海底管道隱患檢測：研究進展與未來展望

關(guān)鍵字：海底管道；無人潛水器；聲波探測；光纖傳感；技術(shù)升級；人工智能

中圖分類號：P751 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1329（2024）04-0197-06

隨著海上油氣勘探技術(shù)的提升和開發(fā)力度的增大，我國已陸續(xù)在近海建設(shè)了幾十個海上油氣平臺以及大量的海底管道，且呈逐年遞增的趨勢[1]（圖1a），海底管道作為連接陸海的“能源血管”，其穩(wěn)定性對能源利用安全至關(guān)重要。海底管道基本埋藏于淺地質(zhì)層內(nèi)，但由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變，海底管道通常不僅會受到腐蝕、風(fēng)暴潮、海床沖刷以及淺層氣活動等自然因素的擾動，也可能受到第三方破壞與工程質(zhì)量問題的影響（圖1b），從而引起海底管道賦存狀態(tài)發(fā)生改變，如管道破損、出露或者懸空狀態(tài)，管道長期懸跨會導(dǎo)致自身不均勻受力，并導(dǎo)致局部發(fā)生破壞，造成巨大的經(jīng)濟損失，油氣泄漏亦對海洋環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。2016年墨西哥灣發(fā)生海底管道破壞，造成約3.3×10⁵L 的石油泄漏，油污蔓延至北美洲附近海域，對周圍海洋生態(tài)環(huán)境造成了巨大的破壞[2]，據(jù)統(tǒng)計，1986—2016年間我國共發(fā)生51起海底管道破壞事故[1]。所以亟需開展海底管道隱患的檢測技術(shù)研究，確保海底管道的安全運行[3-4]。

海底管道基本埋藏于淺地質(zhì)層內(nèi)，在工程質(zhì)量或外界環(huán)境影響下，常出現(xiàn)一些潛在隱患，所以需要對海底管道進行健康檢測[5]。目前海底管道隱患的主要檢測技術(shù)包括直接檢測、聲波探測和光纖監(jiān)測三類。直接檢測包括人工潛水探摸和無人潛水器探測；聲波探測主要是利用聲波反射信號進行海底管道檢測，如多波束測深、淺地層剖面、側(cè)掃聲吶測量和合成孔徑聲吶等技術(shù)方法[6]。分布式光纖傳感系統(tǒng)則可對海底管道進行常態(tài)化監(jiān)測預(yù)警[7]，目前美國、英國、日本對無人潛水器檢測進行了較多的研究和實踐[8-10]，而我國目前還主要以地球物理探測為主，崔征科等研究了導(dǎo)航定位、多波束測深系統(tǒng)和淺地層剖面儀在海底管道檢測中協(xié)同應(yīng)用方法，并結(jié)合實測實例探討了協(xié)同應(yīng)用的適宜性和有效性[11]；蔡春麟利用參量陣淺地層剖面技術(shù)對海底管道隱患進行檢測，重點對沙包回填懸空管道后的賦存狀態(tài)進行就檢測和分析，為海底管道的隱患檢測和綜合防治提供了科學(xué)依據(jù)[12]。

本文介紹了海底管道的3類、8種檢測方法，并討論了不同檢測方法的優(yōu)勢和弊端，根據(jù)各類監(jiān)測方法的優(yōu)劣，提出了近期應(yīng)用的相關(guān)建議，最后針對我國檢測技術(shù)的薄弱項如無人潛水器技術(shù)和三維合成孔徑聲吶法提出了技術(shù)升級建議，并對人工智能賦能海底管道隱患檢測進行了展望，為未來新型技術(shù)在管道檢測應(yīng)用做鋪墊。

1直接檢測

1.1人工潛水探摸

人工潛水探摸：潛水探摸需要潛水員攜帶測量儀和記錄工具對出露或者懸跨的管道進行檢測，現(xiàn)場測量和記錄海底管道懸跨的長度和高度數(shù)據(jù)。人工直接檢測的優(yōu)勢是可精確開展測量，弊端是只能在小范圍檢測，對人身安全也有一定的隱患，且只能在淺海區(qū)作業(yè)。

1.2無人潛水器技術(shù)

無人潛水器技術(shù)基本可分為兩大類，即遙控式水下機器人（Remote Operated Vehicle，縮寫ROV）和自主式水下機器人技術(shù)（Autonomous Underwater Vehicle，縮寫AUV），在海底管道隱患調(diào)查中具有不同的應(yīng)用特點。

ROV是一種多功能遙控控制水下機器人，主要以控制系統(tǒng)、推進系統(tǒng)和各類數(shù)據(jù)采集工具組成，針對海底管道檢測，可配備相應(yīng)的傳感器，如溫度、聲學(xué)或者光學(xué)傳感器[13-14]。其優(yōu)勢是可保障人員安全，且在沿管道移動過程中全程錄像和采集數(shù)據(jù)，保障了數(shù)據(jù)的連續(xù)性；弊端是受海底環(huán)境干擾明顯，定位誤差較大。

AUV最大的特征就是可開展自主檢測。AUV與ROV最大的區(qū)別是獨立性，可以獨立操作，人工干預(yù)度小。AUV可同時完成管道形態(tài)、走向和破壞形態(tài)的測量和記錄。AUV海底管道檢測分為在線交互模式和離線自動化模式：在線模式是指AUV能夠自動化檢測海底管道并同步傳回管道的位置坐標(biāo)，并完成自動化數(shù)據(jù)處理和預(yù)警響應(yīng)；而離線模式則是預(yù)先設(shè)定好AUV的檢測路線，自動開展檢測并記錄數(shù)據(jù)。離線檢測同樣可保障人員安全，且保障了管道檢測的連續(xù)性和長距離等特點；但是弊端也很明顯，離線檢測存在一定的誤差，其次AUV監(jiān)測成本極高，尚未全面普及[15-17]。

2聲波探測

目前海底油氣管道鋪設(shè)方式均是將管道賦存于海床表面或淺地層，海床表層或淺地層經(jīng)過波浪、潮流的長期沖刷，海底地形發(fā)生侵蝕或淤積現(xiàn)象，進而導(dǎo)致管道賦存狀態(tài)發(fā)生改變，可能出現(xiàn)掩埋、懸空、平移等現(xiàn)象，與管道鋪設(shè)的原始狀態(tài)有明顯的差異。聲波探測是以聲學(xué)圖像的直接表現(xiàn)形式，是應(yīng)用最廣泛的地球物理探測方法之一，聲波法探測儀器主要包括多波束測深系統(tǒng)、淺地層剖面儀、側(cè)掃聲吶以及合成孔徑聲吶等，可用于海底地形、地貌、淺地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的探測。

2.1多波束測深系統(tǒng)探測

多波束測深系統(tǒng)是走航時發(fā)射和接收一系列垂直航向分布的聲波束，形成一條連續(xù)的與船只航向垂直的測深波束點。多波束測深法通過測量海底地形直接觀測海底管道賦存狀態(tài)（圖2a）[18]。其優(yōu)勢是檢測范圍廣，測量效果好，一般用來識別出露或懸空的大口徑管道；其弊端是對調(diào)查船要求高，受環(huán)境干擾因素多，且無法探測海底面以下的管道。

2.2淺地層剖面探測

淺地層剖面是利用聲脈沖信號在不同沉積物地層中存在不同的聲速，通過計算聲波所穿透地層傳播的時間得到地層的分布狀態(tài)。由于海底油氣管道與海底沉積層具有較大的密度差和聲速差，可用來識別掩埋、出露、懸空三種狀態(tài)油氣管道（圖2）。當(dāng)管道反射曲線位于海底面以下，管道下方地層反射信號較弱，呈現(xiàn)與管徑相同的空白窄條帶，其埋深為剖面頂部至海床面之間距離。當(dāng)管道反射曲線位于海底面以上，剖面揭示的是管道出露狀態(tài)，其反射特征和掩埋狀態(tài)類似，但管道出露高度小于管徑（圖2c）。當(dāng)管道反射曲線懸浮于海床以上，剖面揭示的是管道懸空狀態(tài)，表現(xiàn)為管道出露高度大于管徑（圖2d）[16-19]。淺地層剖面探測優(yōu)勢體現(xiàn)在可針對淺層地層結(jié)構(gòu)和管道埋深進行探測，但其弊端也比較明顯，只能垂直管道探測，效率低下。

2.3側(cè)掃聲吶探測

側(cè)掃聲吶法是發(fā)射聲波脈沖至海底面，根據(jù)返回接收的時間和傳送距離的不同，形成不同的灰度影像圖，展現(xiàn)海床表面的精細化地貌特征（圖2e～f）。側(cè)掃聲吶聲波反射強度不僅與發(fā)射的聲波波長、頻率、角度等有關(guān)外，還與海床表層的底質(zhì)物粒度和海床起伏變化等因素有關(guān)。例如：黏土組成的平滑型海床，聲波回收信號弱，則影像色調(diào)表現(xiàn)為偏弱，而基巖、礫石或砂質(zhì)組成的起伏性海床，回波信號較強，影像色調(diào)表現(xiàn)則偏深[20]。側(cè)掃聲納與多波束系統(tǒng)優(yōu)勢和弊端較為類似，僅可識別出露或懸空狀態(tài)的管道，無法獲取水深和埋藏管道的數(shù)據(jù)信息。

2.4合成孔徑聲吶法探測

合成孔徑聲吶法是側(cè)掃聲吶的升級版本，其原理是利用移動的小孔徑基陣來獲得合成孔徑，可得到極高方位方向的空間分辨力。合成孔徑聲吶含二維合成孔徑聲吶和三維合成孔徑聲吶。二維合成孔徑聲吶相較于側(cè)掃聲吶具有更高的分辨率，但仍無法穿透地層獲取地質(zhì)信息；而三維合成孔徑聲吶則基于多波束測深和淺地層剖面原理設(shè)計，是兩者的技術(shù)融合，可實現(xiàn)懸跨、出露和掩埋管道的三維影像。當(dāng)三維合成孔徑聲吶使用穿透力高的低頻聲波時，可探測到海底管線的位置和并實現(xiàn)三維成圖（圖2g），而高頻聲波則難以獲取地層內(nèi)部信息（圖2h）。相較于傳統(tǒng)聲學(xué)探測儀器，三維合成孔徑聲吶具有精度高、范圍廣、效率高等優(yōu)勢，并可探測地下非金屬管道。因此，三維合成孔徑聲吶在海底管道隱患檢測方面極具優(yōu)勢。但三維合成孔徑聲吶也存在一定的弊端，如作業(yè)成本高、系統(tǒng)復(fù)雜和環(huán)境穩(wěn)定性要求高等。

3光纖監(jiān)測

光纖傳感監(jiān)測技術(shù)主要采集海底管道的應(yīng)變、振動以及周圍環(huán)境溫度等變化，并利用光波和光纖作為信號傳播的載體和介質(zhì)傳輸至終端設(shè)備，研究人員可在終端設(shè)備上獲取數(shù)據(jù)，并分析海底管道的健康狀態(tài)[23]。光纖傳感（Fiber Optic Sensor，F(xiàn)OS）監(jiān)測技術(shù)是海底管道最有效的監(jiān)測技術(shù)之一[24]，國內(nèi)外大量學(xué)者針對光纖傳感監(jiān)測開展了研究。澳大利亞Peng等[25] 學(xué)者通過數(shù)值模擬提出了基于振動信號分析的海底管道的懸空監(jiān)測方法；韓國Kwon 等[26] 利用布里淵光時域反射儀（BOTDR）獲取海底管道的溫度和應(yīng)變信息，實現(xiàn)了海底管道的長距離實時監(jiān)測。國內(nèi)學(xué)者也對光纖傳感監(jiān)測提出了一些管道異常的算法，金偉良和邵劍文基于自回歸模型提出了海底管道應(yīng)變分析方法，并在渤海海底管道進行了應(yīng)用[27-28]；Zhao等[29-31] 學(xué)者基于主動加熱測溫法構(gòu)建了海底埋管懸空監(jiān)測與評定系統(tǒng)，該方法可通過分析海底電纜的溫度變化情況進行數(shù)據(jù)分析，并計算海底管道的懸空坐標(biāo)、長度和高度。光纖傳感監(jiān)測的優(yōu)勢在于全線常態(tài)化監(jiān)測[32]，而弊端在于成本高，且存在一定的誤差。

4未來展望

4.1近期應(yīng)用建議

根據(jù)三類海底管道檢測探測方法對比可知，三類方法各有優(yōu)勢和弊端（表1）。本文基于各類技術(shù)方法的適用條件，對比選擇近期海底管道檢測較為適用的技術(shù)方法。建議海底管道檢測分三步開展：首先，可利用分布式光纖傳感技術(shù)對海底油氣管道常態(tài)化全線監(jiān)測，實時監(jiān)控其壓力應(yīng)變、溫度等數(shù)據(jù)變化，并分析可能出現(xiàn)異常的管道段；其次，利用聲波法對可能出現(xiàn)異常的海底管道段進行區(qū)域性隱患排查，可采用兩類方式：（1）利用多波束測深系統(tǒng)和淺地層剖面儀相結(jié)合的方式，對海床和淺層地質(zhì)層進行調(diào)查，識別存在風(fēng)險的管道區(qū)；（2）利用三維合成孔徑聲吶法直接開展區(qū)域性調(diào)查，形成海床和淺層地質(zhì)層的三維影像，并分析管道風(fēng)險。兩類方法可根據(jù)海況和經(jīng)濟進行選擇，在海況差的區(qū)域選擇多波束測深系統(tǒng)和淺地層剖面相結(jié)合的方法，在海況較好的區(qū)域，盡量選擇三維合成孔徑聲吶進行調(diào)查，可獲取更加精細的數(shù)據(jù)。最后，針對管道隱患段開展人工潛水探摸或無人潛水器設(shè)備探測，根據(jù)海況和水深選擇不同方法。淺水區(qū)、海況好的區(qū)域可采用人工潛水探摸，而深海區(qū)，海洋環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域，首選ROV 遙控探測，若海洋環(huán)境極為復(fù)雜，則建議采用AUV 離線探測（圖4）。

4.2技術(shù)迭代升級

4.2.1AUV技術(shù)升級

根據(jù)上述綜述可知，AUV技術(shù)在直接探測方法中最具安全性和智能性，可針對海底管道開展離線自動化監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理和預(yù)警響應(yīng)，是未來海底管道監(jiān)測設(shè)備應(yīng)用的趨勢。然而，AUV在技術(shù)應(yīng)用上尚存在較多不足，如誤差大，成本高等，亟需開展技術(shù)升級，降低成本并提高其精確性。我國的AUV技術(shù)與國際最新技術(shù)尚有一定的差距，未來建議我國AUV海底管道探測技術(shù)向四個方向試驗和技術(shù)升級：（1）加強在深海區(qū)或者復(fù)雜海洋環(huán)境的試驗，利用極細光纖，制定更為精細的試驗網(wǎng)格，在海底管道周圍開展高精度網(wǎng)格化海底作業(yè)；（2）結(jié)合最新的智能圖像識別技術(shù)，設(shè)計更加智能化、自主化AUV探測系統(tǒng)，開展更加智能化海底管道探測；（3）由于海洋環(huán)境極為復(fù)雜，建議未來搭載更為豐富的物理、化學(xué)、生物傳感器和自動化操作機械設(shè)備，以獲取多要素綜合海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)，并執(zhí)行復(fù)雜探測和修復(fù)任務(wù)；（4）結(jié)合GPS、水聲通訊、Mesh組網(wǎng)等多維通訊方法，開展無人化裝備協(xié)同作業(yè)。

4.2.2三維合成孔徑聲吶法技術(shù)升級

聲波法探測中，僅三維合成孔徑聲吶法可形成地表到淺地層的三維影像，精確識別地形地質(zhì)情況，但是也有操作成本高，系統(tǒng)復(fù)雜，易受調(diào)查船、海洋環(huán)境等外界因素干擾等弊端，所以建議開展三方面技術(shù)升級。（1）基于GPS、超短基線、慣導(dǎo)等空海地多源數(shù)據(jù)開展運動誤差計算和補償技術(shù)。由于海洋環(huán)境復(fù)雜，三維合成孔徑聲吶法的定位和成像精度都存在較大的誤差，亟需基于多源通訊數(shù)據(jù)開展數(shù)據(jù)誤差和補償技術(shù)升級；（2）海底管道目標(biāo)特征自動化設(shè)備技術(shù)：基于智能化圖像識別技術(shù)，對海底管道的賦存狀態(tài)進行學(xué)習(xí)、分類和識別，形成自動化預(yù)警；（3）提升電子系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)成像算法，開展多通道大數(shù)據(jù)并行計算。隨著海洋探測深度和和數(shù)據(jù)精度的增長，對數(shù)據(jù)收集設(shè)備和計算處理都提出了較高的要求，亟需升級相關(guān)軟硬件設(shè)備（圖4）。

4.3人工智能賦能

人工智能技術(shù)（Artificial Intelligence，縮寫為AI）依托大數(shù)據(jù)集成和算法優(yōu)化，可開展自主深度學(xué)習(xí)、圖像識別以及智能分析等，是我國新質(zhì)生產(chǎn)力的主要發(fā)力點之一。未來海底管線探測可將人工智能應(yīng)用于分布式光纖傳感技術(shù)中。通過在光纖傳感系統(tǒng)中加入多類傳感器件構(gòu)建海底管道監(jiān)測的多模態(tài)模型，基于多類型海底管道隱患深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練，提高模型監(jiān)測的準(zhǔn)確率，從而實現(xiàn)自動化監(jiān)測和預(yù)警海底管道運營隱患問題（圖3）。

5結(jié)論和認(rèn)識

本文總結(jié)了國內(nèi)外關(guān)于海底管道的三類檢測技術(shù)，對比了直接檢測、聲波探測、光纖監(jiān)測三類方法在海底管道檢測中優(yōu)劣勢，并針對近期應(yīng)用和未來技術(shù)升級提出建議和展望，主要結(jié)論和認(rèn)識如下：

（1）人工潛水探摸適用于局部小范圍檢測；無人潛水技術(shù)（ROV、AUV）安全性高，但誤差大；多波束測深、淺地層剖面、側(cè)掃聲吶、二維合成孔徑聲吶優(yōu)勢在于測量范圍廣，劣勢在于效率低、易受海洋環(huán)境影響；三維合成孔徑聲吶和光纖監(jiān)測的監(jiān)測精度和范圍都有較明顯的優(yōu)勢，但成本較高。

（2）建議未來海底管道隱患檢測分三個階段開展：首先，采用分布式光纖傳感系統(tǒng)對海底管道進行常態(tài)化全線監(jiān)測預(yù)警；其次，當(dāng)海底管道局部發(fā)生應(yīng)變或者環(huán)境變化時，可采用多波束測深系統(tǒng)與淺地層剖面相結(jié)合或者三維合成孔徑聲吶進行區(qū)域性隱患調(diào)查；最后，采用ROV 遙控探測或AUV 離線探測開展更為精細化的調(diào)查。

（3）建議未來通過技術(shù)升級和新技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)精細化監(jiān)測、自動化探測和智慧預(yù)警：通過提升AUV 和三維合成孔徑聲吶的算法和硬件設(shè)備，同時結(jié)合多維通訊數(shù)據(jù)實現(xiàn)精細化監(jiān)測，通過加強人工智能在海底管道探測中的應(yīng)用，提升海底管道光纖傳感系統(tǒng)的自動探測和智能預(yù)警能力。

（責(zé)任編輯：趙寶成）