基于聲波探測(cè)的海底管道非掩埋狀態(tài)檢測(cè)方法

熊春寶,李 志,孫 軒,丁建棣,陳小華

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300350; 2.南開(kāi)大學(xué)周恩來(lái)政府管理學(xué)院,天津 300350; 3.天津市陸海測(cè)繪有限公司,天津 300191)

基于聲波探測(cè)的海底管道非掩埋狀態(tài)檢測(cè)方法

熊春寶1,李 志1,孫 軒2,丁建棣1,陳小華3

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300350; 2.南開(kāi)大學(xué)周恩來(lái)政府管理學(xué)院,天津 300350; 3.天津市陸海測(cè)繪有限公司,天津 300191)

基于聲波探測(cè)技術(shù),提出一種對(duì)海底管道非掩埋狀態(tài)進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)的方法,以山東勝利油田某海底輸油管道為對(duì)象,設(shè)計(jì)一種雙聲納探頭多波束測(cè)深系統(tǒng),并聯(lián)合側(cè)掃聲納系統(tǒng),通過(guò)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行分析、優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)海底管道非掩埋狀態(tài)的高效精確檢測(cè)。分析檢測(cè)結(jié)果表明:基于雙聲納探頭多波束系統(tǒng)的海底管道檢測(cè)可獲得高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù),顯著提高了管道檢測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及可靠性;側(cè)掃聲納系統(tǒng)的良好檢測(cè)效果有賴(lài)于其聲波掠射角的最佳取值;參數(shù)優(yōu)化后的聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)效率得到顯著提高,能夠精確判斷出管道的實(shí)際狀態(tài)。

多波束系統(tǒng);側(cè)掃聲納;海底管道;非掩埋狀態(tài);參數(shù)優(yōu)化;聯(lián)合檢測(cè)方法

由于海床常年遭受波浪、海流沖刷等作用,因此海底管道服役環(huán)境惡劣,容易出現(xiàn)非掩埋(裸露及懸空)狀態(tài)[1]。裸露及懸空于海床面之上的管道受海潮流沖擊,形成較大的拉力,當(dāng)裸露或懸空跨度足夠長(zhǎng),造成管道形變過(guò)大及內(nèi)應(yīng)力大幅增加,易產(chǎn)生疲勞振動(dòng),甚至引起管道斷裂[2-5],嚴(yán)重威脅海上油氣生產(chǎn)安全,因此亟需采用合適的檢測(cè)方法對(duì)海底管道的精確狀態(tài)進(jìn)行安全檢測(cè)[6-8]。

基于聲波探測(cè)的多波束測(cè)深系統(tǒng)及側(cè)掃聲納系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了海底地形地貌的寬覆蓋、高分辨探測(cè),成為海底管道非掩埋狀態(tài)檢測(cè)中不可或缺的檢測(cè)設(shè)備[9-10]。然而,在檢測(cè)過(guò)程中,由于系統(tǒng)自身及海況環(huán)境的復(fù)雜性以及檢測(cè)數(shù)據(jù)的海量性,使其在應(yīng)用過(guò)程中存在以下問(wèn)題[11-15]:(a)傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)在進(jìn)行檢測(cè)時(shí),由于受波束開(kāi)角的影響,多波束系統(tǒng)邊緣波束逐漸發(fā)散,嚴(yán)重影響多波束測(cè)深數(shù)據(jù)精度,從而給位于海溝等復(fù)雜海底地形的非掩埋管道的檢測(cè)帶來(lái)困難;(b)側(cè)掃聲納的聲波掠射角對(duì)于檢測(cè)效果的影響很大,但在海底管道狀態(tài)檢測(cè)時(shí)往往被忽略,導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)偏差;(c)基于側(cè)掃聲納及多波束系統(tǒng)的管道狀態(tài)檢測(cè)中,單一的檢測(cè)方法因受工作原理的限制,往往只能確定海底管道的部分特征,很難全面反映管道的實(shí)際狀態(tài)。

針對(duì)上述海底管道非掩埋狀態(tài)檢測(cè)方面存在的不足,基于聲波探測(cè)技術(shù),設(shè)計(jì)了雙聲納探頭多波束系統(tǒng)及側(cè)掃聲納系統(tǒng)聯(lián)合檢測(cè)方法,通過(guò)分析多波束系統(tǒng)的波束開(kāi)角及側(cè)掃聲納系統(tǒng)的聲波掠射角對(duì)于檢測(cè)精度和檢測(cè)效果的影響,對(duì)系統(tǒng)的這2個(gè)重要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),通過(guò)對(duì)山東勝利油田某海底管道狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn),以驗(yàn)證所提聯(lián)合檢測(cè)方法的可行性和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。

1 聯(lián)合檢測(cè)方法原理

1.1側(cè)掃聲納系統(tǒng)

側(cè)掃聲納通過(guò)拖魚(yú)上的換能器向沿航跡兩側(cè)方向發(fā)射高頻聲脈沖,當(dāng)聲波碰到海底界面時(shí)發(fā)生散射,根據(jù)回波信號(hào)的強(qiáng)弱,形成海底地貌特征圖。側(cè)掃聲納對(duì)非掩埋的海底管道進(jìn)行檢測(cè)時(shí),海床的影像呈灰色,由于管道產(chǎn)生的散射較強(qiáng),在聲圖上顯示為黑色的條狀目標(biāo)物,受到管道遮擋的海床,接收不到聲脈沖,其聲線受到屏蔽,在聲圖上顯示為白色的聲影區(qū),因此可根據(jù)側(cè)掃聲納的聲圖來(lái)確定管道的位置狀態(tài)[16]。

1.2雙探頭多波束系統(tǒng)

多波束測(cè)深儀向海底發(fā)射一個(gè)由數(shù)百個(gè)單波束組成的扇形波束,該扇形波束垂直于航跡線分布,扇形角稱(chēng)為波束開(kāi)角。當(dāng)采用多波束系統(tǒng)進(jìn)行海底管道檢測(cè)時(shí),減小波束開(kāi)角,能有效提高檢測(cè)分辨率,但由于掃測(cè)寬度變窄,檢測(cè)效率降低;反之,當(dāng)增大波束開(kāi)角時(shí),邊緣波束的回波信號(hào)密度迅速降低,其信號(hào)質(zhì)量嚴(yán)重降低,且對(duì)其他波束的回波信號(hào)造成干擾,形成噪聲,導(dǎo)致多波束測(cè)深數(shù)據(jù)存在一定數(shù)量的異常值,這些異常值嚴(yán)重影響檢測(cè)結(jié)果。因此,需對(duì)多波束數(shù)據(jù)水深異常值進(jìn)行處理,其處理方法一般采用聯(lián)合不確定度測(cè)深估計(jì)算法:利用實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù),通過(guò)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)一定鄰域范圍內(nèi)捕獲的多個(gè)測(cè)深點(diǎn),聯(lián)合這些測(cè)深點(diǎn)的深度值和不確定度對(duì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的水深及其誤差進(jìn)行動(dòng)態(tài)濾波、估計(jì)與更新,有效剔除水深異常值[17]。

(1)

式中:dij、σij2——測(cè)深點(diǎn)i對(duì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)j的傳播深度和傳播方差;δij——測(cè)深點(diǎn)i到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)j的距離;sH——水平誤差尺度因子;Δmin——最小網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間隔;m——距離冪指數(shù)。

假設(shè)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)j的估計(jì)為

(2)

通過(guò)迭代計(jì)算,根據(jù)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的前位深度與不確定度估計(jì)即可快速獲得更新后的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)估計(jì),且節(jié)點(diǎn)的深度與不確定度估計(jì)精度隨著測(cè)深數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加而迅速提高。鑒于此,采用雙探頭多波束測(cè)深系統(tǒng),在未減小波束開(kāi)角、確保檢測(cè)效率的前提下,又可大大增加回波信號(hào)的密度和測(cè)深數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù),從而減少測(cè)深數(shù)據(jù)的異常值,實(shí)現(xiàn)對(duì)較小的目標(biāo)物更為精確的檢測(cè)[17-18]。

1.3聯(lián)合檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)

由于側(cè)掃聲納系統(tǒng)不受水深影響,因此其掃測(cè)范圍大,工作效率高,然而,側(cè)掃聲納系統(tǒng)的聲圖在成像過(guò)程中受到海水混響噪聲的影響,使得目標(biāo)邊緣或者外形有較大的不規(guī)則性,出現(xiàn)圖像殘缺,給海底管道實(shí)際狀態(tài)的識(shí)別帶來(lái)困難。另外,側(cè)掃聲納系統(tǒng)無(wú)法得到水深信息,無(wú)法直接準(zhǔn)確量測(cè)管道懸空狀態(tài)時(shí)的懸空高度。系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化后的雙探頭多波束系統(tǒng)加大了回波信號(hào)密度,能提供海底地形(含非掩埋管道)的高密度三維點(diǎn)云,從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)較小目標(biāo)物的更精確檢測(cè),但其波束的掃測(cè)范圍較小。因此,將側(cè)掃聲納系統(tǒng)與雙探頭多波束系統(tǒng)聯(lián)合使用,充分利用各自的優(yōu)勢(shì),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)海底非掩埋管道的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行高效精確的檢測(cè)。此聯(lián)合檢測(cè)方法流程如下:(a)根據(jù)目標(biāo)管道尺寸、測(cè)區(qū)水文等信息,對(duì)聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);(b)利用側(cè)掃聲納平行于海底管道方向進(jìn)行掃測(cè),以獲取管道的海底狀態(tài)基本信息,再通過(guò)雙探頭多波束系統(tǒng)沿管道方向進(jìn)行管道狀態(tài)的精確檢測(cè);(c)聯(lián)合側(cè)掃聲納及多波束數(shù)據(jù)成果,以實(shí)現(xiàn)管道狀態(tài)及標(biāo)高(裸露及懸跨高度)的統(tǒng)一,進(jìn)行檢測(cè)成果的表達(dá)。

圖1 不同管徑下2θr與H的關(guān)系Fig.1 Relation between 2θr and H at different pipe diameters

圖2 海底管道側(cè)掃聲納檢測(cè)示意圖Fig.2 Inspecting diagram for side- scan sonar of submarine pipeline

2 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化分析

2.1多波束系統(tǒng)波束開(kāi)角的最優(yōu)設(shè)計(jì)

水深、波束開(kāi)角及航速是影響多波束系統(tǒng)檢測(cè)效率與檢測(cè)分辨率的3個(gè)主要因素[19]。多波束系統(tǒng)垂直于航跡線方向的橫向分辨率σy為[20]

(3)

式中:α——多波束系統(tǒng)橫向波束角;H——換能器正下方水深;θ——最邊緣入射波束與豎直方向夾角,此時(shí)波束開(kāi)角為2θ。

由式(3)可知,多波束系統(tǒng)的σy與H、2θ及α有關(guān)。為了既能高效率檢測(cè),又能滿足檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定性、可靠性的要求,需對(duì)波束開(kāi)角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置。取最邊緣波束所對(duì)應(yīng)的邊緣波束腳印寬度為橫向分辨率,其應(yīng)不大于被測(cè)海底管道的管徑D:

σy≤D

(4)

將式(4)代入式(3)可得

(5)

根據(jù)式(5)可得不同D時(shí)臨界波束開(kāi)角2θr與H之間的關(guān)系曲線(圖1)。從圖1可以看出,當(dāng)D一定時(shí),隨著H的不斷增大,2θr逐漸減小;當(dāng)H一定時(shí),隨著D的增大,2θr逐漸增大。因此,根據(jù)式(5)可進(jìn)行最優(yōu)波束開(kāi)角范圍的設(shè)計(jì),在確保檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定和可靠的同時(shí),使檢測(cè)效率達(dá)到最高。

2.2側(cè)掃聲納系統(tǒng)聲波掠射角的最佳取值

側(cè)掃聲納系統(tǒng)檢測(cè)懸空狀態(tài)的海底管道時(shí),聲波掠射角β是影響檢測(cè)效果的重要因素。由圖2可得β的計(jì)算式:

(6)

式中:h——裸露(懸空)管道與海底之間的距離;Ht——拖魚(yú)距海底面的高度;L——拖魚(yú)至管道中心的水平距離;R——發(fā)射線至管道影像末端的斜距。

與Ht和L相比,D和h相對(duì)都很小,且為固定值,因此,從式(6)可以看出,側(cè)掃聲納在進(jìn)行海底管道檢測(cè)時(shí),β主要由Ht和L這2個(gè)參數(shù)決定,即可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整Ht與L,以獲取不同大小的聲波掠射角β。

由圖2還可以得到管道影像末端至管道聲影區(qū)末端總長(zhǎng)度S與聲波掠射角β之間的關(guān)系式:

(7)

圖3 S與β的關(guān)系曲線Fig.3 Relation between S and β

由式(7)可得S與β之間的關(guān)系曲線(圖3)。從圖3可以看出,隨著β的增大,S均單調(diào)遞減,當(dāng)D為定值時(shí)(圖3(a)),針對(duì)不同h,存在一簇臨界角βc,當(dāng)β<βc時(shí),S隨聲波掠射角β的變化較為顯著;當(dāng)β>βc時(shí),S隨β變化不敏感。

在側(cè)掃聲納的聲圖中,為了能準(zhǔn)確量取S,聲影區(qū)(即S)不能太小,從圖3可知β不能過(guò)大;然而,隨著β的減小,海底反向散射強(qiáng)度逐漸減小,海底散射影像灰度與管道聲影區(qū)灰度接近,亦不利于管道聲影區(qū)的準(zhǔn)確判別量取。因此,在進(jìn)行管道檢測(cè)時(shí),當(dāng)β設(shè)定在一定范圍(試驗(yàn)表明為臨界角βc的鄰域內(nèi))時(shí),既可保證必要的海底反向散射強(qiáng)度,使海底散射影像與管道聲影區(qū)之間的邊界清晰,同時(shí)又能保證一定的管道聲影區(qū)的長(zhǎng)度S,便于其準(zhǔn)確判別量取。

3 海底管道檢測(cè)試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以山東勝利油田某輸油管道為檢測(cè)目標(biāo),管道直徑D=245 mm,管道長(zhǎng)度為691.15 m,檢測(cè)海域?qū)儆跍\水區(qū),水深沿管道檢測(cè)方向由11.9 m到14.3 m逐漸加深,平均水深約13 m。試驗(yàn)采用Sonic2024多波束測(cè)深儀,發(fā)射頻率為200 kHz、300 kHz、400 kHz,為避免雙探頭聲納之間信號(hào)干擾,工作頻率分別設(shè)置為200 kHz與400 kHz。試驗(yàn)采用EdgeTech 4200FS側(cè)掃聲納。此外,輔助設(shè)備由DGPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)、Octans光纖羅經(jīng)、姿態(tài)傳感器MUR、聲速剖面儀SVP組成,結(jié)合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)海底管道狀態(tài)的精確檢測(cè)。

根據(jù)目標(biāo)管道尺寸、檢測(cè)水域水文資料及系統(tǒng)空間分辨率,對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。雙探頭多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)海底目標(biāo)管道進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),分別進(jìn)行了2組試驗(yàn)以供對(duì)比分析:(a)通過(guò)控制聲納探頭的工作狀態(tài)進(jìn)行單、雙探頭系統(tǒng)的實(shí)時(shí)切換,分別進(jìn)行了同一波束開(kāi)角下,單、雙探頭多波束系統(tǒng)檢測(cè)試驗(yàn);(b)通過(guò)調(diào)節(jié)聲納探頭波束開(kāi)角,分別進(jìn)行了單、雙探頭多波束系統(tǒng)下不同波束開(kāi)角的檢測(cè)試驗(yàn)。側(cè)掃聲納對(duì)海底目標(biāo)管道進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),在海底管道單側(cè)布置測(cè)線。由于進(jìn)行檢測(cè)的海域?yàn)闇\水區(qū),考慮到拖魚(yú)的安全性,在檢測(cè)過(guò)程中,保持拖魚(yú)位于海平面以下2 m。

由式(5)通過(guò)對(duì)多波束系統(tǒng)的波束開(kāi)角優(yōu)化計(jì)算得臨界波束開(kāi)角為94.3°。試驗(yàn)所采用的多波束測(cè)深儀,其波束最大開(kāi)角為160°,且10°～160°在線連續(xù)可調(diào),試驗(yàn)將波束開(kāi)角分別設(shè)計(jì)為130°(工程中常用)與95°進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)將多波束系統(tǒng)波束開(kāi)角分別設(shè)計(jì)為130°(工程中常用)與95°進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)以管道某處懸空高度為1.01 m為例,由圖2可知,設(shè)S=5 m為臨界角βc的選取依據(jù),則由式(7)計(jì)算可得側(cè)掃聲納系統(tǒng)的聲波掠射角臨界范圍βc=14.4°,試驗(yàn)中取β=15°。由于海底的不平整,Ht在9.9 m到12.3 m之間變化(可實(shí)時(shí)測(cè)得),由此可算得L約為32.3 m到41.2 m,即側(cè)掃聲納的測(cè)線可以布置于距離管道中心32 m≤L≤42 m范圍內(nèi)。為了檢測(cè)對(duì)比,試驗(yàn)將側(cè)掃聲納測(cè)線布置于距離管道中心分別為20 m、30 m、35 m、40 m、50 m處。

3.2檢測(cè)數(shù)據(jù)及圖像的處理與分析

3.2.1 側(cè)掃聲納系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)側(cè)掃聲納檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理,結(jié)合聲速數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)橫搖、縱搖、艏搖誤差修正,得到各條測(cè)線對(duì)于管道同一截面(經(jīng)過(guò)多波束精密掃測(cè)及潛水員水下探摸,得出該截面處的海底管道真實(shí)懸空高度為1.01 m)的側(cè)掃聲納聲圖記錄,并由圖2可得β及h分別為

(8)

(9)

式中:R——發(fā)射線至管道影像末端的斜距,R、S均通過(guò)聲圖記錄量算得。

表1 各條測(cè)線檢測(cè)數(shù)據(jù)估算結(jié)果及誤差

上述檢測(cè)數(shù)據(jù)、量算數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)和檢測(cè)圖像分別列于表1和圖4中。由表1和圖4可知,當(dāng)β較大時(shí),即L較小時(shí)(L=20 m,β=25.2°),由于管道影像與海底散射影像難以區(qū)分(圖4(a)),管道懸空高度估算時(shí)出現(xiàn)較大誤差(δ=20.8%);隨著β減小,估算精度顯著提高(表1)。當(dāng)β=15.2°時(shí),管道影像與海底底質(zhì)影像之間的邊界、海底底質(zhì)影像與管道聲影區(qū)之間的邊界均較清晰(圖4(b)),δ相對(duì)最小,側(cè)掃聲納檢測(cè)海底管道的精度和效果均最好(表1)。但當(dāng)β從15.2°減小至13.9°和10.8°時(shí),越來(lái)越小的β使海底反向散射強(qiáng)度逐漸減弱,海底散射影像與管道聲影區(qū)之間的界線模糊(圖4(c)),難以區(qū)分,致使δ也降低(表1)。

設(shè)海底底質(zhì)的反向散射強(qiáng)度為Sb,根據(jù)Lambert散射定律[21]可知,海底底質(zhì)的反向散射強(qiáng)度不僅取決于β,還依賴(lài)于海底底質(zhì)類(lèi)型特征。因此,為了獲得邊界清晰的高質(zhì)量檢測(cè)聲影圖像,對(duì)于不同類(lèi)型的海底底質(zhì),聲波掠射角的最佳取值范圍可能會(huì)略有不同。

圖4 不同聲波掠射角的檢測(cè)圖Fig.4 Inspection images at different acoustic grazing angles

圖5 波束開(kāi)角為130°的多波束系統(tǒng)管道狀態(tài)檢測(cè)圖Fig.5 Inspection diagram of MBS at 130° angular coverage

3.2.2 多波束系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果分析

將多波束檢測(cè)結(jié)果采用CARIS后處理軟件進(jìn)行處理,得到海底地形及非掩埋的海底管道狀態(tài)(圖5、圖6),通過(guò)截取其點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖對(duì)管道狀態(tài)進(jìn)行精細(xì)化分析判斷。

圖6 波束開(kāi)角為95°的多波束系統(tǒng)管道狀態(tài)檢測(cè)圖Fig.6 Inspection diagram of MBS at 95° angular coverage

將圖5(a)、6(a)分別與圖5(b)、6(b)對(duì)比,可以看出,單探頭檢測(cè)圖中管道處掃測(cè)盲點(diǎn)盲區(qū)(黑色斑點(diǎn))分別比雙探頭掃測(cè)的盲點(diǎn)盲區(qū)明顯要多,即單探頭對(duì)管道狀態(tài)的檢測(cè)效果較差;將圖5(a)、5(b)分別與6(a)、6(b)對(duì)比,可以看出,波束開(kāi)角優(yōu)化設(shè)計(jì)之后(95°)的檢測(cè)圖中管道處掃測(cè)盲點(diǎn)盲區(qū)(黑色斑點(diǎn))比未優(yōu)化設(shè)計(jì)(130°)掃測(cè)的盲點(diǎn)盲區(qū)明顯要少,即波束開(kāi)角優(yōu)化設(shè)計(jì)之后對(duì)管道狀態(tài)的檢測(cè)效果更好。相比而言,雙探頭且波束開(kāi)角優(yōu)化設(shè)計(jì)為95°時(shí)的檢測(cè)效果最好。

3.2.3 聯(lián)合檢測(cè)成果表達(dá)

根據(jù)試驗(yàn)聯(lián)合檢測(cè)的成果可知,被檢測(cè)區(qū)域整體地形平緩,海底地貌粗糙,存在沖溝,局部區(qū)域存在凹凸地形,管道兩端處以侵蝕地貌為主,各存在一處比較明顯的沖刷區(qū)域。該管道狀態(tài)的具體檢測(cè)結(jié)果如圖7所示,其狀態(tài)分為:裸露、懸空及掩埋,其中裸露10段,累計(jì)445.66 m,占管道全長(zhǎng)的64.48%,其中較長(zhǎng)段分別為150.53 m、152.36 m;懸空管道累計(jì)57.55m,占管道全長(zhǎng)的8.33%,懸空段長(zhǎng)度介于9.08 ～20.4 m,除兩端懸空部位,其余懸空管道相鄰部位的管道均處于裸露狀態(tài),因潮流沖刷影響,極易加大懸空段長(zhǎng)度,從而造成管道失穩(wěn)、斷裂等破壞,應(yīng)采取相應(yīng)防護(hù)措施,此外,最大懸空高度為1.01 m,位于管道端部,應(yīng)立即采取防護(hù)措施。

圖7 海底管道檢測(cè)結(jié)果Fig.7 Survey results of the submarine pipeline

4 結(jié) 論

a. 雙探頭多波束系統(tǒng)增加了回波信號(hào)密度,有效改善了邊緣波束質(zhì)量,使海底管道檢測(cè)過(guò)程中的盲點(diǎn)或盲區(qū)顯著減少;波束開(kāi)角是多波束測(cè)深系統(tǒng)的重要技術(shù)參數(shù),根據(jù)測(cè)區(qū)水深和檢測(cè)的目標(biāo)管徑,對(duì)系統(tǒng)設(shè)置適當(dāng)?shù)牟ㄊ_(kāi)角,能夠明顯提高系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性及可靠度。

b. 聲波掠射角是側(cè)掃聲納系統(tǒng)檢測(cè)海底輸油管道非掩埋狀態(tài)時(shí)的重要技術(shù)參數(shù),在布設(shè)測(cè)線時(shí),通過(guò)設(shè)置恰當(dāng)?shù)臏y(cè)線至管道中心的水平距離,可以使聲波掠射角的取值達(dá)到最優(yōu),以同時(shí)滿足檢測(cè)精度最高和檢測(cè)效果最好的要求。

c. 側(cè)掃聲納系統(tǒng)掃測(cè)范圍大,工作效率高,但其檢測(cè)成果只是二維聲影圖,缺少水深信息;雙探頭多波束系統(tǒng)加大了回波信號(hào)密度,能提供海底管道的高密度三維點(diǎn)云,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小目標(biāo)的精確檢測(cè),但其波束的掃測(cè)范圍較小。因此,二者的聯(lián)合使用,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海底非掩埋管道的高效精確檢測(cè)。

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Integratedacousticsurveymethodforinspectingtheunburiedstatusofsubmarinepipeline

XIONGChunbao1,LIZhi1,SUNXuan2,DINGJiandi1,CEHNXiaohua3

(1.DepartmentofCivilEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300350,China; 2.ZhouEnlaiSchoolofGovernment,NankaiUniversity,Tianjin300350,China; 3.TianjinSurveyingandHydrographyCo.,Ltd.,Tianjin300191,China)

Based on acoustic survey, an integrated method for inspecting the unburied status of submarine pipeline is proposed. A Multi-Beam Bathymetric System (MBS) with dual-sonar sensors and a side-scan sonar system is employed in this method, and analyzing and optimizing of system parameters are implemented for efficient and accurate inspection of the unburied status of submarine pipeline at Shengli Oil Field in Shandong Province. The analysis of inspection results shows that the MBS with dual sonar sensors is able to obtain high-density point cloud data of submarine pipeline, which greatly improves the stability and reliability of the inspecting data. The well inspecting effect of a side-scan sonar system is dependant on the optimum value of its acoustic grazing angle. With the help of the optimized system parameters, the detection efficiency of the integrated system is significantly improved so that the actual status of submarine pipe can be determined more precisely.

multi-beam bathymetric system (MBS); side-scan sonar; submarine pipeline; unburied status; parameter optimization; integrated method for inspecting

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.05.008

2016-08-12

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(NKZXB1483)

熊春寶(1964—),男,湖北荊州人,教授,博士,主要從事工程健康監(jiān)測(cè)及海底管道檢測(cè)研究。E-mail: luhai_tj@126.com

李志,博士研究生。E-mail:rangolee@tju.edu.cn

P756.2

A

1000-1980(2017)05-0425-07