水下穿越管道ROV檢測評價系統(tǒng)的應(yīng)用

金兆波 柳 雄 馮德佳 韋鳳聯(lián)

（1. 大慶市匯通建筑安裝工程有限公司，黑龍江 大慶 163311；2. 國家管網(wǎng)集團廣東運維中心，廣東 廣州 510710）

0 引言

西氣東輸管道線路西起新疆輪臺輪南首站，東達線路末站上海。途徑新疆、甘肅、寧夏、陜西、山西、河南、安徽、江蘇、上海等地區(qū)，線路全長約4000km，穿越眾多大中小型河流。水下穿越管道因地質(zhì)條件、施工等狀況使得管道外防腐層損傷嚴(yán)重，目前對這部分管道還未開展過全面檢測，僅靠岸邊測試樁檢測數(shù)據(jù)評估，詳盡的腐蝕與防護效果不清楚，更談不上對腐蝕與防護安全狀態(tài)的管控。

目前國內(nèi)外對水下管道檢測的技術(shù)手段主要包括潛水員水下作業(yè)、FieldSens技術(shù)、ONE-PASS技術(shù)和ROV技術(shù)。可查閱到的水下穿越管道的路由定位方法基本都是采用有源電磁信號檢測方法，就是給管道施加一個電磁信號，在管道上方用接收機接收信號確定管道位置和埋深，該方法成熟可靠。但是既能定位，又能檢測防腐層和陰保有效性只有ROV能夠全面實現(xiàn)[1]。

潛水員水下作業(yè)就是潛水員下潛至水底進行檢測時，需要將檢測設(shè)備和管道表面進行接觸，檢測的條件比較苛刻不易滿足，另外這種檢測的適用范圍有限，而且周期無法保證，安全風(fēng)險高，因此不具備普及的條件。

英國FieldSens管線探測儀是通過工作船拖拽接收器沿管道上方蛇形游走，水下信號接收裝置接收信號發(fā)射機給管道施加的電磁信號來定位管道位置。該技術(shù)屬于水中檢測技術(shù)，只能確定管線的位置。

美國STARTRAK公司生產(chǎn)的ONE-PASS河流穿越管道檢測系統(tǒng)，可在水面上對水下管道進行定位。給管道施加交流信號后，船載接收器在水中沿管道路由S形游走來定位管道位置，其檢測結(jié)果僅能提供位置和埋深信息，定位深度不超過40m，不能對陰保效果進行檢測，無法滿足外腐蝕檢測需求。

國內(nèi)River-ROV檢測系統(tǒng)將接收器和參比電極搭載到機器人上，通過推進器控制其移動，可下潛到水底在河床上（更靠近管道位置）對水下穿越管段實施路由定位、防腐層破損檢測、陰極保護效果評價等項目[2]。River-ROV檢測系統(tǒng)屬于電磁法+CIPS+DCVG多功能水下檢測技術(shù)，可潛入水下深度50m，水底河床定位覆土深度超過40m，適用環(huán)境尤為廣泛。

1 ROV搭載的檢測技術(shù)

穿越江河管道的檢測系統(tǒng)River-ROV，屬于纜控水下機器人檢測裝置，由水上控制顯示終端和水下檢測裝置組成，水上和水下部分通過臍帶纜實現(xiàn)連接，水上發(fā)電機提供動力。ROV系統(tǒng)整合2D水下環(huán)境聲吶探測、管道定位、陰保電位CIPS測量、電位梯度DCVG檢測、埋深測量、光纖通訊、GPS定位、數(shù)據(jù)庫及檢測數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，實現(xiàn)對江河穿越管道外防腐與陰極保護狀況等多方面的檢測。

1.1 管道電磁法定位、測深技術(shù)

對管道的位置、埋深及走向的測量，是對管道安全檢測的第一步，精確定位管線位置非常重要，儀器探測的深度及電流值均受管道定位精度的影響。應(yīng)用有源電磁探測方法，可實現(xiàn)對陸上及水下管道的探測。探測原理是：應(yīng)用發(fā)射機為管道施加交變的電流信號，在管道周圍會產(chǎn)生交變的磁場，使用電磁法感應(yīng)線圈在管道上方測量所施加信號的分布情況，依據(jù)信號分布規(guī)律可精確定位管道的位置，同時通過該信號值可以探測管道的埋設(shè)深度，實時顯示定位信號，自動/手動測定管道的埋設(shè)深度[3]。如圖1為峰值法定位示意圖。

圖1 峰值法定位示意圖

管道埋深的測量是在峰值法模式下實現(xiàn)的，即應(yīng)用兩個相同的有固定間距的水平磁感應(yīng)線圈，分別測出兩個線圈的磁感應(yīng)強度Et和Eb，可計算出埋深數(shù)值。管道埋深測量原理如圖2所示。

圖2 管道埋深測量原理

1.2 DCVG直流電位梯度檢測技術(shù)

直流電位梯度法的檢測過程是使用一個靈敏的毫伏表，兩端連接兩個測量電極。當(dāng)電極置于陰極保護所產(chǎn)生的電場上時，電極兩端電壓將不同。測量兩個電極在電場中產(chǎn)生的水平電壓梯度輸出值。應(yīng)用江河ROV管線檢測設(shè)備電位梯度測量功能，根據(jù)測量的電位梯度，來判斷水下管道的電位梯度分布狀況。依據(jù)已有的檢測標(biāo)準(zhǔn)，通過電位梯度的變化可以測量出管道防護層的缺陷位置。如圖3所示。

圖3 電位梯度示意圖

1.3 CIPS陰保檢測技術(shù)

現(xiàn)場使用江河管線ROV檢測系統(tǒng)，在管道上實施陰極保護的檢測。檢測裝置一端使用帶絕緣層的金屬導(dǎo)線與水下管線的測試點連接，導(dǎo)線的另一端與檢測裝置內(nèi)部的自動電位記錄儀相連接，記錄儀的另一端與飽和的硫酸銅參比電極相連構(gòu)成測量的回路。當(dāng)檢測系統(tǒng)放置在水中時，由于水是導(dǎo)體，并且在裝置定位在管道的正上方時，可以進行自動或手動的測量，所測得的電壓即為管道的保護電位。使用該系統(tǒng)可以測量管道沿線的電位分布狀況，通過電位的分布狀況可以判斷管道的陰極保護狀況，并間接分析管道上防護層是否存在缺陷。如圖4所示水下檢測裝置CIPS檢測示意圖。

圖4 水下檢測裝置CIPS檢測示意圖

1.4 聲吶檢測技術(shù)

聲吶是一種利用聲波水下傳播特性，通過電聲轉(zhuǎn)換和信息處理，完成水下探測和通訊任務(wù)的電子設(shè)備，屬于聲學(xué)定位范疇[4]。在水質(zhì)較差能見度較低的情況下，River-ROV裝置的視頻檢測系統(tǒng)只能在較短距離的可視（約為50cm），而ROV在水下的運動狀況及周圍環(huán)境狀況無法獲得，所以需要在系統(tǒng)中增加2D成像聲吶系統(tǒng)，來增加ROV在水下的可視性。通過BlueView的2D聲吶可以觀察ROV周圍的環(huán)境情況，一方面可通過聲吶判斷ROV在水下的位置及運動狀態(tài)為用戶提供水下環(huán)境狀況，起到避障作用；另一方面可以通過對環(huán)境的觀察判斷管道埋設(shè)環(huán)境的情況。由于ROV是潛到河床處作業(yè)，聲吶影像是現(xiàn)場判斷ROV是否位于水底的重要依據(jù)。如圖5為2D成像聲吶檢測圖。

1.5 視頻檢測技術(shù)

水下檢測平臺的視頻系統(tǒng)主要包括：水下照明燈、水下攝像機、視頻傳輸系統(tǒng)組成。在水下光照度及透明度不佳的情況下，可以開啟水下照明燈，利于水下攝像機對管道狀況及周圍環(huán)境狀況進行觀察和檢測。應(yīng)用視頻檢測系統(tǒng)可以對管道埋設(shè)情況、管道外表和周圍生物覆蓋情況進行直接的觀察及存儲。如圖6為水下機器人視頻檢測圖像。

圖6 水下機器人視頻檢測

2 檢測基本情況及結(jié)果

石馬河三穿越段檢測

穿越處管道管徑為Φ1016，起、終點里程158+347.0—158+594.3。管道參數(shù)如表1所示。

表1 管道參數(shù)

2.1 信號施加

在河?xùn)|岸測試樁處施加4安培640Hz檢測信號，兩岸電流信號均在1A以上，足以保證水下管道定位測深的信號需求。

陰保檢測信號：恒電位儀面板顯示通電點處電位波動極大，-300mV～-2000mV以上，初步判斷存在雜散電流干擾，為了現(xiàn)場測試結(jié)果的有效性，將恒電位儀調(diào)至手動輸出模式，此時測量電位為-1300mV，相對穩(wěn)定；該檢測項信號調(diào)制完成。

2.2 檢測現(xiàn)場

現(xiàn)場檢測人員對東莞站石馬河三穿越管段實施檢測，使用衛(wèi)星同步發(fā)射機在河?xùn)|岸測試樁處施加4A，640Hz檢測信號，兩岸電流信號均在1A以上，保證水下管道定位測深的信號需求。

為實施陰極保護系統(tǒng)有效性和外防腐層質(zhì)量狀況檢測，在恒電位儀串接衛(wèi)星同步斷流器，恒電位儀面板顯示通電點處電位波動極大，-300mV至-2000mV以上，初步判斷存在雜散電流干擾，為實現(xiàn)現(xiàn)場測試結(jié)果的有效性，將恒電位儀調(diào)至手動輸出模式，此時測量電位為-1300mV相對穩(wěn)定，保證測試工作的正常進行。

檢測人員在石馬河西岸搭設(shè)檢測平臺，同時將電位測試尾線從東岸牽引至西岸。原計劃采用ROV自身動力系統(tǒng)及單側(cè)拖行方式實施檢測，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)管道上方水深變化較大，管道橫向兩側(cè)水位變化較大，ROV水下運動裝置正常行駛（擱淺）作業(yè)難度極大，經(jīng)現(xiàn)場項目組討論，變更作業(yè)方案，采用兩岸拖行方式實施ROV檢測。

水下穿越段管道現(xiàn)場檢測流程：搭設(shè)好檢測平臺后進行儀器調(diào)試，儀器工作狀態(tài)良好時將ROV移至水較深處，實現(xiàn)ROV的自由運動，進而獲取管道水下穿越段各測點處的檢測數(shù)據(jù)。在ROV向管道方向運動的過程中，控制平臺處檢測人員時刻觀察信號顯示，確定ROV跨過管道后，控制ROV迅速下沉至河床，開始采集數(shù)據(jù)，在該過程中測量管道位置、水深、覆土深度、管地電位、電位梯度、聲吶等數(shù)據(jù)，之后開啟頂升使ROV上浮至水面獲取GPS信號，通過內(nèi)置慣導(dǎo)系統(tǒng)，精確換算出水下管道真實位置坐標(biāo)，該測點檢測完成后ROV行進至下一測點，重復(fù)上述操作直至整條河流穿越段檢測完成，進行數(shù)據(jù)分析。

2.3 檢測成果

（1）通過ROV檢測系統(tǒng)對水下管道路由進行探測，獲取到了管道覆土深度、水深以及埋設(shè)位置GPS坐標(biāo)等管道位置信息。測量結(jié)果表明該穿越管段未出現(xiàn)管道懸跨現(xiàn)象，管道最小埋深為1.67m，位于檢測段57.2m處，測點號P11；現(xiàn)場對各測點進行了水下環(huán)境聲吶攝像勘察，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象；該水域最大水深2.06m，最大水深處位于檢測段17.6m位置，測點號P5。檢測管段剖面圖如圖7所示；

圖7 檢測管段剖面圖（橫/縱坐標(biāo)軸1:1比例）

（2）應(yīng)用ROV檢測系統(tǒng)對穿越管段的陰極保護效果實施檢測。測得石馬河三穿越管段管地斷電電位處于-392.5～-1908.1mV之間，通電電位在-750.3～-1930.2mV之間，電位波動極大，雜散電流干擾嚴(yán)重，依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確判斷陰極保護有效性。建議在測試樁處應(yīng)用試片斷電法或極化探頭法測量管道極化電位，以供參考；同時為保證管道安全有效運行，應(yīng)開展管道沿線雜散電流檢測及治理；

（3）對水下管道實施外防腐層完好性檢測，現(xiàn)場應(yīng)用DCVG方法測試管地通斷電位梯度值，最大值僅為-2.3mV，通斷電位梯度差值最大為0.1mV，判斷水下管段無明顯防腐層缺陷。

3 結(jié)語

（1）能夠全面獲取管道覆土深度、水深以及埋設(shè)位置GPS坐標(biāo)等管道位置信息；

（2）能夠全線獲取水下穿越管段每處的陰保電位，評價陰保狀況；

（3） 能夠全程檢測水下穿越管道外防腐層附近處的地電位梯度，評價外防腐層完好性；

（4）通過現(xiàn)場應(yīng)用，證明水下穿越管道檢測評價系統(tǒng)ROV技術(shù)成熟、效果顯著，填補了水下穿越管段檢測盲區(qū)，為日后的運行維護、降低成本、保障安全提供強有力的技術(shù)支撐?？稍谒麓┰焦艿栏g與防護檢測領(lǐng)域內(nèi)推廣應(yīng)用，為其他水下穿越管道的安全運營管理提供借鑒。