基于電磁擬合算法的水下穿越管道檢測系統(tǒng)（DEEP SEE SYSTEM）應(yīng)用研究

王立明 杜 邵 何世亮 阮偉東，3

（1. 廣西天然氣管道有限責(zé)任公司，廣西 北海 536000；2. 寧波市慧通管道科技有限公司，浙江 寧波 315600；3. 浙江工業(yè)大學(xué)，浙江 杭州 310023）

0 引言

在過去的幾十年間，我國已經(jīng)建造了數(shù)千公里的海底管線以及約13萬公里的陸地長輸油氣管道。隨著我國天然氣消費需求的不斷增大及環(huán)保要求的不斷提高，我國天然氣管道的里程數(shù)將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，預(yù)計“十三五”到“十四五”期間，中國油氣管網(wǎng)主干道總投資將達(dá)到16000億元，新建10多萬公里管道，我國長輸油氣管道總里程將超過30萬公里。

在長距離油氣管道輸送中，由于我國的地理環(huán)境，穿越河流的管道比其他穿越管道的頻次高、距離長，是長輸油氣管道建設(shè)中不可避免的一項關(guān)鍵工程，也是長輸管道安全的薄弱環(huán)節(jié)之一，穿越段常年受河水沖刷，特別是洪水季節(jié)，河床擺動、河岸崩塌等引起的穿越管段橫向與縱向變形，時間長了管道存在裸露的風(fēng)險，從而導(dǎo)致管道發(fā)生漂浮及第三方破壞，且在日后管理中很難掌握其工作狀態(tài)和運行變化規(guī)律。

尤其是定向鉆及大開挖施工技術(shù)成熟后，對于一些大型定向鉆河流穿越管道，管道埋深變化范圍非常大，有的甚至達(dá)到20～30m，市場上現(xiàn)有的探測埋深的儀器設(shè)備普遍存在埋深檢測深度不足、精度不高、防腐層缺陷檢測困難等諸多問題，難以滿足技術(shù)上的需求，水下穿越管道及定向鉆穿越管道的檢測已經(jīng)成為管道檢測檢驗領(lǐng)域面臨的新技術(shù)難點。

目前國內(nèi)外學(xué)者對管道的檢測進(jìn)行了較為廣泛的研究，但是對水下穿越管道及大埋深管道的探測方法研究不多，國際上目前主要采用美國ONE-PASS 水下管道檢測系統(tǒng)進(jìn)行檢測。天津市嘉信技術(shù)工程公司研發(fā)將管道探測技術(shù)融合到水下ROV設(shè)備中，發(fā)明了River ROV（Remote Operated Vehicle）水下管道檢測裝置，該系統(tǒng)屬于纜控水下機器人檢測裝置，由水上控制顯示終端和水下檢測裝置組成，水上和水下部分通過臍帶纜實現(xiàn)連接，由發(fā)動機提供動力[1]。

寧波市慧通管道科技有限公司以電磁法為基礎(chǔ)，研究了基于動態(tài)算法的大埋深管道計算方法，并基于此技術(shù)開發(fā)了水下穿越管道檢測系統(tǒng)DEEP SEE SYSTEM。

1 概述穿越河流管道檢測方法

根據(jù)GB/T 373692-2019《埋地鋼質(zhì)管道穿跨越段檢驗與評價》[2]附表B，目前對于穿越河流管道的檢測方法主要有四種，分別為電磁擬合技術(shù)法、電磁固定公式法、IMU法與水下管道檢測裝置法（如表1所示）。

表1 穿越段埋深測量技術(shù)適用性選擇（穿越方式）

1.1 電磁法+擬合公式

電磁法擬合技術(shù)以美國ONE-PASS產(chǎn)品與寧波市慧通管道科技有限公司開發(fā)的DEEP-SEE系統(tǒng)為代表。

在穿越河流管道兩端的測試樁處，用電纜將管道連接為閉合回路，發(fā)射機給管道一定頻率的電磁信號，接收機采用電磁峰值法，接受管道上方的信號值，在穿越河流段采用皮劃艇輔助方式，沿管道S形路徑穿越管道，從而收集管道信號值，并根據(jù)信號衰減模型計算深度。同時，聲納采集水深，GPS對采集點的坐標(biāo)進(jìn)行記錄。

該方法的優(yōu)點是可以計算管道大埋深，但是操作程序繁瑣，工序較多。為了盡量降低人為因素的影響，DEEP SEE系統(tǒng)開發(fā)了數(shù)據(jù)自動實時采集功能，在河流作業(yè)時系統(tǒng)直接自動采集數(shù)據(jù)，并且將GPS信號/電磁信號/聲納數(shù)據(jù)三者實時匹配，提高了數(shù)據(jù)采集的精確性。

1.2 電磁法+固定公式

該方法是計算管道埋深的經(jīng)典方法，以英國雷迪公司產(chǎn)品為代表，其利用處于管道正上方具有一定間距的兩個水平線圈同時測試不同高度位置處管道水平磁場強度信號，并將信號值代入相應(yīng)的計算公式中，即可直接計算出管道的檢測深度。在計算過程中，與計算相關(guān)的參數(shù)（例如土壤電阻率、磁導(dǎo)率、修正系數(shù)等）是通過大量的實驗和應(yīng)用經(jīng)驗選取得到的。采用該方法可實現(xiàn)管道檢測深度的實時顯示，操作簡單方便。

目前市面上絕大多數(shù)管道檢測設(shè)備的埋深計算均是基于此方法，以RD雷迪系列產(chǎn)品為例，在幾十年的發(fā)展過程中，其不斷對靜態(tài)計算方法的參數(shù)進(jìn)行修正，使埋深的檢測范圍提升至8m左右。

1.3 水下管道檢測裝置

水下穿越管道檢測裝置，以天津市嘉信技術(shù)工程公司研發(fā)的River ROV（Remote Operated Vehicle）水下檢測系統(tǒng)為代表，該系統(tǒng)整合了管道定位、陰保電位測量、電位梯度檢測、管道埋深測量、DGPS定位等技術(shù)手段，集成度高，克服了檢測中的水深問題，但是管道埋深計算仍然采用的是靜態(tài)計算方法，不能應(yīng)用于大埋深管道，且管道平面定位精度為±0.5m，精度不高。

2 水下穿越管道DEEP SEE系統(tǒng)介紹

2.1 DEEP SEE系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，水下穿越管道DEEP SEE檢測系統(tǒng)由高精度測繪系統(tǒng)、埋深測量及定位系統(tǒng)、聲納水深測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)四部分組成。DEEP SEE系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 DEEP SEE系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

圖1 助劑加注裝置簡圖

如圖2所示，低頻大功率電磁發(fā)射機主要輸出256HZ，512HZ，1000HZ及3000HZ頻率的電流，輸出電流由1A～5A電流不等。

圖2 DEEP SEE系統(tǒng)信號發(fā)射機

信號接收機（如圖3所示）包括信號接受探棒、信號接收器、探棒里面內(nèi)置水平信號接收器與垂直信號接收機，可以同時顯示水平信號與垂直信號大小及方向。

圖3 DEEP SEE系統(tǒng)信號接收系統(tǒng)

2.2 動態(tài)計算方法

電磁信號擬合法主要是基于電磁信號隨著管道和接收天線系統(tǒng)之間距離的增加，信號的振幅遞減的原理，從而計算分析管道的埋深。

采用定位管道及埋深檢測，聲納技術(shù)測量水深并測繪河床等高線，輔以實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)（RTK），將發(fā)射機、接收機、測深儀和GPS組合應(yīng)用于水下穿越段管道檢測的實時定位和同步采集。

動態(tài)計算法主要是基于管道上的低頻電磁信號，通過已經(jīng)獲知的電磁信號衰減計算模型，根據(jù)岸上校準(zhǔn)點的數(shù)據(jù)不斷修正計算模型（如圖4所示），同時分析不同模型的擬合度與殘差，從而獲得本次檢測河流適用的最佳模型。

圖4 電磁信號衰減曲線

通過該修正擬合模型，分析計算檢測河流管道的埋深。

2.3 檢測實施過程

如圖5所示，DEEP SEE系統(tǒng)水下檢測實施流程主要包含四大部分：（1）前期準(zhǔn)備工作；（2）陸上數(shù)據(jù)采集；（3）水下數(shù)據(jù)采集；（4）數(shù)據(jù)處理與繪圖。

圖5 DEEP SEE系統(tǒng)水下檢測實施流程

2.3.1 前期準(zhǔn)備工作

DEEP SEE系統(tǒng)檢測流程主要分為9個步驟，其中第1～第5個步驟為準(zhǔn)備工作，可以在不同的時間窗口完成，但是第5～第8個步驟一定要在同一個窗口或者時間段完成，就是為了避免不同時間段管道所處環(huán)境變化帶來的電磁信號發(fā)生變化。其中，前5個步驟分別為：

（1）資料收集與現(xiàn)場勘察；

（2）測試樁回路連接；

（3）校準(zhǔn)點打孔及信號采集；

（4）GPS設(shè)備架設(shè)；

（5）岸上管道走向標(biāo)記。

2.3.2 陸上數(shù)據(jù)采集

陸上數(shù)據(jù)采集主要是采集已選取的校準(zhǔn)點及陸地地形的代表點位置的GPS坐標(biāo)，以方便在后期制圖中，能夠完整的顯示出穿越段兩端管道走向及所經(jīng)地形變化。

（1）從測量起始點開始向岸邊進(jìn)行管道定位，每隔10～50m安裝一個標(biāo)識牌，進(jìn)行記錄每個標(biāo)識樁牌的編號、所在位置管道信號值及GPS坐標(biāo)直到岸邊，測量點的位置完全按照DM探測的管道位置進(jìn)行打點記錄；

（2）在特殊地形處，例如堤岸、護(hù)坡、河岸處、管道標(biāo)志樁、轉(zhuǎn)角樁、測試樁、可通行區(qū)的建筑、公路、橋梁，交叉管道等特殊的點，進(jìn)行標(biāo)記，以保證后期制圖中能夠顯示出管道走向及地形變化；

（3）同樣的工作要在河流對岸進(jìn)行。

2.3.3 水下數(shù)據(jù)采集

在進(jìn)行水下管道數(shù)據(jù)采集時，將信號接收機、聲納系統(tǒng)及GPS系統(tǒng)設(shè)置連接于電腦上，軟件設(shè)置完成并測試保證所有數(shù)據(jù)采集無誤，DEEP SEE系統(tǒng)將自動化采集管道電磁信號與聲納數(shù)據(jù)及GPS坐標(biāo)，三者數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時匹配，從而精確地測量出管道正上方管道的水深、坐標(biāo)值以及電磁信號值。

數(shù)據(jù)采集過程中，皮劃艇以S形軌跡行駛，行駛軌跡會出現(xiàn)在測試屏幕中（如圖6所示）。

圖6 DEEP SEE系統(tǒng)水上數(shù)據(jù)采集過程

其中一人駕駛船只，控制船只使其沿S形軌跡行駛，行駛中注意保證切割間距為3～5m（視具體情況而定），在經(jīng)過管道時盡量垂直經(jīng)過管道，如船體無法垂直管道通過，則一定保證管線儀接收器垂直于管道走向。

2.3.4 數(shù)據(jù)處理與繪圖

在采集完成陸上管道與水下管道的數(shù)據(jù)之后，采用校準(zhǔn)點處的修正擬合模型，對陸上管道與水下管道的埋深進(jìn)行反演計算分析，并繪制管道平面圖與剖面圖。

3 穿越河流管道檢測示范應(yīng)用

3.1 管道信息

某油氣管道采用大開挖直埋的方式沿西-東方向穿越九州江敷設(shè)。穿越管段管道材質(zhì)選用L450，規(guī)格為φ711mm，壁厚為11.1mm，設(shè)計壓力8.0MPa，當(dāng)前運行壓力為2.4MPa，本次檢測穿越管段長度約為500m，于年2011年10月投產(chǎn)使用，管道采用3PE防腐層，采用外加電流陰極保護(hù)。

3.2 檢測結(jié)果

經(jīng)現(xiàn)場檢測，穿越段存在多處淺埋和露管的管段。圖7和圖8分別為穿越管段平面圖和剖面圖。其中，淺埋段：測點15～18淺埋，長度20m；測點25～29淺埋，長度約50m；測點32～34淺埋，長度27.5m；測點41～43之間淺埋，長度估約15m；露管段：測點19～24露管，長度約37m。

圖7 穿越管道平面走向

圖8 穿越管道剖面圖

3.3 聲納復(fù)核

通過DEEP SEE系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)管道存在露管的情況，為了進(jìn)一步核實檢測情況，并確認(rèn)管道是否存在懸空以及懸空高度等信息，采用水下機器人搭載多波束程序聲納對管道進(jìn)行側(cè)掃。

采用多波束成像系統(tǒng)，采用兩種方式對管道進(jìn)行勘察。一種是從管道上方沿著管道從西岸一直勘察到管道東岸；第二種方式是采用側(cè)掃（多波束方向垂直于管道，ROV在管道側(cè)面）的方式從管道的西岸一直側(cè)掃到管道東岸，發(fā)現(xiàn)西岸存在露管（如圖9所示），距離西岸入水點位置約30m處開始，露管合計約37m，距離西岸入河點約67m左右結(jié)束，與DEEP SEE系統(tǒng)檢測結(jié)果吻合。

圖9 多波束成像側(cè)掃露管

3.4 結(jié)果評定

經(jīng)現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)陸上管道埋深均大于0.8m。依據(jù)GB 50253-2014《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》[3]，符合設(shè)計規(guī)范要求。

表3 管溝穿越水域的管頂埋深（m）

依據(jù)GB 50423-2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》[4]，該穿越管段穿越類型為大型穿越，參考大型穿越設(shè)計規(guī)范，該管段所處河流為無沖刷或疏浚的水域，最小埋深值≥1.5m方可滿足要求。

經(jīng)現(xiàn)場檢測，穿越段存在多處淺埋和露管的管段。其中，淺埋段：測點15～18淺埋，長度20m；測點25～29淺埋，長度約50m；測點32～34淺埋，長度27.5m；測點41～43之間淺埋，長度估約15m；露管段：測點19～24露管，長度約37m。

4 檢測關(guān)鍵因素分析

4.1 環(huán)境影響因素分析

在對管道進(jìn)行檢測過程中，管道與電纜線連接成為閉合回路。在檢測過程中，閉合回路的電阻會隨著現(xiàn)場環(huán)境的變化而發(fā)生變化，比如下雨等造成土壤電阻的變化等，導(dǎo)致閉合回路電流信號的變化，因此在檢測中，信號采集過程與校準(zhǔn)點信號拔高必須保證在同一窗口期完成，且信號采集完成后，需要對校準(zhǔn)點的信號進(jìn)行復(fù)核。

4.2 采集過程誤差分析

在對管道上方電信號采集時，需要保證采集點是管道正上方且接收機必須垂直于管道的走向，這樣采集的信號才是最大值。

在對岸上管道信號采集時，可以很好的掌握探棒的方向，很好的保證采集的準(zhǔn)確性。但是在水面對管道采集過程時，無法確認(rèn)管道的具體走向，因此在采集時需要時刻注意采集軟件中船舶行駛的方向與管道走向的位置，盡可能的保證探棒垂直于管道的走向。否則采集的數(shù)據(jù)不是管道正上方的最大值，對埋深的反演計算會有誤差。

5 結(jié)語

針對河流穿越管道，本文對水下穿越管道檢測方法進(jìn)行了闡述，結(jié)合工程實際，采用基于電磁擬合技術(shù)的DEEP SEE系統(tǒng)對某穿江管道的埋深進(jìn)行了實際工程應(yīng)用，并采用多波束成像聲納進(jìn)行了露管復(fù)核，發(fā)現(xiàn)基于電磁擬合法的技術(shù)可以有效實現(xiàn)大埋深管道的檢測，DEEP SEE系統(tǒng)可以實現(xiàn)對河流穿越管道的位置與埋深的精確探測，為管道安全狀態(tài)提供技術(shù)指導(dǎo)，應(yīng)用前景良好。

對于大開挖敷設(shè)的水下穿越管道，建議在檢測完成之后，采用多波束成像系統(tǒng)進(jìn)行全線側(cè)掃，進(jìn)一步確認(rèn)管道的露管或懸空情況。

目前，國內(nèi)長輸油氣管道檢測檢驗中，并未實現(xiàn)對水下穿越管道的檢測，建議對水下穿越管道的信息進(jìn)行收集，并定期對水下管道進(jìn)行檢測，建立管理數(shù)據(jù)庫，從而實現(xiàn)對水下穿越管道的實時監(jiān)控與分析，為水下管道安全運行提供保障。