三維成像聲吶在海底管道懸跨治理中的應(yīng)用

趙百龍*

（海洋石油工程股份有限公司）

隨著我國(guó)海洋油氣資源的開發(fā)和利用，海底管道日益增多。海底管道鋪設(shè)于海床表面以后，受各種因素的影響，會(huì)不可避免地出現(xiàn)懸跨現(xiàn)象，在環(huán)境或其他條件共同作用下，懸空長(zhǎng)度會(huì)持續(xù)增加，造成海底管道的破壞。因此需要定期采用對(duì)海底管道進(jìn)行檢測(cè)和懸跨治理。三維成像聲納應(yīng)用于海底管道懸跨治理，不僅能夠獲取海底管道懸跨情況的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和清晰三維圖像，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)跟蹤目標(biāo)物，指導(dǎo)懸跨治理水下作業(yè)，可以極大提高懸跨治理作業(yè)質(zhì)量和效率，具有較高的推廣價(jià)值。因此，以渤海某海底管道懸跨治理工程為例，介紹了三維成像聲納在海底管道懸跨治理中的應(yīng)用。

1 三維成像聲吶工作原理

三維成像聲納與普通聲吶工作原理一致，都是基于聲波在海水中傳播的特性。聲納頭發(fā)射聲波，聲波遇到障礙物后反射，聲納接收設(shè)備接收到這些信息后，根據(jù)不同的物體反射聲信號(hào)的強(qiáng)度和頻譜不同，利用計(jì)算機(jī)的聲納軟件把接收到的信息以圖像的形式顯示在顯示屏上。

而三維成像聲納使用的成像方式，可以直接獲得二維面陣，從而在垂直、水平、距離三個(gè)方面直接獲得分辨率，形成一組二維序列圖像，再通過(guò)計(jì)算機(jī)合成具有高分辨率的三維圖像，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字化處理后嵌入到三維圖像中，圖像包含的距離和方位等數(shù)據(jù)，可以顯示更多水下目標(biāo)的細(xì)節(jié)描述。不僅如此，三維成像聲吶還能夠在目標(biāo)物與聲納進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下，實(shí)時(shí)將聲納掃描得到的數(shù)據(jù)以圖像的形式展現(xiàn)在終端顯示器上。

三維成像聲吶具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，能夠?qū)?fù)雜的三維結(jié)構(gòu)完整、準(zhǔn)確地呈現(xiàn)在電腦終端上，圖像比二維結(jié)構(gòu)更加立體、清晰；其次，將水下探測(cè)、跟蹤以及成像三項(xiàng)工作融為一體，只要沒(méi)有超出探測(cè)范圍，就可以實(shí)時(shí)調(diào)整觀察角度，獲取最優(yōu)化的三維圖像，不僅可以測(cè)量三維數(shù)據(jù)，配合GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)，還可以獲得圖像上點(diǎn)位的大地坐標(biāo)；最后，該技術(shù)利用聲波原理，不會(huì)受到水質(zhì)的影響，即使水下能見(jiàn)度為零，也可以正常工作，并且成像質(zhì)量不會(huì)受到影響。

2 三維成像聲吶應(yīng)用實(shí)例

渤海海域某海底管道距離陸地20 km 處，海底地形地貌發(fā)生變化，致使該段海底管道懸空于海底形成懸跨，經(jīng)初步調(diào)查，海底管道部分位置懸空嚴(yán)重，需要進(jìn)行海底管道懸跨治理。

該項(xiàng)目采用三維成像聲吶對(duì)存在懸跨的海底管道進(jìn)行全面掃測(cè)調(diào)查，從而獲取該段海底管道懸跨情況。在懸跨較大的位置進(jìn)行沙袋回填，將懸跨位置墊實(shí)填平，以支撐海底管道，避免管道懸空。全部懸跨位置回填完成后，在海底管道兩側(cè)擺放水泥壓塊，防止來(lái)往船舶拋錨拖拉對(duì)海底管道造成破壞。懸跨治理完成后，采用三維成像聲吶對(duì)該段海底管道懸跨治理情況進(jìn)行掃測(cè)復(fù)查，合格后進(jìn)行工程驗(yàn)收。

以往懸跨治理通常采用水下定位信標(biāo)引導(dǎo)和潛水員水下確認(rèn)的方式來(lái)擺放沙袋和水泥壓塊。水下信標(biāo)信號(hào)跳動(dòng)幅度大（1～2 m），潛水員在水下確認(rèn)擺放位置時(shí)，只能通過(guò)個(gè)人感官判斷海底管道的相對(duì)位置，作業(yè)誤差大、耗時(shí)長(zhǎng)，并難以擺放整齊，而且潛水作業(yè)受限于潛水時(shí)間，在強(qiáng)潮汐或大潮汛期間，一天的潛水作業(yè)時(shí)間僅為幾個(gè)小時(shí)。與以往懸跨治理相比，采用三維成像技術(shù)引導(dǎo)壓塊擺放，可以極大減少潛水員工作量，擺脫潛水時(shí)間限制，而且壓塊擺放整齊，極大地提高了懸跨治理的作業(yè)效率和質(zhì)量。

3 三維成像聲吶在海底管道懸跨治理中的應(yīng)用

3.1 海底管道懸跨調(diào)查

船舶首先在海底管道懸跨位置處就位，船舷側(cè)平行于海底管道。在甲板上將三維成像聲吶的各設(shè)備線纜連接并接入GPS 導(dǎo)航設(shè)備，將聲吶發(fā)射接收設(shè)備安裝固定在船舷的收放支架上，下放支架直至聲吶發(fā)射接收設(shè)備超過(guò)船底至少2 m，從而避免船底影響聲吶信號(hào)的發(fā)射和接收。設(shè)備安裝和調(diào)試完成后，船舶沿平行于海底管道的方向移動(dòng)對(duì)海底管道懸跨段進(jìn)行掃測(cè)調(diào)查，獲得海底管道懸跨影像和數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 三維聲吶懸跨檢測(cè)成像圖

收集整理獲得的海底管道懸跨信息，包括海管懸空凹坑相對(duì)與明顯參照物（如法蘭等）的相對(duì)位置距離，海底管道懸跨凹坑的長(zhǎng)、寬、深等數(shù)據(jù)，為海底管道懸跨治理提供數(shù)據(jù)支持。

3.2 沙袋回填

根據(jù)海底管道的懸跨信息，現(xiàn)場(chǎng)工程師需估算填放的沙袋數(shù)量，甲板輔助工人將沙袋裝入網(wǎng)兜，吊機(jī)將網(wǎng)兜吊至海底管道懸跨點(diǎn)附近位置，三維成像聲吶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，引導(dǎo)指揮吊機(jī)將沙袋網(wǎng)兜移至懸跨點(diǎn)位置處，吊機(jī)下放沙袋網(wǎng)兜，直至沙袋網(wǎng)兜在海床上完全著泥后，解除網(wǎng)兜與吊機(jī)連接的吊索具。而在網(wǎng)兜無(wú)法擺放的位置，可先將網(wǎng)兜置于一側(cè)，潛水員下水人工從網(wǎng)兜內(nèi)搬運(yùn)沙袋將凹坑墊實(shí)填平，如此重復(fù)，直至將全部海底管道懸跨位置都填放沙袋。

3.3 水泥壓塊擺放

沙袋回填完成后，在電腦端三維成形圖像上預(yù)先設(shè)置好水泥壓塊擺放的預(yù)定位置。吊機(jī)通過(guò)水泥壓塊吊架，將甲板上的水泥壓塊吊放入水，先將水泥壓塊下放至預(yù)定擺放位置上方2 m 處，根據(jù)實(shí)時(shí)三維聲吶監(jiān)測(cè)圖像，指揮吊機(jī)調(diào)整水泥壓塊位置，使水泥壓塊與預(yù)定擺放位置對(duì)齊。緩慢下放水泥壓塊，同時(shí)三維成像聲吶調(diào)整不同的觀察角度，實(shí)時(shí)監(jiān)控水泥壓塊的下放姿態(tài)，根據(jù)觀察到的水泥壓塊偏移情況指揮吊機(jī)及時(shí)調(diào)整水泥壓塊位置，最終將水泥壓塊擺放在預(yù)定的位置。下放水泥壓塊直至吊機(jī)噸位顯示為0，即水泥壓塊完全著泥。此時(shí)停止下放，三維成像聲吶再次調(diào)整不同觀察角度，確認(rèn)壓塊是否擺放到位。若壓塊擺放到位，則利用壓塊自動(dòng)釋放裝置將壓塊釋放，回收吊架至甲板，快速起吊甲板預(yù)先擺好的下一組壓塊進(jìn)行下一次擺放；若壓塊未擺放到位，則重新提起，再次按照以上步驟進(jìn)行下放，直至壓塊擺放到位。

3.4 懸跨治理效果后檢查

懸跨治理完成后，調(diào)整船位至海底管道懸跨治理的初始位置，船舶再次沿平行于海底管道的方向移動(dòng)，對(duì)治理過(guò)的海底管道懸跨情況進(jìn)行掃測(cè)復(fù)查，合格后進(jìn)行工程驗(yàn)收。

4 結(jié)論

在海底管道懸跨治理作業(yè)中，沙袋回填和水泥壓塊擺放是常用的方式。采用三維成像聲吶引導(dǎo)沙袋回填和水泥壓塊擺放，有效減少了潛水員的水下工作量，擺脫了潛水時(shí)間限制，提高了海底管道懸跨治理的作業(yè)效率和質(zhì)量，因此具有很好的推廣價(jià)值。