聲學探測技術(shù)在海底管道外檢測中的應用*

張建興，宋永東，欒振東**，馬小川，閻 軍

(1.中國科學院海洋研究所，中國科學院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室，山東青島 266071；2.中國科學院海洋大科學研究中心，山東青島 266071)

0 引言

隨著海洋石油資源的大力開發(fā)，海底輸油管道作為一種連續(xù)、快捷、輸送量大的高效原油運輸手段，已成為海上油氣田開發(fā)過程中油氣運輸?shù)闹饕绞絒1]。由于海底輸油管道安全與否對海洋生態(tài)環(huán)境具有重大影響，因此其鋪設竣工后的定期檢測評估成為海底輸油管道工程中不可或缺的工作內(nèi)容。海底輸油管道調(diào)查方法主要包括工程物探和潛水摸探兩類。工程物探基于聲學或磁力探測方法，通常用于前期大面積調(diào)查，具有效率高、成本低的特點，而潛水摸探主要用于小范圍的詳查和檢修[2-3]。近年來，許多專家學者對海底輸油管道的調(diào)查技術(shù)及應用方面進行大量研究，主要集中在地形地貌數(shù)據(jù)高精度處理、管道狀態(tài)定量識別表征、多技術(shù)綜合應用等方面[4-10]。

聲學探測因其快速高效的特點,目前仍是海底管道外檢測中應用的主流技術(shù)[11-13]。本文系統(tǒng)介紹了多波束測深、淺地層剖面、側(cè)掃聲吶等主流探測技術(shù)在海底管道外檢測中的應用效果，同時結(jié)合前人在掃描聲吶、合成孔徑聲吶等技術(shù)的應用成果，分析各類聲學探測技術(shù)的優(yōu)缺點和適用環(huán)境，指出管道外探測技術(shù)的發(fā)展趨勢，為后期海底管道的持續(xù)監(jiān)測、安全運營分析以及海洋生態(tài)環(huán)境的維護提供理論支撐。

1 海底管道狀態(tài)及檢測技術(shù)分類

海底管道在海底的賦存狀態(tài)包括埋藏、裸露、懸空、移位等基本類型[2]，根據(jù)具體埋深情況又可分為完全埋藏、淺埋藏、部分裸露、完全裸露、懸空等類型[14]。海底管道埋設方式的選取，通常需要綜合考慮水深、地形地貌、底質(zhì)、水動力條件等因素的影響。在淺海區(qū)，海洋水動力條件較強，海底地質(zhì)作用活躍，加之人類活動比較頻繁，海底管道設計埋藏較深，深度通常要達到管道直徑的1—1.5倍[2]；在深海區(qū)，波浪、潮流等因素影響較小，海管埋藏深度較淺，甚至直接鋪設在海床之上[2-3]。

海底管道檢測通常分為內(nèi)檢測和外檢測兩類[15]。內(nèi)檢測，顧名思義即對管道內(nèi)部進行檢測，主要采用清管器和智能檢測器等設備進行檢測；外檢測主要是針對管道所處位置、海域地質(zhì)水文環(huán)境、管道賦存狀態(tài)、外部腐蝕損傷等內(nèi)容進行檢測。從海底管道檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，外檢測技術(shù)主要包括聲學探測、磁法探測、潛水摸探技術(shù)等。外檢測技術(shù)的要點是確定海底管道的埋藏狀態(tài)及空間展布特征，而聲學探測技術(shù)因其快速高效、經(jīng)濟便捷等特點，成為海底管道外檢測的主流技術(shù)?；诼晫W原理并常用于海管外探測的技術(shù)包括單波束/多波束測深、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面、掃描聲吶、合成孔徑聲吶等多項內(nèi)容。

2 傳統(tǒng)聲學探測技術(shù)

傳統(tǒng)聲學探測技術(shù)包括單波束/多波束測深、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面探測等3項主要技術(shù)。目前，SONIC 2024多波束測深系統(tǒng)、SES 2000參量陣淺地層剖面系統(tǒng)、KLEIN 3000側(cè)掃聲吶系統(tǒng)在海底管道外檢測過程中應用最廣泛。多波束數(shù)據(jù)主要用于展示研究區(qū)水深、地形地貌分布特征，側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)可以直觀地顯示管道周圍的自然或人工地貌，淺地層剖面數(shù)據(jù)可以查明海底底質(zhì)狀況、管道埋深情況。具體工作時，可根據(jù)外業(yè)調(diào)查獲得的調(diào)查數(shù)據(jù)，首先利用Caris 9.1、SonarWiz 5.0、ISE 2.0等軟件對多波束、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面數(shù)據(jù)進行處理，進而通過Surfer、GoobalMapper、Arcgis等繪圖軟件對研究區(qū)水深、地形地貌、管道狀態(tài)進行成圖；在此基礎上，綜合各類聲學探測技術(shù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，取長補短，優(yōu)勢互補，對調(diào)查區(qū)管道賦存狀態(tài)進行綜合評估。

2.1 測線布設原則

在執(zhí)行海管外調(diào)查作業(yè)任務前，需設計調(diào)查方案，完成測線布設工作。測線布設應根據(jù)調(diào)查區(qū)域環(huán)境、調(diào)查目的及調(diào)查區(qū)范圍確定。通常來講，將整個海底管道調(diào)查工程劃分為近岸段、路由段、近平臺段等進行分區(qū)作業(yè)。近岸段水深較淺，潮汐作用強，漁業(yè)活動頻繁，存在沖刷潛在危害；近平臺段海底環(huán)境復雜，海底工程設施復雜，渦流影響大。因此，近岸段和近平臺段屬于重點調(diào)查區(qū)段，測線布置時要適當提高密度。

主測線按照一定間距平行海管中軸線布設，與等深線和岸線垂直，用于多波束測量和側(cè)掃聲吶測量；垂直管道路由的測線為橫測線或聯(lián)絡測線，主要用于海底淺地層剖面探測。在北部灣某單點系泊海底輸油管道測量中，為滿足多波束和側(cè)掃聲納全覆蓋的測量要求，結(jié)合單點系泊系統(tǒng)的實際現(xiàn)狀，以海管路由為中心，平行管道路由方向，均勻布設多波束和側(cè)掃聲吶測線(Zi)；垂直于管道路由方向，布設淺地層剖面橫向測線(SBPi)。為保證測線調(diào)查質(zhì)量，每條測線應對適當提前上線、延遲下線。為查明單點系泊管匯區(qū)的地形地貌特征，可圍繞單點系泊布設環(huán)形測線(Si)。測線具體布設示意圖如圖1所示。

圖1 海底管道調(diào)查測線布設示意圖Fig.1 Schematic diagram of survey and survey line layout of submarine pipeline

2.2 多波束測深

多波束測深系統(tǒng)主要用于海底地形的測量，能夠方便地獲取海底管道路由區(qū)及平臺區(qū)的水深地形資料，宏觀反映海底管道走向、出露或懸空管道特征。多波束測深系統(tǒng)基本原理是向海底發(fā)射一個由數(shù)百個單波束組成的扇形波束，波束到達海底后發(fā)生反射、散射等過程，回波被換能器接收，利用傳播時長、聲速等參數(shù)計算距海底的距離，通過走航式調(diào)查方法實現(xiàn)對水深的連續(xù)觀測，利用Caris等軟件對水深數(shù)據(jù)進行處理，制作三維地形圖，從而直觀地反映海底地形特征[16-17]。SONIC 2024多波束測深系統(tǒng)頻率為200—400 kHz，頻率在線連續(xù)可調(diào)；波束數(shù)目為256個，覆蓋寬度在10°—160°內(nèi)連續(xù)可調(diào)；最大測深量程達500 m，可完全滿足海底管道調(diào)查過程中的水深、海底地形測量精度要求。

圖2清晰展示了SONIC 2024多波束測深系統(tǒng)在海底管道路由區(qū)的調(diào)查效果。多波束測深系統(tǒng)調(diào)查結(jié)果表明，在北部灣某單點系泊海底輸油管道系統(tǒng)中，自登陸點至單點系泊(SPM)的管道路由調(diào)查區(qū)，海底地形整體平坦、水深沒有劇烈變化，同時還反映出管溝、土垅、錨鏈溝、礁石等人工和自然地貌類型。在近岸登陸段，受潮流、人工開挖管溝的影響，海底起伏凹凸不平，表現(xiàn)為崎嶇海底地形(圖2a)；在中間段，海底地形平坦，海底管道基本處于埋藏狀態(tài)(圖2b)；在近單點系泊處，在管溝一側(cè)發(fā)現(xiàn)有未回填形成的高土垅(圖2c)。此外，在錨鏈的影響下，海底底部形成了數(shù)條錨溝，海底地形局部有較大起伏變化(圖2d)。

圖2 SONIC 2024多波束測深系統(tǒng)顯示管道區(qū)海底地形地貌特征Fig.2 Characteristics of submarine topography in the pipeline area by SONIC 2024 multibeam sounding system

2.3 側(cè)掃聲吶

側(cè)掃聲吶用于獲得海底表面的聲反射信息，形象直觀地顯示海底管道的出露、懸空情況。其基本原理是,換能器發(fā)射出的高頻聲波信號在到達海底后發(fā)生反射，目標面向換能器的一側(cè)聲波信號將被反射，換能器將接收到的海底反射信號按信號強度的強弱還原，以圖像形式表現(xiàn)出來，形成具有地理參照，形象直觀的高分辨率聲吶圖像[18]。KLEIN 3000側(cè)掃聲吶系統(tǒng)頻率為100,500 kHz，單頻脈沖，波束開角水平0.7°(100 kHz)/0.21°(500 kHz)，垂直40°；波束傾角向下5°、10°、15°、20°、25°可調(diào)，最大距離在100 kHz時達600 m，在500 kHz時達150 m，額定深度1 500 m，是目前國內(nèi)外常用的側(cè)掃聲吶系統(tǒng)。

研究發(fā)現(xiàn)，KLEIN 3000側(cè)掃聲吶系統(tǒng)對海底管道調(diào)查區(qū)中的回填碎石、管道管溝、軟泥區(qū)等地貌類型的探測精度高、探測效果顯著。通過對側(cè)掃聲吶圖像進行分析，結(jié)合多波束調(diào)查結(jié)果，可以確定管道路由區(qū)內(nèi)的自然地貌形態(tài)和人工地貌形態(tài)(圖3)。

圖3 KLEIN 3000側(cè)掃聲吶系統(tǒng)顯示管道區(qū)海底地形地貌特征Fig.3 Characteristics of submarine topography in the pipeline area by KLEIN 3000 side-scan sonar system

2.4 淺地層剖面

淺地層剖面系統(tǒng)能夠反映海底淺層地層結(jié)構(gòu)信息，確定海底管道的平面位置和埋藏深度，對查明管道的埋藏、出露、懸空情況均適用。系統(tǒng)基于聲波反射原理，在沿著與海底管道軸向垂直的測線方向上進行走航式測量，儀器探頭發(fā)出的高頻聲波脈沖信號在海底沉積物與管道之間的界面上形成反射，換能器接收反射信號后，以模擬或數(shù)字信號的方式存儲輸出。在地層剖面上，海底管道會呈現(xiàn)出規(guī)則的、開口向下的拋物線狀記錄，拋物線的頂點即為海底管道的頂部，基于這種特性，地層剖面可以清晰地展現(xiàn)出管道在海底地層中的相對位置和埋藏情況[5,18]。SES 2000參量陣淺地層剖面系統(tǒng)的換能器發(fā)射兩組頻率不同的高頻聲波，由于高聲壓條件下聲波傳播的非線性，這兩組聲波互相作用，產(chǎn)生一種新的、頻率低、穿透性強的聲波，稱為次頻(4，5，6，8，10，12，15 kHz)，參量陣技術(shù)就是利用這種次頻來穿透地層，提供高分辨率和強地層穿透性的剖面數(shù)據(jù)。SES 2000參量陣淺地層剖面系統(tǒng)探測精度較高，目前在海底管道外檢測中得到了廣泛應用。

根據(jù)調(diào)查區(qū)海底管道的技術(shù)參數(shù)和鋪設施工完工方法定義，完全埋藏型管道埋藏深度大于0.5 m，淺埋藏型管道埋藏深度小于0.5 m，裸露型管道埋藏深度為0 m，管道部分或是全部裸露在海底。根據(jù)SES 2000參量陣淺地層剖面系統(tǒng)測量分析結(jié)果，考慮到管道直徑大小和埋藏方式的不同，在研究區(qū)識別出完全埋藏型、淺埋藏型和裸露型3種管道賦存狀態(tài)(圖4)。

3 其他聲學探測技術(shù)

3.1 掃描聲吶

掃描聲吶是目前比較先進的用于海底管道檢測的聲學探測技術(shù)，其采用海底支架靜態(tài)布放測量的方式，具有實時探測、操作簡單、成像清晰的特點。其工作原理是利用換能器發(fā)射聲脈沖，通過對回波信號的接收和處理形成圖像，然后定點旋轉(zhuǎn)探頭，重復發(fā)射接收的過程，形成完整、清晰、精確的海底圖像[16,19-22]。掃描聲吶包括二維掃描聲吶、三維掃描聲吶，如Kongsberg公司的MS1000二維掃描聲吶、Blueview公司的BV5000三維掃描聲吶。圖5展示MS1000二維掃描聲吶[16]、BV5000三維掃描聲吶在海底管道外檢測中的應用效果。掃描聲吶對海底裸露管道、錨鏈等具有非常直觀的顯示，成圖清晰、識別準確，能清晰展示探測目標的水下三維結(jié)構(gòu)，在海洋平臺、單點系泊等附近區(qū)域以及海水渾濁、能見度低的海水區(qū)域的管道探測發(fā)揮了重要作用，具有很好的推廣性和適用性。

圖5 掃描聲吶在海底管道檢測中的應用Fig.5 Application of scanning sonar in submarine pipeline detection

3.2 合成孔徑聲吶技術(shù)

作為一種高分辨率水下探測成像技術(shù)，合成孔徑聲吶已成為國際上的研究熱點。其基本原理是小孔徑基陣及其勻速直線運動形成虛擬的等效大孔徑，通過合成的大孔徑波束形成回波過程，實現(xiàn)高分辨率成像。根據(jù)其基本原理，合成孔徑聲吶具有很高的橫向空間分辨率，并且分辨率與聲吶工作頻率、作業(yè)距離無關(guān)[23-25]。合成孔徑聲吶甚至可以在低于30 kHz頻率下工作，可以很好地穿透地層探測海底埋藏目標。低頻合成孔徑聲吶被認為是掩埋物探測最有潛力、最可行的手段，在海底管道檢測中具有得天獨厚的優(yōu)勢。雙頻合成孔徑聲吶具有高低頻同步成像的優(yōu)點，可以用于海底管道埋藏狀態(tài)的識別。低頻信號用于埋藏目標的探測，高頻信號進行高分辨率表面成像。假如高頻圖像中不顯示海底管道，低頻圖像中顯示海底管道，表明管道處于埋藏狀態(tài)(圖6)。

圖6 合成孔徑聲吶埋藏管道成像效果[23]Fig.6 Imaging effect of buried pipelines by synthetic aperture sonar[23]

4 技術(shù)對比分析

多波束測深技術(shù)、側(cè)掃聲吶技術(shù)只能對海底裸露或懸空狀態(tài)的管道進行檢測，無法對埋藏狀態(tài)的管道進行檢測；掃描聲吶雖具成圖直觀準確、連續(xù)監(jiān)測能力強等優(yōu)點，但同樣無法對埋藏管道狀態(tài)進行檢測，并且通常缺少有效的定位坐標信息；淺地層剖面系統(tǒng)橫切管道，具有很好的垂向探測效果，但是探測不連續(xù)，導致空白段判斷難度增大，同時受底質(zhì)、海況等多種環(huán)境因素的影響較大；合成孔徑聲吶技術(shù)是海底管道檢測的理想技術(shù)，但目前也存在管道埋深定性判斷、設備價格高、性價比低等劣勢(表1)。

表1 海底管道常用聲學探測技術(shù)對比Table 1 Comparison of common acoustic detection technologies for submarine pipeline

我國渤海海域海底管道水深一般不超過30 m，東海海底管道水深在100 m左右，南海海底管道水深在數(shù)十米至上千米不等[16]。通常情況下，在水深較淺(小于30 m)的條件下，采用多波束測深、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面系統(tǒng)等傳統(tǒng)聲學探測技術(shù)進行海底管道探測，該探測技術(shù)組合基本滿足探測精度需求，作業(yè)效率高、成本低。在靠近平臺或者單點系泊處，為保障已建設施、船舶、人員及設備的安全，可以使用掃描聲吶進行探測；在100 m水深的海底管道，管道路由區(qū)同樣采用傳統(tǒng)聲學探測技術(shù)的組合進行探測;在靠近平臺或者單點系泊處，宜采用遙控無人潛水器(ROV)搭載探測設備進行探測。如果水深在幾百米甚至上千米的海域，海底管道通常不進行掩埋處理，建議使用ROV搭載探測設備進行作業(yè)。當然，在成本允許的前提下，也可以使用合成孔徑聲吶代替?zhèn)葤呗晠冗M行海底管道探測?？傊?，海底管道探測方案的選擇應綜合考慮水深、海域條件、設備優(yōu)缺點、作業(yè)載體、工作成本等因素，確定有效、高效、經(jīng)濟、適用的探測方案。

5 展望

(1)聲學探測技術(shù)是海底管道外檢測過程中應用最廣泛的探測技術(shù)，多波束測深、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面目前仍是海底管道外檢測過程中的主流探測技術(shù)。掃描聲吶、合成孔徑聲吶等技術(shù)手段的應用，有助于提高海底管道賦存狀態(tài)的準確識別和表征。

(2)各類聲學探測設備都有優(yōu)缺點，在外業(yè)調(diào)查過程中應盡量減小或避免干擾因素的影響，提高測量精度。海底管道外檢測方案的選擇應綜合考慮海域環(huán)境等多種因素，多種技術(shù)取長補短、互相驗證，才能為海底管道的安全穩(wěn)定運行提供基礎保障條件。

(3)雙探頭多波束系統(tǒng)[26]、雙頻合成孔徑聲吶等設備的研發(fā)應用，以及同一設備實現(xiàn)多類型參數(shù)的檢測、傳輸、分析的一體化，表明海底管道探測設備向集成化方向發(fā)展[27]。用于海底管道三維重建的點云技術(shù)[28]、三維掃描聲吶系統(tǒng)等新技術(shù)的廣泛應用以及許多專家學者對于各種聲學探測設備基本原理及精度影響因素的探討[29-30]，體現(xiàn)了海底管道的檢測精細化、識別智能化發(fā)展方向。綜上所述可認為，海管外檢測技術(shù)向著設備集成化、檢測精細化、識別智能化的方向發(fā)展。