河流穿越水下管道埋深非開挖檢測技術(shù)分析

劉凱峰(沈陽檢測技術(shù)分公司，遼寧 沈陽 110168)

0 引言

我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展對天然氣的需求提出了更高的要求，隨著我國油氣輸送管道的不斷增加，其在水下的鋪設(shè)的比例也在顯著增加。水下管道的平穩(wěn)安全運行對于管道輸送系統(tǒng)的正常運行至關(guān)重要。在管道的日常工作運行當(dāng)中由于受到河流砂礫的沖擊、水流的沖刷、船體撞擊以及長期位于腐蝕性較強的水下環(huán)境，使得管道較陸地情況下更加容易損壞。水下管道中輸送的介質(zhì)一般為石油或者天然氣，一旦發(fā)生管道破裂會造成油氣的泄露。這不僅影響社會的生產(chǎn)與居民的生活，而且還會對周圍的環(huán)境造成污染，并有可能引發(fā)次生災(zāi)害。根據(jù)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，定期對管道運行狀態(tài)進(jìn)行檢測并制定合理的維護(hù)措施，從而防止安全事故的發(fā)生。河流穿越水下管道一般埋設(shè)于水下較深的地方，傳統(tǒng)陸地上的管道檢測方法較難適用于水下埋深管道。因此，需要開發(fā)水下管道非開發(fā)檢測技術(shù)定期檢測管道的運行狀態(tài)，確保管道安全有效運行。

1 水下管道非開挖狀態(tài)檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀

非開挖施工技術(shù)對于埋深管道的施工具有重要的意義，它是采用各種巖土開挖的技術(shù)，在不破壞地表不開挖溝槽的情況下，在地下進(jìn)行管道的鋪設(shè)，管道的維修以及管道的更換。該技術(shù)將管道的鋪設(shè)方式從開挖溝槽向定向鉆孔的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)變。該技術(shù)通過水平的定向鉆孔機，通過定位導(dǎo)航儀沿著預(yù)先設(shè)定的軌跡在不同的地質(zhì)條件以及不同的深度下進(jìn)行管道鋪設(shè)作業(yè)。在鉆孔的過程中，通過配合不同的監(jiān)測手段以及控制儀器對使鉆孔機沿著設(shè)定軌跡到達(dá)目標(biāo)位置。當(dāng)鉆孔機完成鉆孔工作后，擴孔機進(jìn)入孔中對其直徑進(jìn)行擴增，之后再拖入管道進(jìn)行鋪設(shè)。因此，管道鋪設(shè)路線的正確性取決于，鉆孔機定位與導(dǎo)航的正確性?，F(xiàn)階段，鉆孔機的定位與導(dǎo)航方法主要采用電磁導(dǎo)航，慣性導(dǎo)航以及地面上的導(dǎo)航方式。這三種方式有著不同的特點。其中，慣性導(dǎo)航的適應(yīng)于精度要求較高的場合，但是其存在著成本較高的特點。電磁方式的定位導(dǎo)航以及地面方式的定位導(dǎo)航由于受到周圍環(huán)境的影響，其定位精度較難控制，需要有經(jīng)驗的工作人員通過專業(yè)知識進(jìn)行判斷與操作。

非開挖狀態(tài)下的檢測水下管道檢測技術(shù)人工潛入水下進(jìn)行觀察、機器人視覺檢測方法，電磁設(shè)備檢測方法與聲吶設(shè)備檢測方法等。人工水下檢測方法是潛水員攜帶探管儀聲吶等設(shè)備潛入水下，對管道的狀態(tài)進(jìn)行巡檢，該方法檢測結(jié)果較好，但是存在風(fēng)險性較大的缺點。電磁檢測方法是采用電磁設(shè)備進(jìn)行定位管道并測量其埋深，這種方法在應(yīng)用中存著一些不足，需要對其進(jìn)行優(yōu)化與升級。

在檢測設(shè)備方面，以電磁法為原理研制出的設(shè)備應(yīng)用較為廣泛，下面對各個設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)的分析。這些具有代表性的設(shè)備主要包括英國Radiodetection公司生產(chǎn)的RD系列的探地雷達(dá)設(shè)備，美國的Star Trak公司的開發(fā)的水下管道探測系統(tǒng)。英國Radiodetection公司的開發(fā)的水下探測設(shè)備采用的技術(shù)較為成熟，且應(yīng)用范圍較光，該探測設(shè)備主要由發(fā)射器、探測器、接收器以及呈現(xiàn)A字型的支架構(gòu)成。在實際的水下管道的檢測過程中，需要人員攜帶安全設(shè)備潛入到水下對管道進(jìn)行監(jiān)測評估，對于水流較大的河流通過此方法難以完成檢測。

BPS公司研發(fā)的水下埋深管道探測系統(tǒng)主要包括信號發(fā)射裝置、信號接收裝置、信號收集與處理系統(tǒng)組成，該設(shè)備的優(yōu)勢在于能夠探測水深達(dá)62m，且埋深達(dá)5m的管道，并且具有較高的檢測精度，且系統(tǒng)成本較低。該設(shè)備的不足之處在于，整體的檢測原理是采用大地回路法，如果管線出現(xiàn)了磨損、腐蝕等失效形式則會導(dǎo)致整體檢測的精度下降。此外，該設(shè)備在埋深變化范圍大的情況下對管道的定位較為困難，且該設(shè)備對于收集到的數(shù)據(jù)的處理周期較長，一般為一個月左右，不適合實時狀態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用場景。

美國的Star Tark公司生產(chǎn)的河流水下管道檢測系統(tǒng)，可以通過電纜將水下埋深的管道連接成閉合回路，通過發(fā)射器向管道中發(fā)射低頻的信號，該信號通過管道以及回路后傳輸?shù)浇邮斩?，采用GPS技術(shù)對管道的穿越路徑進(jìn)行定位，將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理軟件生成CAD圖進(jìn)而得到管道的埋深圖以及剖面圖。

與國外相比，國內(nèi)在水下管道的檢測技術(shù)方面起步較晚且大部分處于地面檢測的水平，水下管道的檢測還處于檢測深度較低的程度。

國內(nèi)外在水下管道的非開挖檢測設(shè)備方面取得了許多成果，并且有些設(shè)備已得到廣泛應(yīng)用并在一定的場景下取得了較好的成果，但是，水下管道的非開挖檢測技術(shù)也存在以下問題：

(1)現(xiàn)有的檢測方法較難滿足水深較深、且埋深變化范圍較大的情況。這是因為該情況下的電磁信號強度變化大，使得檢測結(jié)果不準(zhǔn)確或無法得到檢測結(jié)果。

(2)對于定向鉆穿管道，未能給出較為合理的電磁強度的校準(zhǔn)方法，使得傳感器的檢測精度變化范圍較大。

2 水下管道非開挖檢測技術(shù)概述

水下管道的非開挖檢測技術(shù)主要是通過人工、電磁設(shè)備、聲吶設(shè)備、視覺設(shè)備對水下埋深處的被測管道進(jìn)行狀態(tài)的監(jiān)測與健康的評估，從而及時發(fā)現(xiàn)管道運行過程中存在的隱患。人工以及機器視覺的方法主要通過人工或者機器人來監(jiān)測設(shè)備的表面是否發(fā)生了磨損、腐蝕、裂紋及其其它形式的損壞，從而根據(jù)反饋結(jié)果確定合理的維護(hù)方式。電磁設(shè)備以及聲吶設(shè)備主要通過向被測管道中施加監(jiān)測信號，信號在管道中進(jìn)行傳輸，將管道的狀態(tài)信息調(diào)制于信號中，收集到的被測信號通過處理系統(tǒng)來分析其運行狀態(tài)，通過專家經(jīng)驗結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)果來出具評價結(jié)果，輔助后期的維護(hù)保養(yǎng)。

3 水下管道非開挖檢測技術(shù)特點與應(yīng)用

水下管道的施工方式多為定向鉆越的方式，這導(dǎo)致管道埋深較為隱蔽且埋深范圍較大，給檢測帶了的難度。目前常用的河流水下管道非開挖檢測技術(shù)主要包括慣性制導(dǎo)方法，電磁系統(tǒng)檢測方法、聲吶系統(tǒng)檢測方法、智能視覺檢測方法以及人工檢測方法。下面將分析每種方法的技術(shù)特點以及相應(yīng)的應(yīng)用場景。

3.1 慣性制導(dǎo)方法

慣性制導(dǎo)方法的原理是采用加速度等傳感器單元來測量運載體加速度，通過積分運算可以得到運載體的速度以及位移，從而完成對運載體的定位導(dǎo)航。該傳感器的特點是，它僅通過三軸加速度傳感器來測量運載體的各項參數(shù)，不容易受到外界環(huán)境的影響，通過得到運載體三個軸方向的位置與姿態(tài)可以得到管道中心線的坐標(biāo)。當(dāng)管道內(nèi)部檢測器在管道內(nèi)部移動時，三軸加速度傳感器的運行。內(nèi)部檢測系統(tǒng)以一定的頻率采集傳感器的加速度、速度、里程等信息保存于計算機中。位于地面上方的每隔一定距離處會設(shè)置GPS的參考點，當(dāng)內(nèi)部檢測器經(jīng)過地面上的GPS參考點時，會與其定標(biāo)和進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，檢測器將當(dāng)前的位置以及時間數(shù)據(jù)上傳至定標(biāo)盒中。這樣當(dāng)內(nèi)部檢測器完成整個管道的檢測后，地面計算機會得到整條管道中心線的數(shù)據(jù)，由于每隔一定距離會分布GPS參考點，通過該定位信息對慣導(dǎo)單元得到的中心數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而得到更加精確的位置信息。得到管道的位置信息后，可以繪制出精準(zhǔn)的管道位置圖，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合聲吶設(shè)備對水下埋深管道進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測。該方法目前的應(yīng)用較少，主要是由于其操作性較為繁瑣，且操作成本較高，這主要由于很多管道無法進(jìn)行內(nèi)部檢測，并且大范圍長時間的檢測會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，使檢測結(jié)果不可靠。

3.2 電磁檢測方法

電磁檢測法一般分為兩類，一類為絕對電磁法，另一類為相對電磁法。分類的依據(jù)主要是通過發(fā)射裝置的發(fā)射頻率不同以及接收裝置天線的陣列不同來進(jìn)行劃分的。該方法在檢測過程當(dāng)中的操作過程為，發(fā)射機的輸出、被測管道、發(fā)射機的輸入三者構(gòu)成回路。當(dāng)開始檢測時，發(fā)射機向管道中施加特定頻率的電流信號，該電流信號會在交變的磁場，然后接收機將交變的磁場信號進(jìn)行捕獲，通過分析接收到的信號的磁場強度的變化來確定管道的位置，當(dāng)接收機位于管道的正上方時，得到的場強最強，將該點進(jìn)行記錄。并通過公式計算接收機與管道之間的距離，該距離即為管道的深度。

3.3 聲吶檢測方法

聲吶檢測方法的測量原理為采用聲吶檢測設(shè)備向水中特定方向發(fā)射短波脈沖，短脈沖接觸到水底之后反射回來別聲吶設(shè)備所捕獲，已知發(fā)射的短波脈沖在水中的傳輸速度以及發(fā)射與接收的時間差，通過該參數(shù)能夠計算發(fā)射源到河底的距離。在測量過程中將測量儀放置于水下，測量儀發(fā)射出聲吶信號，實時測量其與河底之間的距離，并通過計算該點位于水面的距離，從而能夠計算出水面與河底之間的距離。在測量儀的每個位置處都計算其GPS信息，通過GPS信息與水深數(shù)據(jù)可以計算河床的等高線，從而對河床的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。聲吶法能夠檢測出水面與河床之間的距離，該方法需要滿足水面與河床之間無障礙物進(jìn)行遮擋，如果管道通過定向鉆穿的方式進(jìn)行鋪設(shè)，則該方法無法對其進(jìn)行檢測。因此，聲吶法在水下條件較好，且對非定向鉆穿方式的管道較為有效。

3.4 視覺檢測方法

視覺檢測方法可以分為人工視覺的檢查方法以及機器人視覺的檢測方法。人工視覺檢測方法通過檢測人員潛入到水下對管道狀態(tài)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果容易受到環(huán)境因素的影響，對于水流流速較大，水深較深的情況則不適合于人工檢測。機器人視覺是采用機器人來替代人工進(jìn)行檢測，高清攝像頭由于受到河流渾濁度以及周圍障礙物的影響造成檢測結(jié)果的不可靠。

4 結(jié)語

水下管道運行的狀態(tài)的穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)正常運行的前提。由于水下管道的埋深鋪設(shè)方式的特殊性無法對其采用地面管道開挖方式的檢測技術(shù)。因此，需要根據(jù)水下管道的施工方式、位置信息確定合理的非開挖檢測技術(shù)。對此，本文詳細(xì)分析了水下管道埋深非開挖技術(shù)的研究現(xiàn)狀、技術(shù)概述以及應(yīng)用，從而為不同應(yīng)用場景下的檢測技術(shù)提供依據(jù)。