运营期海底管道检测方法分析与探讨

陈 鹏

(交通运输部北海航海保障中心天津海事测绘中心，天津 300222)

1 概述

随着海洋能源的迅速开发和利用，海底管道已成为海洋油气资源开发中的重要组成部分。至今中国累计总铺设长度已超过6 000 km[1]。海底管道事故会造成人员伤害、经济损失、环境污染及社会问题，维修处理的难度及成本也非常大[2]。2010年墨西哥湾发生的“深水地平线”事故对该地区的海洋物种造成严重伤害，且造成直接经济损失超过10亿美元[2]。因此，对役海底管道的状态安全检测具有重要意义。

2 研究现状

目前，海底管道常用的检测方法有人工潜水检测、水下机器人技术检测、基于光纤传感技术的检测方法以及基于声学探测技术的检测方法[3]。各种检测方法都有各自的优缺点，不能满足海底管道检测自然和人为的所有各种复杂情况。因此本文将对各种检测方法进行总结分析，并探讨一种更合适的海底管道检测方法。

3 海底管道检测方法分析

3.1 人工潜水检测方法

人工潜水的检测方法优点在于操作简单，并能对管道状态检测结果进行直观的表达描述，已被广泛应用于海底管道外检中[4]。该方法的缺点在于：

1)工况条件要求苛刻，必须是较浅海域且在水质较为清晰情况下对非掩埋海底管道的探摸检测。2)该方法受潜水人员下潜深度、视线及下潜耐久性的限制。3)对于工程浩大的海底管道检测而言，该法效率低下。

该方法的适用范围：海洋平台附近管道及管道局部区域的快速检测。

3.2 水下机器人检测方法

水下机器人检测海底管道，首先由检测船将机器人释放入海底，操作人员通过电缆对其进行远程控制操作，机器人搭载相应检测设备对海底管道及其周围环境进行检测。检测过程中获取的大量检测数据通过电缆同步传送给检测船进行处理，从而同步显示检测结果[4]。

该检测方法的优点在于不受下潜深度的影响。但是缺点在于：

1)机器人搭载的光学检测装置受限于水下视线的影响，严重影响检测效率；2)机器人通过电缆与检测船连接，极易受到工况条件和波浪以及水下洋流的影响[4]；3)机器人搭载的检测设备需要提供足够的电力需求，续航能力直接影响检测效率。

该方法的适用范围：海底管道大面积检测后的小范围或局部验证检测。

3.3 光纤传感技术检测方法

光纤传感技术检测海底管道，是将光纤传感器安装于被测管道上，通过对管道应变、温度、压力等数据进行监测及检测，进而识别出管道的健康状态，国内外学者对此进行了大量的试验及理论研究。

该检测方法的优点在于光纤传感技术具有高精度、抗干扰、大范围及连续性等监测优点[5]，较适用于大型结构、长距离输送管道等基础设施的监测及检测。但是用于海底管道检测，该方法明显存在如下缺点：

1)该技术受到有效传感距离及敏感性的影响，不适用于较长距离的海底管道，且恶劣的海底服役环境对传感器的长期耐久性、服役可靠性等都提出了严重挑战，这些因素使得该技术还处于室内试验研究阶段，尚无法直接用于实际海底管道的监测/检测；2)实现海底管道光纤传感技术检测的前提是管道上已敷设光纤传感器，因此，该技术仅局限于新铺管道，对没有安装光纤传感器的在役老龄管道则无法完成检测/监测；3)传感器敷设后就无法更换，一旦局部发生失效，整个传感系统有效性及其检测结果的可靠性都将显著下降。因此，管道施工及光纤传感器敷设过程中，光纤的存活性是该技术应用的一个巨大挑战，这对海底管道的整个施工及敷设都提出了较高要求，加大了管道安装的难度及成本；4)尽管该方法能够实现管道的泄漏检测，并能同步确定管道的破坏位置，但仅能事后报警，很难进行事先预警。

该方法的适用范围：新敷设的海底管道的局部关键位置的实时连续监测。

3.4 声学探测技术检测方法

声波具有长距离传输且容易控制的特点，回波特性与目标物的物理性质具有良好的相关性，因此声学探测技术成为水下探测有效工具。

基于声学探测的侧扫声呐系统(SSS)、多波束系统(MBS)及浅层剖面仪(SBP)的优点在于，能够实现海底地形地貌的宽覆盖、高分辨探测，目前已广泛应用于海底地形及海底地质探测、海底地质灾害检测及海底结构物探测[6]。海底管道检测中，SSS能够对非掩埋状态的海底管道进行追踪探测，确定管道在海底的在位状态及管道周围地形的变化趋势，通过几何关系可以求得悬空管道的悬空高度；MBS对非掩埋管道进行追踪探测的同时能够直接获取管道及其周围环境的水深数据，进而判断出管道运行状态；SBP可用于判断管道在海床上的相对空间位置关系，通过回波反射特征，能够确定管道的埋置深度及悬空高度；SSS和SBP的检测结果以高分辨率的声呐图像呈现，MBS的检测结果可同时以声呐图像及水深数据的形式呈现。

该检测方法的缺点在于：1)MBS进行海底管道检测时，由于受波束开角的影响，边缘波束逐渐发散，严重影响测深数据的精度，从而给位于海沟等复杂海底地形的管道检测带来困难；2)SSS的海底管道检测过程中，声波掠射角对于检测效果的影响很大，但在海底管道状态检测时往往被忽略，且对于海底复杂地形处(如海底斜坡、海底凹坑、海底凸起等)的海底管道检测，SSS在探测时具有一定的局限性，导致检测结果出现偏差；3)SBP的海底管道检测中，该方法仅能对管道截面进行探测，对于大规模的海底管道检测而言，其效率较为低下；4)对于各个检测系统而言，单一的检测方法因受工作原理的限制，往往只能确定海底管道的部分特征，很难全面反映管道的实际状态。

该方法的适用范围：大面积海底管道全局全海况适时监测获取三维信息。

4 检测方法探讨

通过分析四种监测方法的优点和缺点，可知声学探测技术是应用最广，受制因素最少的方法。但是鉴于声学探测三种技术的各自的优缺点，本文认为可以在优化各自参数的基础上，探讨三种技术的联合监测。

由于SSS的拖曳式作业方式，系统不受水深影响，因此其扫测范围大，工作效率高且能获取较高分辨率检测结果，常被用以探测海底管道的走向，无法直接获取海底管道空间位置信息。MBS在获取海底管道位置信息的同时，还可获取水深信息及海床地貌图像信息，其图像位置精度较高，但其波束扫测范围较小。针对掩埋段管道，SSS及MBS均无法对其进行检测，而SBP能够实现掩埋管道高程信息的获取，但SBP仅能获取管道断面信息，无法实现海底管道的全分布式快速检测。

因此，可充分利用各系统的优势，对于SSS可以优化声波掠射角取值，MBS可以优化波束开角和航速设计联合进行非掩埋管道的平面位置和悬空高度的监测，结合SBP对掩埋位置的海底管道进行埋深和悬空高度的探测。联合使用SSS-MBS-SBP来获取海底管道多源检测信息，构成海底管道完整的三维信息，其联合方案可设计为：1)根据目标管道尺寸、测区水文等信息，对联合检测系统参数进行优化设计；2)利用SSS平行于海底管道方向进行扫测，以获取管道的海底状态基本信息，再通过MBS及SBP系统沿管道方向进行管道状态的精确检测；3)联合SSS-MBS-SBP数据成果，以实现管道状态及标高(裸露及悬跨高度)的统一，进行检测成果的表达。

5 结语

通过本文的总结分析与探讨，基于声学探测的三种技术的联合使用，可以通过多种检测方法之间良好的互补性实现对海底管道全面、高效、精确的检测，为运营期海底管道的健康检测和三维重构提供保障。