非掩埋海底管線應用側掃聲吶系統(tǒng)檢測方法研究

劉為庭 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，海底管線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]。海底管線事故會造成人員傷害、經濟損失、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，且造成直接經濟損失超過10億美元[2]。因此，在役海底管線的安全狀態(tài)檢測具有重要意義。

2 研究現(xiàn)狀

目前，海底管線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線檢測，水下機器人受限于續(xù)航能力和檢測效率，光纖傳感受限于管線需要敷設設備和更換設備困難，已經服役管線無法敷設[4]。基于聲學探測的側掃聲吶系統(tǒng)(SSS)能夠實現(xiàn)海底地形地貌的寬覆蓋、高分辨探測[5]。因此本文將采用側掃聲吶系統(tǒng)(SSS)對非掩埋海底管線進行安全檢測。

3 海底管線檢測

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。測掃聲納系統(tǒng)采用EdgeTech 4200FS，工作原理示意如圖1所示，掠射角幾何關系如圖2所示。

工作時通過聲圖記錄量算得發(fā)射線從輸油管線影像末端分別到換能器和管線聲影區(qū)末端的長度，分別記為R和S，可得管線懸空高度h。

h=HtS/R-0.5d(1+cosβ)

(1)

其中，d為管線直徑；h為管線的懸空高度；Ht為測量船航行過程中拖魚到海床的垂直距離；β為換能器發(fā)射出的聲波掠射角。

式(1)中的S與β之間存在如下的關系式：

S=[h+0.5d(1+cosβ)]/sinβ

(2)

3.2 管線測量方法

此次管線測量實驗所在海區(qū)是淺水區(qū)，為了拖魚和測量船航行安全性的考慮，在管線測量實驗過程中，拖魚置于測量船底部在海平面以下垂直距離保持在2 m。以管線某處懸空高度為1.01 m(經過潛水員水下探摸)為例，設S=5 m為掠射角的臨界值βc的選取依據(jù)，可以由式(2)算得臨界值βc=14.4°。在本次檢測試驗中掠射角β取15°。由于海床地勢起伏海水深度變化，拖魚至海床的垂直距離Ht也隨之變化，最大為12.3 m，最小為9.9 m，由此可得拖魚與管線中心的水平距離L約為32.3 m～41.2 m。因此測掃聲納檢測航線可以布置于輸油管線中線兩側的32 m～42 m范圍內。為了對比不同距離范圍內的檢測效果，本次實驗將檢測系統(tǒng)的測線布置于距離輸油管線中心線分別為50 m，40 m，35 m，30 m，20 m處。

3.3 實驗結果及分析

通過實地檢測，獲得檢測圖像如圖3所示。獲取的檢測數(shù)據(jù)、量算數(shù)據(jù)、計算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各條側線的檢測數(shù)據(jù)及誤差

L/mβ/(°)h/m誤差δ/%2025.21.2220.83017.31.108.93515.21.075.94013.91.086.65010.80.937.9

由表1,圖3可知，海底管線懸空高度的檢測與聲波掠射角密切相關。在此次實驗中，當掠射角在15.2°時，管線懸空高度估算值的誤差最小為5.9%。此時圖像中的邊界也是最清晰的，包括管線與海底底質的影像邊界和海底底質與管線聲影區(qū)的影像邊界，見圖3b)。當掠射角大于15.2°時，管線懸空高度估算值的誤差會變大，且掠射角越大管線懸空高度估算誤差也越大，從圖像上分析，當掠射角越大，圖像中的管線影像與海底散射影像的邊界也變的越模糊，見圖3a)，致使輸油管線懸空高度值的估算精度降低。當掠射角小于15.2°時，管線懸空高度估算值的誤差也會變大，且掠射角越小管線懸空高度估算誤差也越大，從圖像上分析，當掠射角越小，圖像中的海底散射影像與管線聲影區(qū)的邊界也變的越模糊，見圖3c)，致使輸油管線懸空高度值的估算精度降低。

4 結語

通過以上實驗分析可知，海底管線懸空高度檢測與測掃聲納聲波的掠射角密切相關。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海底底質的前提下，對局部進行實驗，確定該區(qū)域較佳的掠射角范圍。但是該方法的缺點是只能檢測非掩埋海底管線。