非掩埋海底管道應(yīng)用多波束系統(tǒng)單探頭檢測方法研究

葉作安 李 志,2

(1.天津市陸海測繪有限公司，天津 300304； 2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072)

1 概述

隨著海洋能源的迅速開發(fā)和利用，海底管道已成為海洋油氣資源開發(fā)中的重要組成部分。至今中國累計(jì)總鋪設(shè)長度已超過6 000 km[1]。海底管道事故會(huì)造成人員傷害、經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境污染及社會(huì)問題，維修處理的難度及成本也非常大[2]。2010年墨西哥灣發(fā)生的“深水地平線”事故對該地區(qū)的海洋物種造成嚴(yán)重傷害，且造成直接經(jīng)濟(jì)損失超過10億美元[2]。因此，在役海底管道的安全狀態(tài)檢測具有重要意義。

2 研究現(xiàn)狀

目前，海底管道常用的檢測方法有人工潛水檢測、水下機(jī)器人技術(shù)檢測、基于光纖傳感技術(shù)的檢測方法以及基于聲學(xué)探測技術(shù)的檢測方法[3]。人工潛水局限于局部管道檢測，水下機(jī)器人受限于續(xù)航能力和檢測效率，光纖傳感受限于管道需要敷設(shè)設(shè)備和更換設(shè)備困難，已經(jīng)服役管道無法敷設(shè)[4]。基于聲學(xué)探測的多波束系統(tǒng)(MBS)能夠?qū)崿F(xiàn)海底結(jié)構(gòu)物探測[5]。因此本文將采用多波束系統(tǒng)(MBS)單探頭對非掩埋海底管道進(jìn)行安全檢測。

3 海底管道檢測

3.1 檢測對象及設(shè)備工作原理

本次檢測對象為勝利油田某海底輸油管線，管線直徑為24.5 cm，管線長約0.691 km，沿管線測量方向的海水深度平均13 m，最深處14.3 m，最淺處11.9 m。多波束系統(tǒng)采用Sonic2024多波束測深儀，輔助設(shè)備由DGPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)、Octans光纖羅經(jīng)、姿態(tài)傳感器MUR、聲速剖面儀SVP組成，結(jié)合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)海底管道狀態(tài)的精確檢測。多波束系統(tǒng)單探頭工作原理示意見圖1。

工作時(shí)多波束系統(tǒng)的空間分辨率可以表示為：

(1)

其中，α，φ分別為多波束系統(tǒng)橫向、縱向單一波束的發(fā)射角；Ht為換能器正下方水深；θ為最邊緣入射波束與豎直方向夾角，此時(shí)波束開角為2θ；c為聲速；t為水平方向上最近聲脈沖與邊緣波束到達(dá)的時(shí)間差。

由式(1)可知，多波束橫向分辨率σy與水深Ht、波束開角2θ及橫向波束角α有關(guān)。取最邊緣波束所對應(yīng)的邊緣波束腳印寬度為橫向分辨率，其應(yīng)不大于被測海底管道的直徑D，即σy≤D，即：

(2)

由式(2)得到不同管徑下臨界波束開角2θ與水深Ht之間的關(guān)系如圖2所示。

3.2 檢測方法

根據(jù)目標(biāo)管道D、檢測水域水文資料及系統(tǒng)空間分辨率，由式(2)通過對多波束系統(tǒng)的波束開角優(yōu)化計(jì)算得臨界波束開角為94.3°。本次試驗(yàn)所采用的多波束單探頭測深儀，其波束最大開角為160°，且10°～160°在線連續(xù)可調(diào)，試驗(yàn)將波束開角分別設(shè)計(jì)為130°(工程中常用)與95°進(jìn)行檢測對比試驗(yàn)。由于本次試驗(yàn)不研究航速對檢測結(jié)果的影響，且為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性及穩(wěn)定性，本次試驗(yàn)測量船航速設(shè)計(jì)為5節(jié)，進(jìn)而以達(dá)到更佳的檢測效果。

3.3 檢測結(jié)果及分析

檢測結(jié)果以2D聲圖進(jìn)行表達(dá)，如圖3所示。

從圖3分析可知，單探頭多波束系統(tǒng)邊緣波束質(zhì)量較差，在掃測過程中的測線與目標(biāo)管道軸線之間存在偏差，使管道偏離波束密集區(qū)域，較差的邊緣波束嚴(yán)重影響了檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量及結(jié)果的可靠性，導(dǎo)致檢測圖像中出現(xiàn)大量盲點(diǎn)。由圖3a)與圖3b)對比分析可知，波束開角對單探頭多波束系統(tǒng)管道檢測結(jié)果有一定影響，較小波束開角下管道檢測盲區(qū)有減少，邊緣波束質(zhì)量有一定提高，增加了檢測結(jié)果的可靠性及穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

通過以上實(shí)驗(yàn)分析可知，單探頭多波束系統(tǒng)檢測非掩埋海底管道，檢測效果與波束開角有關(guān)。因此為了獲得相對更高精度的檢測結(jié)果，在檢測之前需要詳細(xì)了解管道直徑以及管道的深度，確定合適的波束開角，以增強(qiáng)圖像中管道邊界而提高檢測質(zhì)量。但是該方法的缺點(diǎn)是只能檢測非掩埋海底管道。