聲吶與多波束測深技術(shù)在海底管道檢測中的應(yīng)用

曹蘭杰，陳小華

(天津市陸海測繪有限公司，天津 300304)

0 引 言

隨著海洋油氣田的開發(fā)，各種海底管道應(yīng)運(yùn)而生。海底油氣管道作為油氣資源的一種快捷、經(jīng)濟(jì)、安全的輸送方式，被稱為海洋油氣工程的“生命線”，包括輸油、輸氣、輸水等各種類型管道[1]。海洋油氣資源的不斷發(fā)展，促進(jìn)了海底管道的規(guī)模不斷增大，加之海洋海底環(huán)境異常復(fù)雜，并受風(fēng)浪、海流、侵蝕等因素的影響，容易造成海底管線出現(xiàn)裸露、懸空、甚至管線斷裂等情況，存在較大的安全隱患，并引發(fā)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，環(huán)境污染嚴(yán)重[2-3]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，中國海域和墨西哥灣約203起海底管道泄漏事故的主要原因之一為沖刷懸空[4]，這不僅對正常的生產(chǎn)運(yùn)輸產(chǎn)生影響，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且嚴(yán)重污染了海洋環(huán)境，在一定程度上破壞了海洋生態(tài)。因此，在海底管道鋪設(shè)完成后，有必要采取適當(dāng)?shù)氖侄危瑢５坠艿肋M(jìn)行定期的維護(hù)性檢測，掌握海管路由及其周邊海底地形、海底地貌狀況，以便及時(shí)采取維護(hù)措施，排除安全隱患。目前，常用的海底管道調(diào)查方法有：側(cè)掃聲吶、多(單)波束測深技術(shù)、淺地層剖面測量、LBL高精度定位技術(shù)、海洋磁力測量等。其中，多波束測深和側(cè)掃聲吶可以較好地探測海底地貌和海底障礙物，應(yīng)用較為廣泛[5-6]。

本文采用側(cè)掃聲吶和多波束探測兩種方法相結(jié)合，對南海某海域輸氣管道進(jìn)行探測，對比兩種方法在管道探測中的應(yīng)用效果，分析海管安全運(yùn)行存在隱患的地質(zhì)，探測海管位置及裸露懸空情況，以便為海管的安全運(yùn)營和及時(shí)治理提供依據(jù)。

1 聲波探測技術(shù)原理

1.1 側(cè)掃聲吶技術(shù)

側(cè)掃聲吶是通過聲學(xué)換能器，向航跡兩側(cè)海底發(fā)射低入射角(10°～20°)的窄波束、一定周期的高頻扇形波束的脈沖，聲波到達(dá)海底后反射到聲吶換能器。換能器將聲能轉(zhuǎn)換為電能，并根據(jù)所接收回波信號的強(qiáng)弱，將圖像顯示在屏幕上，生成海底地形、地貌圖。側(cè)掃聲吶系統(tǒng)一般包括工作站、絞車、拖魚、打印機(jī)、GPS接收機(jī)等設(shè)備。其中工作站控制整個(gè)系統(tǒng)的工作，是側(cè)掃聲吶的核心。圖1為聲吶工作原理示意圖。

圖1 側(cè)掃聲吶工作原理示意圖

1.2 多波束測深技術(shù)

多波束測深系統(tǒng)一般由窄波束回聲測深設(shè)備、回聲處理設(shè)備兩部分組成。多波束測深系統(tǒng)是利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進(jìn)行窄波束接收，從而得到從發(fā)射聲波到回波的時(shí)間，并利用所得時(shí)間計(jì)算出水深值[7]。獲取回波信息后，通過中央小入射角波束的振幅檢測以及其他波束的相位檢測，可解算單一波束的波束中心和某點(diǎn)回波的斜距，進(jìn)而獲得測點(diǎn)水深。換能器波束測點(diǎn)水深Dtr和距離中心點(diǎn)的水平位置X分別表示為：

(1)

(2)

式中，C為平均聲速，t為波束測量時(shí)間，θ為接收波束與中央垂線的夾角，即入射角。如圖2所示。

圖2 多波束水深計(jì)算原理示意圖

多波束測深系統(tǒng)通過發(fā)射波束與接收波束，利用往返回波的時(shí)間確定斜距并得到精確的水深數(shù)據(jù)，進(jìn)而在輔助測量系統(tǒng)GPS的幫助下獲得水下波束的空間位置。

多波束系統(tǒng)換能器為船舷式安裝，以換能器安裝桿與水面交點(diǎn)作為參考點(diǎn)建立船體坐標(biāo)系(圖3)。

圖3 多波束系統(tǒng)安裝側(cè)視圖

試驗(yàn)中多波束換能器安裝在測量船的右舷，GPS定位儀的天線盤安裝在測量船駕駛室頂部，IXSEA Octans光纖羅經(jīng)安裝在測量船的中軸線附近；以多波束聲吶探頭安裝桿與海水面交點(diǎn)作為參考原點(diǎn)建立船體坐標(biāo)系，定義船右舷方向?yàn)閄軸正方向，船頭方向?yàn)閅軸正方向，垂直向上為Z軸正方向，量取各傳感器相對于參考點(diǎn)的位置[8]。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

測區(qū)位于南海某海域，海域水深約70 m，海底輸氣管道直徑為60 cm，管道長為19.5 km。該管道大部分為裸露狀態(tài)，壓塊維護(hù)區(qū)域?yàn)槁癫貭顟B(tài)，平臺近端及部分路由區(qū)域?yàn)閼铱諣顟B(tài)。本次實(shí)驗(yàn)主要以管道路由區(qū)域的海底地貌以及裸露、懸空管道為研究對象進(jìn)行探討分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用EdgeTech 4200MP側(cè)掃聲吶系統(tǒng)、ResonSeaBat T50P型多波束測深系統(tǒng)。儀器的參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 側(cè)掃聲吶和多波束測深系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)

2.3 測線布設(shè)

(1)地貌掃測：使用側(cè)掃聲吶掃測海底地貌情況，測線方向平行于海管路由方向，在海管兩側(cè)各布設(shè)一條計(jì)劃測線，測線距海管路由間隔100 m。

(2)水深地形測量：掃測計(jì)劃測線按平行路由中軸線的方向布設(shè)，測線間距采用水深的2.5倍進(jìn)行布設(shè)；掃測時(shí)，所有的多波束測線兩端均延長100 m，以使羅經(jīng)充分穩(wěn)定下來，保證測量數(shù)據(jù)的可靠。

3 典型地質(zhì)、海管圖像特征

3.1 未沖刷海底圖像特征

圖4(左)為平滑海底的側(cè)掃聲吶圖像，可以看出，探測區(qū)域內(nèi)圖像整體呈現(xiàn)淺色調(diào)，這是由于海底表層沉積物顆粒較細(xì)，聲波反射強(qiáng)度較弱且均勻。圖4(右)為平滑海底多波束圖像，可以清晰的看出裸露管線兩側(cè)的平滑海底色調(diào)均勻，沒有明顯的色差。

圖4 平滑海底圖像(左：聲吶；右：多波束)

3.2 沖刷海底圖像特征

局部海底沉積物在海流強(qiáng)烈沖刷的作用下，易生成條帶狀或斑狀凹坑。如圖5(左)所示，聲吶圖像中的斑狀凹坑表現(xiàn)為先淺后深的色調(diào)，這是由于凹坑底部沒有回聲能量或回聲能量較弱，故呈現(xiàn)淺色調(diào)；凹坑邊緣斜坡處海底面粗糙，聲吶回聲能量增強(qiáng)，呈現(xiàn)深色調(diào)。圖5(右)的多波束圖像中可以清晰的看到三處凹坑。因凹坑的地勢較周圍平坦海底面低，故呈現(xiàn)深綠色，周圍平坦地勢呈現(xiàn)淺綠色。

圖5 沖刷凹坑圖像(左：聲吶；右：多波束)

3.3 裸露管道圖像特征

圖6(左)為裸露的海底管道側(cè)掃聲吶圖像，裸露管道對聲波具有強(qiáng)反射作用，呈現(xiàn)為黑色實(shí)線，并且在管道左側(cè)存在明顯的白色陰影。圖6(右)為裸露管道的多波束圖像，呈現(xiàn)為一條凸起的直線。由圖6可知，側(cè)掃聲吶受海流及其他外界因素的影響較大，聲吶圖像中裸露管道呈彎曲狀；多波束圖像中的裸露管道呈直線狀，與設(shè)計(jì)管道的平面位置較為吻合。因此，在實(shí)際工程中，如果將2種方法同時(shí)用于同一項(xiàng)目的管線探測，則多采用多波束圖像計(jì)算的裸露管道長度更為準(zhǔn)確。

圖6 裸露管道圖像(左：聲吶；右：多波束)

3.4 懸空管道圖像特征

由圖7(左)聲吶圖像可以看出，懸空管道對聲波具有強(qiáng)反射作用，呈現(xiàn)為黑色實(shí)線，在管道左側(cè)形成一段具有一定弧度的白色陰影，并且黑色實(shí)線與白色陰影之間存在灰色區(qū)域。這一灰色區(qū)域是聲吶圖像識別懸空與裸露管道的關(guān)鍵，懸空管道的懸空高度即為對應(yīng)點(diǎn)位的灰色區(qū)域的長度。圖7(右)為懸空管道的多波束圖像，當(dāng)管頂與海底面之間的差值大于管徑時(shí)，則管道為懸空狀態(tài)，懸空高度即為管頂與海底面之間的差值減去管徑。

圖7 懸空管線圖像(左：聲吶；右：多波束)

4 結(jié) 語

文中根據(jù)海管路由勘察服務(wù)中的工程實(shí)例，針對平滑海底、沖刷海底、裸露、懸空管道等幾種常見的海底地貌特征，分別對比了側(cè)掃聲吶與多波束測深系統(tǒng)所獲取圖像的異同，結(jié)果表明：側(cè)掃聲吶和多波束圖像均能清晰的探測海底管道周邊區(qū)域的地貌、海管走向及裸露、懸空情況，并可對海底地貌形態(tài)(如凹坑及沖刷狀況)進(jìn)行較為精確地反映，證實(shí)了2種海管探測方法的可行性、有效性和互補(bǔ)性。文中僅對聲吶和多波束2種探測方法進(jìn)行了定性比較，但對于2種方法在量取海底管道高度和距離等方面的定量對比，還有待進(jìn)一步研究。