三维成像声纳在海上油田海底管道检测中的应用

劳海桩

摘 要：海底管道是海洋工程运输与储存的重要组成部分，由于常年受到海水冲刷、海底侵蚀的影响，使得原本埋在海底的管线出现裸露和悬空，存在生产安全隐患。三维成像声纳是近年发展起来的一种探测新技术，具有高精度、高分辨率、实时成像的特点。本文将水下三维成像声纳应用于海底管道检测中，首先查明了海管路由区的水深、地貌情况；接着查明海管的走向、位置及分布情况；最后查明海管在海底当前状态，即海管悬空、裸露情况。

关键词：三维成像声纳；管道检测；工程应用

1 引言

海上油田海况特征、浅层地质条件以及海底松软沉积物变形情况都十分复杂，油田所在海域内易发生多种灾害地质现象，如水下滑坡、塌陷、粉沙流、软弱地层夹层、强烈起伏地形、埋藏河道等。这些灾害地质的产生可能对海上构筑物、海底管道、电缆或其他海上工程设施构成潜在的重大威胁，导致严重的人身财产损失和工程事故。同时油田位于渤海无潮点附近，潮汐状况复杂，潮流强大，风暴潮时有发生。由于这些因素的存在，造成海上石油产区基本上位于较强侵蚀冲刷区，致使海区地形地貌复杂多变，海底管道裸露，甚至出现大范围的管道悬空现象，海底管道在水平方向上产生位移，垂直方向上产生沉降，所有这些现象会给安全生产和环保带来极大的隐患。

本文采用的海底管线检测依托于海底管线检测系统：利用三维成像声纳、高精度组合导航系统等探测设备，对海域15条海底管道进行外检测，对海管路由区的水深、地貌情况进行调查，并查明海管的走向、位置、分布、悬空、裸露等情况。

2 三维成像声纳工作原理

三维声纳与常用的多波束测深声纳、侧扫声纳的探测原理基本相同，都是通过声波在海水中传播的特性，通过换能器发射一定波束角的声波脉冲，再接收回波。但是较侧扫声纳与多波束的成像，三维声纳的成像原理更为复杂。侧扫声纳与多波束测深声纳采用一维线阵，也就是声纳里的窄梯形里包含的信息，通过换能器的机械平移，然后连接形成二维面阵。再通过计算机的处理，将多组数据的二维面阵合成为二维图像；三维成像声纳所使用的成像方式，通过多波束系统发射声波脉冲，直接获得二维面阵，从而在垂直、水平、距离三个方面上直接获得分辨率，形成一组二维序列图像，然后再使用计算机合成获得三维图像。

三维声纳成像，能够在发射一次声波脉冲后，获取海水中目标的水平、垂直、距离信息，得到一系列的切片图像。切片图像的类型一般情况下有两种，一种是振幅图像；另一种是距离图像。同一时刻上，振幅图像与距离图像的方位是相对应的。振幅图像显示的是成像方位上目标的回波振幅信息，也就是回波强度信息。而距离图像显示的是成像方位上目标与参考点的距离信息，距离图像所获取的三维数据则称为程距数据（range data）。同时对两类声纳切片图像进行处理可以实现目标的识别与数据获取。

3 检测方法

海底管道检测系统采用的设备主要有：三维成像声纳、组合导航系统、验潮仪、CTD等。组合导航为三维成像声纳提供大地坐标定位、测量船的横摇、纵摇、艏向、升沉等姿态数据，对目标进行准确定位，实现连续探测，有效提升海管检测系统在使用过程中的稳定性；验潮仪与CTD用以提供潮位与声速校正数据，提高探测精度。

3.1 导航定位

系统采用GPS+光纤陀螺组合导航方法实施导航定位，可提供符合国际标准的位置、姿态数据。船载导航软件采用OpenCPN4.2.0，可支持船舶位置与状态显示、船舶航行轨迹显示、海图载入、测线载入与修正、航行指引等多种功能。该软件可实现系统所需的各类声纳测线的布设。利用三维成像声纳测量海底管道情况时，平行于路由轴线左右各布置2条测线（测线间距分别为20m），同时沿管线路由方向布设1条测线，共计5条测线，实现管线左右40m的覆盖范围。

3.2 设备安装与检测

三维成像声纳采取舷侧安装方式，安装于船体1/2处位置，安装支架垂直末端连接二自由度云台与三维成像声纳探头，组合导航系统位于安装支架顶端。在完成设备、仪器的安装和调试后检测船借助导航软件OpenCPN4.2.0沿测线对海底管道进行外业测量。

外业测量期间，根据验潮站和验潮仪及时记录当天的潮汐数据，同时保证每天早中晚至少3次声速测量，对于跨度大于3公里的区域加测声速，保证能很好的控制测量区域的声速。在外业数据采集完成后，通过后处理软件及时处理潮位数据、声速数据、安装校准数据，加载完原始数据后查看声纳数据拼接是否完好，是否存在漏空现象等。若存在问题，及时补测。

外业工作完成后，确认所有采集资料完整可靠，则在室内对本次海底管道检测资料进行全面整理分析，三维成像声纳测试数据参考声纳图谱的硬拷贝记录及工作站的回放图像辨别记录上的干扰信号、噪声及不具工程意义的回声信号资料，判断海底海管走向，并对海管进行识别及定位。生成三维彩图发现存在海管裸露、悬空或可疑区域。

4 检测成果分析

经过检测验证，利用三维成像声纳检查海底管道，能够实现实时快速探测，并将水下复杂的3D结构完整、准确的呈现在电脑终端上，可以清晰的看到海底地形、地貌情况以及海管、平台、海管维护物等水下目标物的状态及分布情况，三维成像声纳相较于普通的多波束声纳和侧扫声纳，具有更高的分辨率，检测图像更加立体、清晰，从而更易于对海管等目标进一步地跟踪、识别和分析。

4.1 海底地貌检测结果

经过本次检测：海上油田海管路由区域（水平段）海底以平坦、坡度平缓的平滑地貌为主，局部地区存在粗糙地貌。部分路由区域由于海管裸露以及多种治理使海底周围的流场改变，产生了新的局部冲刷和淤积区进而形成粗糙地貌。

4.2 平台检测结果

借助三维成像技术，三维成像声纳系统可以提供水下平台外形轮廓的细节描述，对水下结构安全检测，排除安全隐患。通过本次检测，输油平台水下部分的平台导管架、立管、电缆、靠船排等完好，没有存在损伤，平台附近没有发现障碍物。

4.3 海管治理效果检测结果

检测管道治理后埋藏状况，就是检查海底管道经过治理后管道上方覆盖的保护层是否达到施工的要求。本次海管检测主要发现海管进行三种治理：连锁排、抛砂以及挖沟治理。海管经过连锁排治理后的检测效果，可以清晰看到裸露管道左侧部分已被连锁排覆盖，治理效果较好；立管处经过抛砂治理后的检测效果，立管基本被砂石覆盖，治理效果较好；海管经过挖沟治理后的检测效果，沟内管道上方沉积物自然回淤状况欠佳，管道依然处于裸露状态。

5 结论

三维成像声纳在作业中规避了潜水员水下探摸存在的人身安全隐患，此外在精度、效率、点云密度方面上，相比其它侧扫声纳以及多波束测深声纳检测性能有较大幅度的提升。三维成像声纳是全面、系统地进行水下检测的一种重要技术手段，在海底管道检测中具有广阔的应用前景。

从本次检测获得的数据资料来看，三维成像声纳揭示出了海底管道的所在位置和裸露、悬空状况。在海底管道检测中的良好效果，为下一步的管道维护提供了科学依据。还可对平臺水下结构安全检测，排除安全隐患。此外三维成像声纳能够检测管道治理后埋藏状况，为治理维护是否达到施工的要求提供依据。

参考文献：

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[2] 方洋，杨志.三维成像声纳系统在水运工程检测中的应用[J].建筑工程技术与设计，2016，12（中），1496-1503。