基于电磁拟合算法的水下穿越管道检测系统（DEEP SEE SYSTEM）应用研究

王立明 杜 邵 何世亮 阮伟东，3

（1. 广西天然气管道有限责任公司，广西 北海 536000；2. 宁波市慧通管道科技有限公司，浙江 宁波 315600；3. 浙江工业大学，浙江 杭州 310023）

0 引言

在过去的几十年间，我国已经建造了数千公里的海底管线以及约13万公里的陆地长输油气管道。随着我国天然气消费需求的不断增大及环保要求的不断提高，我国天然气管道的里程数将呈现爆发式增长，预计“十三五”到“十四五”期间，中国油气管网主干道总投资将达到16000亿元，新建10多万公里管道，我国长输油气管道总里程将超过30万公里。

在长距离油气管道输送中，由于我国的地理环境，穿越河流的管道比其他穿越管道的频次高、距离长，是长输油气管道建设中不可避免的一项关键工程，也是长输管道安全的薄弱环节之一，穿越段常年受河水冲刷，特别是洪水季节，河床摆动、河岸崩塌等引起的穿越管段横向与纵向变形，时间长了管道存在裸露的风险，从而导致管道发生漂浮及第三方破坏，且在日后管理中很难掌握其工作状态和运行变化规律。

尤其是定向钻及大开挖施工技术成熟后，对于一些大型定向钻河流穿越管道，管道埋深变化范围非常大，有的甚至达到20～30m，市场上现有的探测埋深的仪器设备普遍存在埋深检测深度不足、精度不高、防腐层缺陷检测困难等诸多问题，难以满足技术上的需求，水下穿越管道及定向钻穿越管道的检测已经成为管道检测检验领域面临的新技术难点。

目前国内外学者对管道的检测进行了较为广泛的研究，但是对水下穿越管道及大埋深管道的探测方法研究不多，国际上目前主要采用美国ONE-PASS 水下管道检测系统进行检测。天津市嘉信技术工程公司研发将管道探测技术融合到水下ROV设备中，发明了River ROV（Remote Operated Vehicle）水下管道检测装置，该系统属于缆控水下机器人检测装置，由水上控制显示终端和水下检测装置组成，水上和水下部分通过脐带缆实现连接，由发动机提供动力[1]。

宁波市慧通管道科技有限公司以电磁法为基础，研究了基于动态算法的大埋深管道计算方法，并基于此技术开发了水下穿越管道检测系统DEEP SEE SYSTEM。

1 概述穿越河流管道检测方法

根据GB/T 373692-2019《埋地钢质管道穿跨越段检验与评价》[2]附表B，目前对于穿越河流管道的检测方法主要有四种，分别为电磁拟合技术法、电磁固定公式法、IMU法与水下管道检测装置法（如表1所示）。

表1 穿越段埋深测量技术适用性选择（穿越方式）

1.1 电磁法+拟合公式

电磁法拟合技术以美国ONE-PASS产品与宁波市慧通管道科技有限公司开发的DEEP-SEE系统为代表。

在穿越河流管道两端的测试桩处，用电缆将管道连接为闭合回路，发射机给管道一定频率的电磁信号，接收机采用电磁峰值法，接受管道上方的信号值，在穿越河流段采用皮划艇辅助方式，沿管道S形路径穿越管道，从而收集管道信号值，并根据信号衰减模型计算深度。同时，声纳采集水深，GPS对采集点的坐标进行记录。

该方法的优点是可以计算管道大埋深，但是操作程序繁琐，工序较多。为了尽量降低人为因素的影响，DEEP SEE系统开发了数据自动实时采集功能，在河流作业时系统直接自动采集数据，并且将GPS信号/电磁信号/声纳数据三者实时匹配，提高了数据采集的精确性。

1.2 电磁法+固定公式

该方法是计算管道埋深的经典方法，以英国雷迪公司产品为代表，其利用处于管道正上方具有一定间距的两个水平线圈同时测试不同高度位置处管道水平磁场强度信号，并将信号值代入相应的计算公式中，即可直接计算出管道的检测深度。在计算过程中，与计算相关的参数（例如土壤电阻率、磁导率、修正系数等）是通过大量的实验和应用经验选取得到的。采用该方法可实现管道检测深度的实时显示，操作简单方便。

目前市面上绝大多数管道检测设备的埋深计算均是基于此方法，以RD雷迪系列产品为例，在几十年的发展过程中，其不断对静态计算方法的参数进行修正，使埋深的检测范围提升至8m左右。

1.3 水下管道检测装置

水下穿越管道检测装置，以天津市嘉信技术工程公司研发的River ROV（Remote Operated Vehicle）水下检测系统为代表，该系统整合了管道定位、阴保电位测量、电位梯度检测、管道埋深测量、DGPS定位等技术手段，集成度高，克服了检测中的水深问题，但是管道埋深计算仍然采用的是静态计算方法，不能应用于大埋深管道，且管道平面定位精度为±0.5m，精度不高。

2 水下穿越管道DEEP SEE系统介绍

2.1 DEEP SEE系统构成

如图1所示，水下穿越管道DEEP SEE检测系统由高精度测绘系统、埋深测量及定位系统、声纳水深测量系统和数据采集处理系统四部分组成。DEEP SEE系统技术参数如表2所示。

表2 DEEP SEE系统技术参数

图1 助剂加注装置简图

如图2所示，低频大功率电磁发射机主要输出256HZ，512HZ，1000HZ及3000HZ频率的电流，输出电流由1A～5A电流不等。

图2 DEEP SEE系统信号发射机

信号接收机（如图3所示）包括信号接受探棒、信号接收器、探棒里面内置水平信号接收器与垂直信号接收机，可以同时显示水平信号与垂直信号大小及方向。

图3 DEEP SEE系统信号接收系统

2.2 动态计算方法

电磁信号拟合法主要是基于电磁信号随着管道和接收天线系统之间距离的增加，信号的振幅递减的原理，从而计算分析管道的埋深。

采用定位管道及埋深检测，声纳技术测量水深并测绘河床等高线，辅以实时动态载波相位差分技术（RTK），将发射机、接收机、测深仪和GPS组合应用于水下穿越段管道检测的实时定位和同步采集。

动态计算法主要是基于管道上的低频电磁信号，通过已经获知的电磁信号衰减计算模型，根据岸上校准点的数据不断修正计算模型（如图4所示），同时分析不同模型的拟合度与残差，从而获得本次检测河流适用的最佳模型。

图4 电磁信号衰减曲线

通过该修正拟合模型，分析计算检测河流管道的埋深。

2.3 检测实施过程

如图5所示，DEEP SEE系统水下检测实施流程主要包含四大部分：（1）前期准备工作；（2）陆上数据采集；（3）水下数据采集；（4）数据处理与绘图。

图5 DEEP SEE系统水下检测实施流程

2.3.1 前期准备工作

DEEP SEE系统检测流程主要分为9个步骤，其中第1～第5个步骤为准备工作，可以在不同的时间窗口完成，但是第5～第8个步骤一定要在同一个窗口或者时间段完成，就是为了避免不同时间段管道所处环境变化带来的电磁信号发生变化。其中，前5个步骤分别为：

（1）资料收集与现场勘察；

（2）测试桩回路连接；

（3）校准点打孔及信号采集；

（4）GPS设备架设；

（5）岸上管道走向标记。

2.3.2 陆上数据采集

陆上数据采集主要是采集已选取的校准点及陆地地形的代表点位置的GPS坐标，以方便在后期制图中，能够完整的显示出穿越段两端管道走向及所经地形变化。

（1）从测量起始点开始向岸边进行管道定位，每隔10～50m安装一个标识牌，进行记录每个标识桩牌的编号、所在位置管道信号值及GPS坐标直到岸边，测量点的位置完全按照DM探测的管道位置进行打点记录；

（2）在特殊地形处，例如堤岸、护坡、河岸处、管道标志桩、转角桩、测试桩、可通行区的建筑、公路、桥梁，交叉管道等特殊的点，进行标记，以保证后期制图中能够显示出管道走向及地形变化；

（3）同样的工作要在河流对岸进行。

2.3.3 水下数据采集

在进行水下管道数据采集时，将信号接收机、声纳系统及GPS系统设置连接于电脑上，软件设置完成并测试保证所有数据采集无误，DEEP SEE系统将自动化采集管道电磁信号与声纳数据及GPS坐标，三者数据实现实时匹配，从而精确地测量出管道正上方管道的水深、坐标值以及电磁信号值。

数据采集过程中，皮划艇以S形轨迹行驶，行驶轨迹会出现在测试屏幕中（如图6所示）。

图6 DEEP SEE系统水上数据采集过程

其中一人驾驶船只，控制船只使其沿S形轨迹行驶，行驶中注意保证切割间距为3～5m（视具体情况而定），在经过管道时尽量垂直经过管道，如船体无法垂直管道通过，则一定保证管线仪接收器垂直于管道走向。

2.3.4 数据处理与绘图

在采集完成陆上管道与水下管道的数据之后，采用校准点处的修正拟合模型，对陆上管道与水下管道的埋深进行反演计算分析，并绘制管道平面图与剖面图。

3 穿越河流管道检测示范应用

3.1 管道信息

某油气管道采用大开挖直埋的方式沿西-东方向穿越九州江敷设。穿越管段管道材质选用L450，规格为φ711mm，壁厚为11.1mm，设计压力8.0MPa，当前运行压力为2.4MPa，本次检测穿越管段长度约为500m，于年2011年10月投产使用，管道采用3PE防腐层，采用外加电流阴极保护。

3.2 检测结果

经现场检测，穿越段存在多处浅埋和露管的管段。图7和图8分别为穿越管段平面图和剖面图。其中，浅埋段：测点15～18浅埋，长度20m；测点25～29浅埋，长度约50m；测点32～34浅埋，长度27.5m；测点41～43之间浅埋，长度估约15m；露管段：测点19～24露管，长度约37m。

图7 穿越管道平面走向

图8 穿越管道剖面图

3.3 声纳复核

通过DEEP SEE系统检测发现管道存在露管的情况，为了进一步核实检测情况，并确认管道是否存在悬空以及悬空高度等信息，采用水下机器人搭载多波束程序声纳对管道进行侧扫。

采用多波束成像系统，采用两种方式对管道进行勘察。一种是从管道上方沿着管道从西岸一直勘察到管道东岸；第二种方式是采用侧扫（多波束方向垂直于管道，ROV在管道侧面）的方式从管道的西岸一直侧扫到管道东岸，发现西岸存在露管（如图9所示），距离西岸入水点位置约30m处开始，露管合计约37m，距离西岸入河点约67m左右结束，与DEEP SEE系统检测结果吻合。

图9 多波束成像侧扫露管

3.4 结果评定

经现场检测发现陆上管道埋深均大于0.8m。依据GB 50253-2014《输油管道工程设计规范》[3]，符合设计规范要求。

表3 管沟穿越水域的管顶埋深（m）

依据GB 50423-2013《油气输送管道穿越工程设计规范》[4]，该穿越管段穿越类型为大型穿越，参考大型穿越设计规范，该管段所处河流为无冲刷或疏浚的水域，最小埋深值≥1.5m方可满足要求。

经现场检测，穿越段存在多处浅埋和露管的管段。其中，浅埋段：测点15～18浅埋，长度20m；测点25～29浅埋，长度约50m；测点32～34浅埋，长度27.5m；测点41～43之间浅埋，长度估约15m；露管段：测点19～24露管，长度约37m。

4 检测关键因素分析

4.1 环境影响因素分析

在对管道进行检测过程中，管道与电缆线连接成为闭合回路。在检测过程中，闭合回路的电阻会随着现场环境的变化而发生变化，比如下雨等造成土壤电阻的变化等，导致闭合回路电流信号的变化，因此在检测中，信号采集过程与校准点信号拔高必须保证在同一窗口期完成，且信号采集完成后，需要对校准点的信号进行复核。

4.2 采集过程误差分析

在对管道上方电信号采集时，需要保证采集点是管道正上方且接收机必须垂直于管道的走向，这样采集的信号才是最大值。

在对岸上管道信号采集时，可以很好的掌握探棒的方向，很好的保证采集的准确性。但是在水面对管道采集过程时，无法确认管道的具体走向，因此在采集时需要时刻注意采集软件中船舶行驶的方向与管道走向的位置，尽可能的保证探棒垂直于管道的走向。否则采集的数据不是管道正上方的最大值，对埋深的反演计算会有误差。

5 结语

针对河流穿越管道，本文对水下穿越管道检测方法进行了阐述，结合工程实际，采用基于电磁拟合技术的DEEP SEE系统对某穿江管道的埋深进行了实际工程应用，并采用多波束成像声纳进行了露管复核，发现基于电磁拟合法的技术可以有效实现大埋深管道的检测，DEEP SEE系统可以实现对河流穿越管道的位置与埋深的精确探测，为管道安全状态提供技术指导，应用前景良好。

对于大开挖敷设的水下穿越管道，建议在检测完成之后，采用多波束成像系统进行全线侧扫，进一步确认管道的露管或悬空情况。

目前，国内长输油气管道检测检验中，并未实现对水下穿越管道的检测，建议对水下穿越管道的信息进行收集，并定期对水下管道进行检测，建立管理数据库，从而实现对水下穿越管道的实时监控与分析，为水下管道安全运行提供保障。