海底管道应用浅层剖面仪检测方法研究

李 君 李 志,2

(1.天津市陆海测绘有限公司，天津 300304； 2.天津大学建筑工程学院，天津 300072)

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，在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]。人工潜水局限于局部管道检测，水下机器人受限于续行能力和检测效率，光纤传感受限于管道需要敷设设备和更换设备困难，已经服役管道无法敷设[4]。基于声学探测的浅层剖面仪(SBP)能够实现海底地形地貌及地层结构探测，可以追踪掩埋于地层内的结构物[5,6]。因此本文将采用浅层剖面仪(SBP)对掩埋海底管道进行安全检测。

3 海底管道检测

3.1 检测对象及设备工作原理

本次检测对象为胜利油田某海底输油管线，管线直径为24.5 cm，管线长约0.691 km，沿管线测量方向的海水深度平均13 m，最深处14.3 m，最浅处11.9 m。本次检测掩埋海底管道采用浅层剖面仪(SBP)，非掩埋海底管线采用多波束系统(MBS)和测扫声纳系统(SSS)。浅层剖面仪发射的声波反射和折射示意如图1所示。SBP通过回波反射特征，确定管道的埋置深度及悬空高度。

SBP利用通过低频声波脉冲在水下沉积物内传播和反射的不同特征，获得海底地层的声学剖面资料，根据声波到达时间和反射的强度来分析探测海底地层结构变化，由此判断地层的变化情况和分布。声波在地层界面之间的反射强度取决于界面两边介质声阻抗的差。对于不同介质，其密度分别为ρ1,ρ2，声波在其中传播的速度分别为v1,v2，当v1>v2，则声波的传播方向发生改变；反之，折射角大于入射角；当声波垂直入射时，则不会发生折线。反射强度系数B可以表示为：

(1)

3.2 检测方法

SBP海底管道检测时，测线方向正交于管道轴向，搭载在船体上的换能器以球面方式向海底持续发射具有强穿透能力低频脉冲声波，同时接受来自地层底质中声阻抗界面的回波反射信号，形成检测声图来进行地层剖面的记录，通过检测声图及不同底质对声波的反射特征实现对海底地质及管道状态的调查。由于管道与海底底质沉积物之间的声阻抗差异较大，故声波在穿透管道周围底层时管道成为声波探测中的一个绕射点，因此声图记录上的管道呈现出较明显的“弧”状绕射曲线特征(见图2a))。海底管道应用SBP检测，该方法仅能对管道截面进行探测，因此针对掩埋管道的数据获取，为保证管道中心线坐标的拟合及模型的精度，SBP采样间隔不宜过大，宜取10 m～20 m，本次试验中，采样间隔取10 m。

3.3 检测结果及分析

SBP的检测结果以高分辨率的声呐图像呈现，如图2a)，图2c)所示。

从图2可知，在多波束或测扫声纳检测大面积高效获取管道平面坐标的基础上(见图2b))，以一定间距进行浅层剖面仪检测管道剖面信息，可以直接判断出管道与海床的相对位置关系，确定其埋置深度以及悬跨高度，为管道的安全评估提供直接判断依据。如图2a)所示检测的是掩埋管道的埋深，如图2c)所示检测的是裸露管道。

4 结语

通过本次检测可知，在多波束或测扫声纳检测大面积高效获取管道平面坐标的基础上，浅层剖面仪作为海底管线检测方法，以一定间距进行管道剖面信息的检测，可以直接获取管道的高程信息，为后期检测结果的三维重构提供保障。