢測，排除安全隱患。此外三維成像聲納能夠檢測管道治理后埋藏狀況，為治理維護(hù)是否達(dá)到施工的要求提供依據(jù)。

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