非掩埋海底管線(xiàn)應(yīng)用側(cè)掃聲吶系統(tǒng)檢測(cè)方法研究

劉為庭 李 志,2

(1.天津市陸海測(cè)繪有限公司,天津 300304; 2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300072)

1 概述

隨著海洋能源的迅速開(kāi)發(fā)和利用，海底管線(xiàn)已成為海洋油氣資源開(kāi)發(fā)中的重要組成部分。至今中國(guó)累計(jì)總鋪設(shè)長(zhǎng)度已超過(guò)6 000 km[1]。海底管線(xiàn)事故會(huì)造成人員傷害、經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境污染及社會(huì)問(wèn)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(xiàn)”事故對(duì)該地區(qū)的海洋物種造成嚴(yán)重傷害，且造成直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)10億美元[2]。因此，在役海底管線(xiàn)的安全狀態(tài)檢測(cè)具有重要意義。

2 研究現(xiàn)狀

目前，海底管線(xiàn)常用的檢測(cè)方法有人工潛水檢測(cè)、水下機(jī)器人技術(shù)檢測(cè)、基于光纖傳感技術(shù)的檢測(cè)方法以及基于聲學(xué)探測(cè)技術(shù)的檢測(cè)方法[3]。人工潛水局限于局部管線(xiàn)檢測(cè)，水下機(jī)器人受限于續(xù)航能力和檢測(cè)效率，光纖傳感受限于管線(xiàn)需要敷設(shè)設(shè)備和更換設(shè)備困難，已經(jīng)服役管線(xiàn)無(wú)法敷設(shè)[4]。基于聲學(xué)探測(cè)的側(cè)掃聲吶系統(tǒng)(SSS)能夠?qū)崿F(xiàn)海底地形地貌的寬覆蓋、高分辨探測(cè)[5]。因此本文將采用側(cè)掃聲吶系統(tǒng)(SSS)對(duì)非掩埋海底管線(xiàn)進(jìn)行安全檢測(cè)。

3 海底管線(xiàn)檢測(cè)

3.1 檢測(cè)對(duì)象及設(shè)備工作原理

本次檢測(cè)對(duì)象為勝利油田某海底輸油管線(xiàn)，管線(xiàn)直徑為24.5 cm，管線(xiàn)長(zhǎng)約0.691 km，沿管線(xiàn)測(cè)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(cè)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(guān)系如圖2所示。

工作時(shí)通過(guò)聲圖記錄量算得發(fā)射線(xiàn)從輸油管線(xiàn)影像末端分別到換能器和管線(xiàn)聲影區(qū)末端的長(zhǎng)度，分別記為R和S，可得管線(xiàn)懸空高度h。

h=HtS/R-0.5d(1+cosβ)

(1)

其中，d為管線(xiàn)直徑；h為管線(xiàn)的懸空高度；Ht為測(cè)量船航行過(guò)程中拖魚(yú)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(guān)系式：

S=[h+0.5d(1+cosβ)]/sinβ

(2)

3.2 管線(xiàn)測(cè)量方法

此次管線(xiàn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)所在海區(qū)是淺水區(qū)，為了拖魚(yú)和測(cè)量船航行安全性的考慮，在管線(xiàn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，拖魚(yú)置于測(cè)量船底部在海平面以下垂直距離保持在2 m。以管線(xiàn)某處懸空高度為1.01 m(經(jīng)過(guò)潛水員水下探摸)為例，設(shè)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(cè)試驗(yàn)中掠射角β取15°。由于海床地勢(shì)起伏海水深度變化，拖魚(yú)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(yú)與管線(xiàn)中心的水平距離L約為32.3 m～41.2 m。因此測(cè)掃聲納檢測(cè)航線(xiàn)可以布置于輸油管線(xiàn)中線(xiàn)兩側(cè)的32 m～42 m范圍內(nèi)。為了對(duì)比不同距離范圍內(nèi)的檢測(cè)效果，本次實(shí)驗(yàn)將檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)線(xiàn)布置于距離輸油管線(xiàn)中心線(xiàn)分別為50 m，40 m，35 m，30 m，20 m處。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)實(shí)地檢測(cè)，獲得檢測(cè)圖像如圖3所示。獲取的檢測(cè)數(shù)據(jù)、量算數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各條側(cè)線(xiàn)的檢測(cè)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(xiàn)懸空高度的檢測(cè)與聲波掠射角密切相關(guān)。在此次實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)掠射角在15.2°時(shí)，管線(xiàn)懸空高度估算值的誤差最小為5.9%。此時(shí)圖像中的邊界也是最清晰的，包括管線(xiàn)與海底底質(zhì)的影像邊界和海底底質(zhì)與管線(xiàn)聲影區(qū)的影像邊界，見(jiàn)圖3b)。當(dāng)掠射角大于15.2°時(shí)，管線(xiàn)懸空高度估算值的誤差會(huì)變大，且掠射角越大管線(xiàn)懸空高度估算誤差也越大，從圖像上分析，當(dāng)掠射角越大，圖像中的管線(xiàn)影像與海底散射影像的邊界也變的越模糊，見(jiàn)圖3a)，致使輸油管線(xiàn)懸空高度值的估算精度降低。當(dāng)掠射角小于15.2°時(shí)，管線(xiàn)懸空高度估算值的誤差也會(huì)變大，且掠射角越小管線(xiàn)懸空高度估算誤差也越大，從圖像上分析，當(dāng)掠射角越小，圖像中的海底散射影像與管線(xiàn)聲影區(qū)的邊界也變的越模糊，見(jiàn)圖3c)，致使輸油管線(xiàn)懸空高度值的估算精度降低。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)分析可知，海底管線(xiàn)懸空高度檢測(cè)與測(cè)掃聲納聲波的掠射角密切相關(guān)。因此為了獲得相對(duì)更高精度的檢測(cè)結(jié)果，在檢測(cè)之前需要詳細(xì)了解海底底質(zhì)的前提下，對(duì)局部進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定該區(qū)域較佳的掠射角范圍。但是該方法的缺點(diǎn)是只能檢測(cè)非掩埋海底管線(xiàn)。