幾種新型水下檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)海洋石油工程中的應(yīng)用

欒 濤，江 錦，劉 朋，劉 豐

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

幾種新型水下檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)海洋石油工程中的應(yīng)用

欒 濤，江 錦，劉 朋，劉 豐

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

海洋油氣設(shè)施的水下檢測(cè)對(duì)其結(jié)構(gòu)安全具有重要意義，水下檢測(cè)作為一門(mén)特殊的行業(yè)已逐步發(fā)展成熟，但由于海洋油氣設(shè)施及水下結(jié)構(gòu)、水下工況的多樣化與復(fù)雜化，水下檢測(cè)從技術(shù)裝備到施工工藝都有較大的變化，并出現(xiàn)了一些新的檢測(cè)技術(shù)及工藝。介紹了幾種水下檢測(cè)新技術(shù)、新工藝在國(guó)內(nèi)海洋石油工程中的應(yīng)用，DIDSON雙頻識(shí)別聲吶檢測(cè)技術(shù)為水下低能見(jiàn)度工況下的檢測(cè)提供了一種新方式，ROV及檢測(cè)設(shè)備的組合應(yīng)用開(kāi)辟了深水環(huán)境的檢測(cè)工藝，實(shí)現(xiàn)潛水支持船與FPSO的同步旋轉(zhuǎn)，為海洋石油單點(diǎn)設(shè)施的檢測(cè)創(chuàng)造了條件。

水下檢測(cè)；進(jìn)水桿件探測(cè)；雙頻識(shí)別聲吶；水下機(jī)器人

水下檢測(cè)作為一門(mén)新興工程學(xué)科，集成了現(xiàn)代海洋工程技術(shù)、無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、潛水技術(shù)、潛水醫(yī)學(xué)以及結(jié)構(gòu)力學(xué)、斷裂力學(xué)等學(xué)科。從最早的20世紀(jì)70年代英國(guó)、挪威等提出海洋平臺(tái)水下檢測(cè)以來(lái)，水下檢測(cè)從工程技術(shù)、裝備等都發(fā)展到一個(gè)較為成熟的行業(yè)。由于海洋石油開(kāi)發(fā)熱潮越來(lái)越高，海洋平臺(tái)數(shù)量呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。世界各海洋石油生產(chǎn)國(guó)對(duì)海上工程結(jié)構(gòu)物的水下定量檢測(cè)與安全性評(píng)估十分重視，同時(shí)由于海洋油氣設(shè)施的復(fù)雜性以及多樣性，水下檢測(cè)技術(shù)近年來(lái)從技術(shù)裝備到應(yīng)用范圍也有了嶄新發(fā)展。

1 水下檢測(cè)技術(shù)分類

根據(jù)國(guó)內(nèi)外一些權(quán)威船級(jí)社以及行業(yè)內(nèi)一般做法，水下檢測(cè)一般可分為三種類型：

（1）I類檢測(cè)，又叫綠色檢測(cè)，是指一般的目視檢測(cè)，不需清理海生物，一般是對(duì)結(jié)構(gòu)的整體做概貌性的檢測(cè)。

（2）II類檢測(cè)，又叫藍(lán)色檢測(cè)，是在清理表面海生物后所作的近距離的目視檢測(cè)，一般可借助皮尺、量具等簡(jiǎn)單的測(cè)量工具。

（3）III類檢測(cè)，又叫紅色檢測(cè)，是無(wú)損檢測(cè)類（NDT）中主要的水下檢測(cè)技術(shù)。利用專業(yè)的無(wú)損檢測(cè)儀器對(duì)結(jié)構(gòu)細(xì)微的或不能由肉眼觀測(cè)到的缺陷/損傷進(jìn)行檢測(cè)，一般需要對(duì)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行清理。部分檢測(cè)需要由具備專業(yè)資質(zhì)的人員進(jìn)行。常見(jiàn)的NDT技術(shù)有超聲波測(cè)厚、電位測(cè)量、ACFM裂紋探傷、磁粉探傷、桿件進(jìn)水探測(cè)（FMD）等技術(shù)。

2 新技術(shù)在國(guó)內(nèi)海洋石油工程中的應(yīng)用

2.1 導(dǎo)管架桿件進(jìn)水探測(cè)（FMD）技術(shù)

導(dǎo)管架桿件進(jìn)水探測(cè)（FMD）技術(shù)適合于檢測(cè)穿透型裂紋或其他使水滲到構(gòu)件內(nèi)部的缺陷。其原理示意如圖1所示，當(dāng)存在穿透型裂紋時(shí)，外面的海水將滲到平臺(tái)構(gòu)件的內(nèi)部，使含缺陷的構(gòu)件充水，桿件在充滿水和充滿空氣的情況下對(duì)聲波的反射不同，以此來(lái)判斷桿件是否進(jìn)水，是否存在缺陷。FMD法檢測(cè)有速度快、操作簡(jiǎn)單、效率高、與其他方法相比成本低的優(yōu)點(diǎn)，所以該方法廣泛應(yīng)用于北海等海域的平臺(tái)檢測(cè)。英國(guó)RSL公司最新開(kāi)發(fā)的第三代潛水員型水下桿件進(jìn)水探測(cè)儀集成了現(xiàn)代電腦技術(shù)，最大操作深度100 m，桿件最大測(cè)量范圍0.2～10 m（直徑），可以將檢測(cè)數(shù)據(jù)直接在電腦上顯示、記錄和打印。2010年在國(guó)內(nèi)的蓬萊油田水下檢測(cè)中，海洋石油工程股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱海油工程公司）首次應(yīng)用該技術(shù)于工程實(shí)踐，并取得了良好的效果。

圖1 FMD探測(cè)原理示意

2.2 渾水聲納圖像探測(cè)技術(shù)

在渾水低能見(jiàn)度工況下，應(yīng)用DIDSON雙頻識(shí)別聲吶可實(shí)現(xiàn)圖像探測(cè)效果。DIDSON雙頻識(shí)別聲吶是目前唯一運(yùn)用聲頻“鏡頭”在昏暗的渾濁水體中生成幾乎等同影像質(zhì)量圖像的高清晰度聲吶，原本是華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室為美國(guó)“空間與海上戰(zhàn)爭(zhēng)系統(tǒng)中心”研發(fā)的。美國(guó)國(guó)務(wù)院將其列為軍用品，2002年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品商業(yè)化，兩年后轉(zhuǎn)為民用，允許出口。在水下，DIDSON會(huì)主動(dòng)發(fā)射兩種頻率的聲波，聲波遇到物體會(huì)反射回來(lái)被DIDSON接收，經(jīng)聲學(xué)成像系統(tǒng)的信號(hào)處理，可以在顯示屏上顯示物體的影像。DIDSON成像不同于光學(xué)照片，圖像的判讀有其不同的一面。比如在游泳池中的空心磚照片示意相對(duì)位置見(jiàn)圖2（a）；而DIDSON攝取的圖像見(jiàn)圖2（b），網(wǎng)格可以顯示物體和DIDSON的相對(duì)距離和方位，圖像的顏色僅代表回波強(qiáng)度的大小，回波強(qiáng)度越大，顏色越亮 。

圖2 DIDSON雙頻聲吶成像效果

海油工程公司曾對(duì)渤海某油田倒塌單點(diǎn)系泊系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱單點(diǎn)）進(jìn)行了水下檢測(cè)調(diào)查，此次檢測(cè)是在低能見(jiàn)度狀態(tài)下完成的，應(yīng)用了DIDSON雙頻識(shí)別聲吶，取得了良好效果。該油田所在水深18 m，其單點(diǎn)為孤立塔柱式，包括樁基式基礎(chǔ)、旋轉(zhuǎn)塔和系泊頭三個(gè)部分。樁基基礎(chǔ)與內(nèi)套筒為一整體結(jié)構(gòu)，內(nèi)套筒頂部通過(guò)螺栓與系泊頭中軸連接，外套筒下部通過(guò)四個(gè)突起結(jié)構(gòu)與固定于內(nèi)套筒上的旋轉(zhuǎn)軸承連接；旋轉(zhuǎn)軸承通過(guò)兩個(gè)掛耳與YOKE上的掛鉤連接，系泊頭外框架結(jié)構(gòu)通過(guò)兩個(gè)插尖與外套筒連接，樁基基礎(chǔ)、內(nèi)套筒、系泊頭中軸相互連接固定不動(dòng)，而系泊頭主框架、外套筒、旋轉(zhuǎn)軸承、YOKE以及FPSO相互連接，一起圍繞系泊頭中軸旋轉(zhuǎn)。該次檢測(cè)對(duì)幾個(gè)重要部位得出了較為理想的圖像資料，其中旋轉(zhuǎn)軸承掃描圖像見(jiàn)圖3。

圖3 旋轉(zhuǎn)軸承掃描圖像

MS-1000掃描聲吶也是利用聲學(xué)原理對(duì)水下?tīng)顟B(tài)進(jìn)行探測(cè)。主要由計(jì)算機(jī)、MS 1000軟件、聲吶探頭、傳感器、支架等組成，可以實(shí)現(xiàn)聲吶圖像數(shù)據(jù)采集和處理，其掃描圖像如圖4所示。目前已在渤海某油田進(jìn)行過(guò)海底管道混凝土壓塊擺放應(yīng)用。

2.3 以ROV為載體的檢測(cè)技術(shù)

圖4 MS-1000掃描到的海底管道混凝土壓塊的狀態(tài)

ROV應(yīng)用于外觀檢測(cè)較為常見(jiàn)，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，ROV搭載一些NDT設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)也漸漸發(fā)展起來(lái)，如ROV搭載電位測(cè)量?jī)x、測(cè)厚儀等。隨著FMD技術(shù)的引進(jìn)，ROV搭載FMD設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)管架桿件進(jìn)水探測(cè)也變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。2011年，海油工程公司在進(jìn)行南海某氣田的水下檢測(cè)時(shí)，將潛水員型FMD設(shè)備改造，設(shè)計(jì)ROV機(jī)械臂夾具，由ROV搭載實(shí)行桿件檢測(cè)，得到成功應(yīng)用。探頭設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5，水下作業(yè)見(jiàn)圖6。

圖5 FMD探頭夾具設(shè)計(jì)及安裝

圖6 ROV搭載FMD水下作業(yè)

2.4 大型FPSO旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的單點(diǎn)檢測(cè)

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)與FPSO是海上油氣設(shè)施的核心部分，對(duì)其進(jìn)行定期檢測(cè)尤為重要。由于FPSO的非固定特性，使得單點(diǎn)的水下檢測(cè)難度大大增加。近年來(lái)海油工程公司完成了幾個(gè)大型單點(diǎn)設(shè)施的水下檢測(cè)工程，逐步總結(jié)并形成了一套成熟的FPSO旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的單點(diǎn)水下檢測(cè)施工工藝技術(shù)。

在FPSO旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，保持潛水支持船（DSV）與其進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)，即相對(duì)靜止，便可進(jìn)行單點(diǎn)設(shè)施的水下檢測(cè)。采用DSV與FPSO首尾相對(duì)，傍靠于FPSO，并將支持船首尾在FPSO上進(jìn)行帶纜系泊，使其與FPSO同步旋轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖7。這樣檢測(cè)潛水員可從支持船船尾下水對(duì)單點(diǎn)設(shè)施進(jìn)行水下檢測(cè)。在進(jìn)行水下檢測(cè)時(shí)，應(yīng)時(shí)刻注意FPSO旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，防止?jié)撍殠c檢測(cè)儀器電纜纏繞在單點(diǎn)結(jié)構(gòu)上。

3 未來(lái)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展分析

隨著海洋石油工業(yè)的高速發(fā)展，海洋油氣設(shè)施的水下檢測(cè)技術(shù)也必將出現(xiàn)高速發(fā)展，未來(lái)水下檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展將具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）高新技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越多。高新技術(shù)設(shè)備將帶領(lǐng)水下檢測(cè)技術(shù)向更加精確、便捷、高效的方向發(fā)展。如Echo Scope水下三維實(shí)時(shí)成像聲吶，是目前世界上唯一的水下三維實(shí)時(shí)高分辨率觀察聲吶，它可以在低能見(jiàn)度情況下展示出近乎等同光學(xué)攝像的成像效果。

（2）應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。從最初的水下檢測(cè)只針對(duì)常規(guī)近海導(dǎo)管架發(fā)展到現(xiàn)在的對(duì)塔架式單點(diǎn)、水下浮筒式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)、FPSO船體、海底管道、水下采油樹(shù)及管匯等水下生產(chǎn)系統(tǒng)的水下檢測(cè)，隨著海上設(shè)施完整性管理理念的進(jìn)一步深入，水下檢測(cè)技術(shù)必將應(yīng)用到所有的水下設(shè)施。

圖7 FPSO旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的單點(diǎn)檢測(cè)示意

（3）復(fù)雜工況檢測(cè)進(jìn)一步增加。由于海上油氣設(shè)施的復(fù)雜性及多樣性，未來(lái)必將會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的新?tīng)顩r，水下檢測(cè)必將會(huì)遇到各種復(fù)雜工況的挑戰(zhàn)，如水下非常規(guī)設(shè)施低能見(jiàn)度下的檢測(cè)、水下設(shè)施外力破壞、海底管道泄漏等緊急情況下的應(yīng)急檢測(cè)等。

（4）檢測(cè)評(píng)估維修技術(shù)的配套發(fā)展。目前水下檢測(cè)技術(shù)發(fā)展較為成熟，結(jié)構(gòu)安全評(píng)估技術(shù)發(fā)展相對(duì)次之，而水下維修技術(shù)發(fā)展較為緩慢，隨著科技的發(fā)展，綜合的水下檢測(cè)評(píng)估維修技術(shù)（IMR）必將得到全面發(fā)展。如國(guó)家863計(jì)劃“基于振動(dòng)檢測(cè)的現(xiàn)役海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估技術(shù)研究”課題成果正逐步在海洋平臺(tái)檢測(cè)評(píng)估中應(yīng)用。2016年海洋石油工程股份有限公司還完成了南海某導(dǎo)管架樁腿水下貫穿性裂紋的修復(fù)，促進(jìn)導(dǎo)管架水下修復(fù)技術(shù)從理論階段進(jìn)入工程實(shí)踐階段。

[1]陳勇，潘東民，欒濤.一種新型水下檢測(cè)技術(shù)[C]//第七屆中國(guó)國(guó)際救撈論壇論文集．北京：海洋出版社，2012：376-379.

[2]鄧平，陳勇，欒濤.FPSO旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)水下檢測(cè)技術(shù)[J].中國(guó)造船，2013，54（S1）：296-300.

[3]PAUL BAXTER.Applications of 3D sonar in maritime security[C]//Proceedings of Meetings on Acoustics Acoustical Society of America.Edinburgh：CodaOctopus，2016.

Application of several new underwater inspection techniques in domestic offshore petroleum engineering

LUAN Tao，JIANG Jin，LIU Peng，LIU Feng
China Offshore OilEngineering Corporation，Tianjin 300461，China

Underwater inspection is very important to structural safety of offshore oil and gas facilities.It has been gradually developed as a special industry.However，underwater inspection technology has changed greatly in technical equipment and construction processes due to the diversification and complication of offshore oil and gas facilities and underwater structures，and some new inspection techniques have emerged.The applications of several new techniques and processes are introduced.The DIDSON dual-frequency identification sonar provides a new underwater inspection way for low visibility condition；Combined application of ROVand inspection equipment opens up the inspection process for deep water； Diving support vesselsynchronously rotating togather with FPSO creates condition for inspection of offshore SPM facilities.

underwater inspection；FMD；DIDSON；ROV

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.05.018

欒 濤（1984-），男，山東泰安人，工程師，2007年畢業(yè)于中國(guó)海洋大學(xué)，現(xiàn)從事海洋工程水下技術(shù)及海底管道安裝技術(shù)。Email：luantao@mail.cooec.com.cn

2017-05-02；

2017-05-18