兩種水下電纜平面探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

(天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院， 天津 300456)

0 引 言

隨著近年來(lái)海洋開(kāi)發(fā)的迅猛發(fā)展，海上采油平臺(tái)、海上輸油、輸氣管線的敷設(shè)遍布各處海域。平臺(tái)之間、平臺(tái)與陸地之間不僅有管線互相聯(lián)系，更有供電電纜、通信電纜互相聯(lián)接。鑒于海底地質(zhì)復(fù)雜，地震、海床塌陷、滑坡、洋流變化、海洋生物及船只拋錨都有可能造成電纜斷裂、破損，影響電纜的安全運(yùn)行[1]，海底電纜探測(cè)和識(shí)別已成為海底管纜探測(cè)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

海底電纜不同于海底管線，由于其直徑較小(一般為50～80 mm)，傳統(tǒng)的精密測(cè)深、側(cè)掃聲吶等探測(cè)手段不能對(duì)其進(jìn)行完整的探測(cè)和識(shí)別[2]，例如：側(cè)掃聲吶僅適用于裸露電纜，在平臺(tái)附近等區(qū)域或有奇效，但無(wú)法得到埋藏電纜的數(shù)據(jù)；同時(shí)，其對(duì)于小管徑管線與電纜得到的聲學(xué)圖像相似，適用范圍有限；傳統(tǒng)的淺地層剖面儀由于受技術(shù)限制，垂向分辨率一般為100 mm，僅對(duì)直徑較大的電纜有一定的探測(cè)能力。海底電纜擁有的電磁特性為應(yīng)用電磁法[3-4]手段進(jìn)行探測(cè)提供了一定的基礎(chǔ)。本文分別介紹目前海底電纜平面探測(cè)的兩種主要技術(shù)手段磁法探測(cè)及電磁感應(yīng)法探測(cè)的工作原理，并結(jié)合在渤海南部某油田電纜位置探測(cè)中的應(yīng)用成果進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)兩種海底電纜平面探測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中的不同優(yōu)勢(shì)，以期為不同工程中電纜位置探測(cè)技術(shù)方法的優(yōu)化組合提供技術(shù)參考。

1 兩種水下電纜探測(cè)技術(shù)

目前水下電纜的探測(cè)技術(shù)主要有磁法探測(cè)和電磁感應(yīng)法探測(cè)兩種。下面對(duì)兩種探測(cè)原理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1.1 磁法探測(cè)原理

海底電纜一般采用特殊的護(hù)套結(jié)構(gòu)[5]，主要包括加強(qiáng)的金屬護(hù)套、金屬加強(qiáng)帶和鎧裝鋼絲，而電纜結(jié)構(gòu)[6]一般分為導(dǎo)體、絕緣體、內(nèi)外屏蔽、金屬護(hù)套和非金屬護(hù)套以及鎧裝鋼絲和外被層。海底電纜本身含有鐵磁性材料，當(dāng)通電時(shí)將產(chǎn)生附加磁場(chǎng)，因此海底電纜的磁場(chǎng)模型T電纜[7]包括：(1)鐵磁性材料產(chǎn)生的磁場(chǎng)T1；(2)海底電纜通電時(shí)的附加電磁場(chǎng)T2。

T電纜=T1+T2

(1)

磁場(chǎng)T1由海底電纜鎧裝鋼絲產(chǎn)生，可被看成無(wú)限長(zhǎng)的水平圓柱體；磁異常形態(tài)可用無(wú)限長(zhǎng)圓柱體模型建立，其自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)不僅與海底電纜的走向有關(guān)，而且與其有效磁化強(qiáng)度和橫截面磁矩有關(guān)。磁場(chǎng)T2可理想化為一無(wú)限長(zhǎng)載流導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，其在周?chē)臻g產(chǎn)生的磁場(chǎng)符合比奧-薩伐爾定律[8-9]。海底電纜的鎧裝部分體積較小，產(chǎn)生的磁力異常值較弱，通電時(shí)電流磁場(chǎng)占主導(dǎo)地位。磁力梯度儀可測(cè)得磁場(chǎng)總強(qiáng)度T，通過(guò)分析總磁異常ΔT對(duì)海底電纜進(jìn)行定位[10]。

1.2 電磁感應(yīng)法探測(cè)原理

海底電纜是導(dǎo)體，當(dāng)電磁感應(yīng)法探測(cè)設(shè)備中的發(fā)射天線建立一定頻率的一次交變電磁場(chǎng)時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，其在海底電纜內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)頻率的感應(yīng)電流，并在周?chē)纬啥谓蛔冸姶艌?chǎng)，其頻率與一次交變電磁場(chǎng)頻率相同。接收天線接收該二次交變電磁場(chǎng)的水平分量，其量值為

Hx=kh/(x2+h2)

(2)

式中：Hx為二次交變電磁場(chǎng)水平分量；k為與海底電纜內(nèi)感應(yīng)電流強(qiáng)度有關(guān)的因數(shù)；h為接收天線至海底電纜間垂直距離；x為接收天線至海底電纜間水平距離。

當(dāng)接收天線探頭位于水下電纜正上方，即x=0時(shí)，二次交變電磁場(chǎng)水平分量最大，由此可確定水下電纜的水平位置[11]。具體探測(cè)方法可分為以下兩種：

(1) 直流充電法。利用海底電纜表面具有的金屬屏蔽層，將被測(cè)電纜停用并在一端金屬屏蔽層充直流電，另一端接地，使整根電纜周?chē)纬梢粋€(gè)均勻的直流感應(yīng)電場(chǎng)，采用設(shè)備接收該電磁場(chǎng)的水平分量，結(jié)合定位設(shè)備，探測(cè)到的信號(hào)峰值位置即為海底電纜的水平位置[11]。此種方法[12-13]也可應(yīng)用于導(dǎo)電金屬管線探測(cè)。

(2) 無(wú)源探測(cè)法。國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)的供電標(biāo)準(zhǔn)頻率為50 Hz，在電纜供電時(shí)其內(nèi)部傳輸?shù)慕蛔冸娏鳟a(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，采用設(shè)備接收該電磁場(chǎng)的水平分量，定位原理同上[11-13]。此方法的優(yōu)勢(shì)為無(wú)需接地、操作靈活方便、效率高、效果好，但在電纜緊鄰或密集的場(chǎng)合應(yīng)慎用。

2 實(shí)例設(shè)備介紹

以渤海南部某油田電纜探測(cè)為例，項(xiàng)目采用的電纜探測(cè)設(shè)備分別為電磁感應(yīng)法探測(cè)設(shè)備SCD-09海纜探測(cè)儀和磁法探測(cè)設(shè)備G-882磁力梯度儀。

2.1 SCD-09海纜探測(cè)儀

圖1 SCD-09海纜探測(cè)儀

SCD-09海纜探測(cè)儀(見(jiàn)圖1)是海軍工程大學(xué)近年來(lái)研發(fā)的一款海底電纜探測(cè)儀，其探測(cè)方法基于電磁感應(yīng)原理，屬于有源電法設(shè)備，分為兩個(gè)模塊：ZCC-25海纜探測(cè)發(fā)信設(shè)備和ZCC-25海纜位置接收設(shè)備。其能夠精確探測(cè)海底光纜、電纜路由位置和接地故障點(diǎn)。SCD-09海纜探測(cè)儀頻率探測(cè)范圍為0～200 Hz，具備0～800 Hz頻譜分析功能，可有效檢測(cè)10 nV級(jí)的信號(hào)并直觀顯示，從而可分析空間信號(hào)干擾情況，完成在復(fù)雜海洋環(huán)境下的海纜探測(cè)任務(wù)。

2.2 G-882磁力梯度儀

圖2 G-882磁力梯度儀

G-882磁力梯度儀是美國(guó)Geometrics公司生產(chǎn)的銫光泵磁力儀，如圖2所示。它是以工作物質(zhì)的原子能級(jí)在磁場(chǎng)中產(chǎn)生塞曼效應(yīng)為基礎(chǔ)，結(jié)合光泵技術(shù)和核共振技術(shù)構(gòu)成的[14]。其既可探測(cè)物體的固有磁場(chǎng)，也可探測(cè)電磁異常。配有高度回聲測(cè)深儀模塊，量程為0～100 m，分辨率為量程的0.25%，通過(guò)量取拖纜長(zhǎng)度結(jié)合軟件內(nèi)置拖曳模型可準(zhǔn)確地計(jì)算拖魚(yú)拖曳時(shí)的Layback數(shù)值，結(jié)合記錄的GPS位置軌跡和速度，實(shí)現(xiàn)每個(gè)點(diǎn)的精確定位。

3 實(shí)際應(yīng)用對(duì)比

3.1 工程概況

按照管纜維護(hù)周期規(guī)定，渤海南部某油田電纜需進(jìn)行維護(hù)性調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容為兩平臺(tái)間的電纜路由探測(cè)，檢查電纜路由是否有障礙物、電纜破壞、電纜位移等隱患存在。該段探測(cè)路由全長(zhǎng)約2.3 km，路由段內(nèi)有2條管線及1條電纜平行分布，電纜走向大致為西北-東南向。

采用的調(diào)查設(shè)備包括：導(dǎo)航定位設(shè)備、側(cè)掃聲吶、電纜探測(cè)儀、測(cè)深儀。其中，側(cè)掃聲吶主要用于掃測(cè)障礙物及裸露電纜。由于電纜直徑小于100 mm，淺地層剖面儀主要用于探測(cè)管線位置，采用校核磁法探測(cè)電纜位置。

3.2 調(diào)查方法對(duì)比

本次調(diào)查計(jì)劃線分為橫測(cè)線和縱測(cè)線：縱測(cè)線垂直于電纜路由，沿東北-西南向布設(shè)[15]，間距為100 m，測(cè)線長(zhǎng)為500 m，共計(jì)24條，平臺(tái)端盡量靠近并適當(dāng)加密；橫測(cè)線平行于電纜路由，分別于電纜路由及其兩側(cè)50 m各布設(shè)1條，共計(jì)3條。在測(cè)量過(guò)程中，首先進(jìn)行側(cè)掃地貌調(diào)查，之后進(jìn)行淺地層剖面調(diào)查，最后分別進(jìn)行磁法和電磁感應(yīng)法電纜探測(cè)。

3.2.1 磁法探測(cè)

為消除船體固有磁場(chǎng)及電磁場(chǎng)干擾，磁法探測(cè)選用木質(zhì)船舶、船尾拖曳式進(jìn)行探測(cè)作業(yè)，拖纜長(zhǎng)度應(yīng)大于3倍船長(zhǎng)[16]。由于現(xiàn)場(chǎng)水深為15～20 m、船長(zhǎng)為22 m，同時(shí)依據(jù)單物體在空間產(chǎn)生磁場(chǎng)的原理可知，物體在空中產(chǎn)生磁場(chǎng)是按球狀分布的，而空中某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度與距該物體距離的3次方成反比[2]，因此為了保證探測(cè)精度，設(shè)備距海底必須足夠接近，一般保持距離約2 m。對(duì)磁力梯度儀G-882不同拖纜長(zhǎng)度的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確定在拖纜施放為75 m、船速為2 kn時(shí)測(cè)量狀態(tài)較好?？紤]到當(dāng)磁背景場(chǎng)復(fù)雜時(shí)，所探測(cè)目標(biāo)的磁異常難以分辨，在遇到強(qiáng)磁場(chǎng)干擾時(shí)，有可能掩蓋海底電纜的磁異常信號(hào)[17]等，為了在平臺(tái)附近兼顧平臺(tái)磁場(chǎng)較強(qiáng)以及尾拖設(shè)備的安全性，實(shí)際選定的測(cè)線最近距離距平臺(tái)100 m。

將GPS定位數(shù)據(jù)信息接入磁力儀軟件中，并同步輸入GPS至拖曳點(diǎn)距離、后拖電纜長(zhǎng)度(拖曳點(diǎn)至水下拖魚(yú)距離)對(duì)GPS定位數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)改正，在發(fā)現(xiàn)電纜磁異常信號(hào)時(shí)進(jìn)行坐標(biāo)摘取。為得到更精確的電纜平面位置坐標(biāo)，采取往返測(cè)量。

3.2.2 電磁感應(yīng)法探測(cè)

SCD-09電纜探測(cè)儀具有探測(cè)準(zhǔn)確度高、不受其他固有磁異常干擾等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)船體材質(zhì)沒(méi)有要求，但須避免電磁干擾。由于該段電纜須保持通電作業(yè)狀態(tài)，因此采用無(wú)源探測(cè)法，在作業(yè)前提前獲知本區(qū)域電纜為交流電，頻率為50 Hz。調(diào)整SCD-09設(shè)備頻率至50 Hz。設(shè)備采用船舷安裝，將設(shè)備安裝于船舷外右側(cè)1 m處，無(wú)需入水。

為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量及測(cè)量效率，在測(cè)量時(shí)船舶速度保持在3～4 kn。鑒于該設(shè)備感應(yīng)的是電纜中的交變電磁場(chǎng)，管線和平臺(tái)不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，實(shí)際完成的測(cè)線距平臺(tái)相對(duì)較近，最小距離為50 m。為保證定位準(zhǔn)確，作業(yè)前將GPS安裝于SCD-09正上方，在電纜出現(xiàn)異常信號(hào)時(shí)，于軟件中提取其坐標(biāo)位置。為了得到更精確的電纜平面位置坐標(biāo)，采取往返測(cè)量。

3.3 數(shù)據(jù)處理方法對(duì)比

3.3.1 磁法探測(cè)

磁力梯度儀不僅可探測(cè)物體的固有磁異常，而且也可探測(cè)電磁異常。因此，磁力梯度儀G-882不僅探測(cè)到了電纜位置，而且同時(shí)也獲得了路由區(qū)域內(nèi)的管線位置，這為后期數(shù)據(jù)處理時(shí)與其他資料的對(duì)比提供了更多的選擇。在項(xiàng)目中路由探測(cè)段未發(fā)現(xiàn)裸露電纜，無(wú)法對(duì)磁力梯度結(jié)果與地貌調(diào)查中的裸露電纜數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，因此采用淺地層剖面儀探測(cè)到的埋藏管線位置坐標(biāo)校核磁力儀探測(cè)到的管線及電纜坐標(biāo)。

數(shù)據(jù)處理方法主要分為以下兩步：

(1) 往返探測(cè)坐標(biāo)修正。在探測(cè)結(jié)束后，首先對(duì)磁力梯度儀探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行Layback改正、磁偏角改正、地磁日變改正等，得出電纜探測(cè)位置坐標(biāo)，之后對(duì)往返測(cè)量結(jié)果計(jì)算的兩次結(jié)果計(jì)算平均位置坐標(biāo)，得到電纜、管線初步探測(cè)成果。

(2) 多源數(shù)據(jù)校核。在修正往返探測(cè)坐標(biāo)后，對(duì)磁法探測(cè)數(shù)據(jù)與淺地層剖面儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比發(fā)現(xiàn)磁力梯度儀探測(cè)成果呈現(xiàn)為一條折線，其原因?yàn)楹笸弦纺Ｐ推聘恼源嬖谝欢ㄆ?。由于淺地層剖面儀為立桿式安裝(GPS位于其正上方)，而磁力儀為尾拖式測(cè)量，淺地層剖面儀的平面測(cè)量精度(±1.0 m)優(yōu)于磁力儀(±1.0～±5.0 m)，因此，可將磁力儀探測(cè)結(jié)果(管線和電纜)按照淺地層剖面儀所得的管線結(jié)果沿磁力探測(cè)測(cè)線方向進(jìn)行聯(lián)合偏移，近似認(rèn)為偏移之后所得的電纜位置為實(shí)際電纜位置[18]?；诖耍Y(jié)合淺地層剖面儀資料，經(jīng)偏差分析后進(jìn)行聯(lián)合平移，最終得出更準(zhǔn)確的電纜探測(cè)位置。

3.3.2 電磁感應(yīng)法探測(cè)

電纜探測(cè)儀SCD-09在測(cè)量過(guò)程中，基于設(shè)備原理，僅能采集到擁有電磁異常的電纜位置，無(wú)法探測(cè)管線位置，因此其探測(cè)結(jié)果無(wú)法與淺地層探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，僅能與地貌探測(cè)中的部分裸露電纜段位置進(jìn)行對(duì)比。在面對(duì)本次調(diào)查中電纜無(wú)裸露或深水區(qū)域地貌探測(cè)精度降低等情況時(shí)，資料對(duì)比則更加困難。

圖3 SCD-09電纜探測(cè)儀與G-882磁力梯度儀 電纜探測(cè)結(jié)果對(duì)比示例

由于電磁感應(yīng)法探測(cè)儀采用船舷固定安裝，與磁力梯度儀相比，其往返測(cè)量誤差較小，對(duì)往返測(cè)量得到的兩個(gè)電纜位置直接計(jì)算中值坐標(biāo)，結(jié)合地貌側(cè)掃中的裸露電纜位置，最終得到電纜位置探測(cè)結(jié)果。

3.4 定位精度對(duì)比

為保證對(duì)比結(jié)果的可靠性，選取遠(yuǎn)離平臺(tái)200 m外的探測(cè)路由段對(duì)兩種探測(cè)手段得到的電纜位置探測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖3和表1所示。

表1 SCD-09電纜探測(cè)儀與G-882磁力梯度儀電纜探測(cè)結(jié)果對(duì)比 m

續(xù)表1 SCD-09電纜探測(cè)儀與G-882磁力梯度儀電纜探測(cè)結(jié)果對(duì)比 m

由表1可知：電纜探測(cè)儀SCD-09與磁力梯度儀G-882電纜探測(cè)位置最大差值為9.0 m，最小差值為1.84 m，平均差值為4.38 m。按照均方差公式，計(jì)算其均方差σ，可得σ為1.573 m。結(jié)果表明：兩種探測(cè)設(shè)備的探測(cè)結(jié)果互差值較小，符合性較好，均基本滿足在海上施工的需要。由于在本次項(xiàng)目調(diào)查區(qū)域未進(jìn)行海底電纜潛水探摸，無(wú)法對(duì)比實(shí)際電纜位置情況，希望以后的項(xiàng)目能有機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)際比對(duì)。

4 結(jié) 論

對(duì)電纜探測(cè)儀SCD-09與磁力梯度儀G-882的數(shù)據(jù)采集、處理方式及調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，它們的優(yōu)劣點(diǎn)總結(jié)如表2所示。相比較而言：SCD-09電纜探測(cè)儀在外業(yè)實(shí)施及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方面更簡(jiǎn)便，在復(fù)雜區(qū)域(如平臺(tái)等海上構(gòu)筑物附近)將發(fā)揮獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[19-20]，但其缺點(diǎn)為在測(cè)前需獲取電纜通電信息并且可對(duì)比資料較少；而G-882磁力梯度儀無(wú)需提前獲知電纜通電信息，可對(duì)比資料多，但其具有處理繁瑣、存在相對(duì)較大的測(cè)量誤差等缺點(diǎn)。在實(shí)例項(xiàng)目最終探測(cè)結(jié)果的對(duì)比上，兩種手段獲得的電纜位置相對(duì)差異較小，符合性較好，但由于在本次項(xiàng)目調(diào)查區(qū)域未進(jìn)行海底電纜探摸，無(wú)法對(duì)比電纜實(shí)際位置情況，期望在以后的工作中能獲得探摸資料以便進(jìn)行全面對(duì)比分析。

總之，兩種探測(cè)方式的優(yōu)劣不能一概而論，比如G-882磁力探測(cè)儀可同時(shí)探測(cè)電纜、管線的情況，其可對(duì)比的其他探測(cè)資料選擇多，理論上可在其他探測(cè)手段的輔助下獲得較精確的探測(cè)結(jié)果，但在錯(cuò)綜復(fù)雜的管纜區(qū)域，這反而變成極大的干擾，很難得到精確的電纜探測(cè)結(jié)果。因此，本文僅總結(jié)了兩種探測(cè)方式的作業(yè)方法、數(shù)據(jù)處理方法和應(yīng)用范圍等方面的對(duì)比情況，在海底電纜平面位置探測(cè)中，還需針對(duì)不同的環(huán)境因素、電纜情況等采用不同的設(shè)備，確定不同的實(shí)施方案以達(dá)到高效、精準(zhǔn)的作業(yè)目的。

表2 SCD-09電纜探測(cè)儀與G-882磁力梯度儀的差異對(duì)比