基于水下超聲測距方法的海底管道屈曲變形測量技術研究

王克寬，段瑞彬，何亞章，于德周，王來臻

1.中國石油集團工程技術研究有限公司，天津 300451

2.中國石油集團海洋工程重點實驗室，天津 300451

3.中國石油集團海洋工程有限公司海洋工程事業(yè)部，山東青島 266555

海底管道是海上油氣田系統(tǒng)的主要組成部分[1]。隨著服役年限的增加或由于人為因素及自然災害等外力影響，管道會產生不同程度的屈曲變形[2]。為防止受損海底管道進一步變形或破損而造成環(huán)境污染及經濟損失，一般根據管道受損程度及狀態(tài)采取適宜的維修方式，以保障管道運行安全[3]。因此，精準測量管道受損狀態(tài)、獲取管道屈曲變形的特征數據并據此評估管道的損傷程度，對管道維修和保障管道運行安全至關重要。

在海況條件良好的海域，海底管道屈曲變形測量通常采用潛水員觀察探摸法、ROV/AUV 輔助目視攝像法以及激光、聲吶等常規(guī)測繪方法[4-5]，但對于高渾濁度、低能見度以及高流速等海況條件惡劣的作業(yè)海域，常規(guī)的測量方法通常難以適用或無法滿足工程測量精度的要求。

本文依據水下超聲測距原理，針對惡劣海況下海底管道變形測量精度、作業(yè)效率及施工安全性需求，研究海底管道屈曲變形精確測量技術，以期為復雜海域海底管道屈曲變形修復工程施工提供切實可行的技術手段。

1 海底管道屈曲變形超聲法測量技術原理

1.1 水下超聲測距原理

超聲法測量海底管道變形的技術基礎是超聲測距技術，采用直達波測量原理，當發(fā)射探頭發(fā)射一束超聲波在水中傳播到達結構物表面，除部分聲波進入管道內，大部分聲波將被反射回水中傳播并被接受，如圖1所示。

圖1 水下超聲測量原理

管道變形值由聲波在水中傳播的雙程時間和水中的平均聲速確定[6]，測量從開始發(fā)射超聲波到接收到反射波所經歷的時間，則可計算探頭與反射面的距離，從而計算管道變形量。

式中：H為管道變形量，m；C為聲速，m/s；t為測量時間系統(tǒng)探測的發(fā)射和接收聲波的時間差，s。

技術可行性方面，為了適應被測變形缺陷的變化，要求發(fā)射的超聲波束具有盡可能小的擴散角，以保證較強的方向性，需要制作專門的水下測量用超聲波探頭（換能器），滿足管道測量要求；為保證測量信號的同步性，需要制作專用水下同步掃查器；為適應水下應用環(huán)境，采用發(fā)射、接收雙探頭集成化測量，需要隔離或削弱由發(fā)射探頭直接傳到接收探頭的直達波。超聲波信號在距離被測物體較遠時會有一定的信號衰減，導致信號失真，因此在遠距離測量時保證超聲波傳輸能力與聚焦特征是超聲激勵與接收系統(tǒng)所要解決的關鍵問題。

1.2 管道外表面三維模型的構建

測取管道的屈曲變形特征，首先需構建管道外表面三維模型，再依據模型對變形幾何要素進行精確計算[7]，從而得到橢圓度、彎曲度等變形特征值。因此需要建立水下測量坐標系，引入數學化描述方法，對管道外表面上的點進行數學化描述，從而構建管道外表面三維模型。如圖2所示，以管道確定的橫截圓為標準圓，以其圓心o為坐標原點，分別以該標準圓互相垂直的半徑軸為x軸、y軸，以管道軸向方向為z軸，構建水下測量坐標系o(x，y，z)。

圖2 水下測量坐標系

實際測量中，以標準圓的圓周為測量標準零點，通過超聲傳感器測得管道外表面某點P與等效標準零點o′(x′，y′，z′)的距離h，再配合其他傳感器測量P點在管道軸向方向與測量原點的距離l以及P點與等效標準零點的圓心o的連線沿管道環(huán)向的逆時針偏移角度θ，通過坐標變換，即可得到P點的直角坐標系值。

式中：r為標準圓半徑。

當測量點位置坐標數達到一定數量時，可通過樣條插值等數學方法，構建管道外表面三維模型，測量點的數量決定模型的精確程度。由于被測管道與測量傳感器位于同一坐標系內，因此測量過程中需確保傳感器與被測管道之間的相對位置可控，即確保測量過程中水下坐標系的一致性，從而保證測量點位置坐標值的準確性。

2 超聲測量屈曲變形精度控制

聲速是超聲測距公式中的關鍵因子，也是海底管道變形超聲測量的重要參數，水中聲速不受管道變形程度影響，但與水下環(huán)境溫度、海水鹽度、深度等傳輸介質條件密切相關，因此需要根據水下介質條件的變化修正超聲波聲速值，以保證測量結果的準確性。溫度與水中聲速對照數據（1 標準大氣壓下）如表1 所示，溫度每上升1 ℃，聲速增加約4 m/s；鹽度每增加1‰，聲速約增加1 m/s；水深每增加10 m，近似增加1個大氣壓的壓力，聲速增加約0.2 m/s[8]。因此可知聲速對溫度變化敏感，鹽度對聲速的影響較弱，深度變化165 m 相當于水溫變化1 ℃。本文采用如下平均聲速修正公式：

表1 不同溫度變化與水中聲速對照

式中：C為聲速，m/s；T為溫度，℃；S為鹽度，‰；Z為深度，m。

3 海底管道屈曲變形超聲測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)由測量工裝、超聲激勵/接收系統(tǒng)、前置放大器、數據傳輸系統(tǒng)、終端采集器及上位機軟件組成。測量工裝用于搭載超聲傳感器進行管道缺陷掃查；超聲激勵/接收系統(tǒng)是超聲信號的發(fā)射端與接收端，與前置放大器共同完成超聲信號的前期處理；數據傳輸系統(tǒng)的作用是將傳感器模擬信號數據傳輸給終端采集器，最終由上位機軟件完成信號處理與分析，系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 測量系統(tǒng)結構

測量系統(tǒng)的測量過程為：采用換能器垂直于管道表面發(fā)射聲波，當聲波遇到管道時發(fā)生反射，發(fā)射回波信號返回接收端并被其接收，通過進一步數據處理，得到管道變形坐標值。

為了使激勵/接收系統(tǒng)發(fā)揮最好的性能，研制了500 kHz 和1 MHz 的超聲測量換能器，集成度高、小型化且適應于水下測量，參數指標見表2。

表2 超聲換能器參數指標

控制模塊（見圖4）是連接測量主機和測量工裝的中間環(huán)節(jié)，用于識別測量命令，通知測量主機采集超聲信號，調理編碼器信號，同時控制高精度旋轉測量裝置按既定圈數轉動。整個觸發(fā)及控制模塊系統(tǒng)可以根據實際需要進行觸發(fā)密度連續(xù)調節(jié)。傳感器工作在海洋環(huán)境下，易受潮流、砂石等干擾，影響測量準確度，在控制模塊中進行了較強的抗干擾屏蔽設計，避免因外界環(huán)境帶來的誤觸發(fā)現(xiàn)象。

圖4 控制模塊

作為測量系統(tǒng)的關鍵部分，超聲脈沖發(fā)射/接收器（見圖5）具有較好的低噪接收響應和較豐富的脈沖發(fā)生器調節(jié)功能，包括發(fā)射脈沖重復頻率控制、脈沖電壓控制（對給定的探頭，調節(jié)激勵脈沖幅度）、激勵探頭頻帶范圍選擇（對于方波脈沖發(fā)生器，脈沖頻帶寬度與激勵探頭固有頻率匹配時能得到較好的激勵效果）、接收器的增益范圍調節(jié)以及簡單的低通和高通濾波等功能。除此之外，還包括射頻信號輸出、外部觸發(fā)信號輸入、同步脈沖信號輸出，在使用過程中光電編碼器的輸出脈沖信號連接，用來控制激勵脈沖的發(fā)射與超聲波的接收等功能。外部觸發(fā)信號輸入接口與上位機內的超聲采集卡連接，將接收探頭收到的超聲信號傳送給上位機超聲采集部分。

圖5 超聲脈沖發(fā)射/接收器

4 工程應用

位于杭州灣海域的某海底原油管道在全線檢測中發(fā)現(xiàn)兩處較為嚴重的變形缺陷，變形量分別達到22%、12%，工程采用管卡方式進行修復，該維修方式要求精準測量管道變形缺陷特征，以指導管卡的設計及安裝，因此測量結果的準確性對項目施工十分重要。由于杭州灣海域海況條件差，是世界上三大兇險海況的海域之一，水下能見度為零且潮差大、流速大，常規(guī)的測量方法無法實施或測量精度無法滿足工程需求。

工程中采用超聲測量系統(tǒng)進行了管道變形特征的測量。由同步掃查器搭載超聲測量系統(tǒng)，以掃查器作業(yè)起始點為原點建立水下坐標系。在水下坐標系中獲取管道表面坐標值，進一步建立變形管道的三維模型（見圖6），計算各變形特征值，得到管道的橢圓度、彎曲角度、傾斜角度等特征值，作為管卡安裝施工的數據依據，保障維修管卡的順利安裝。

圖6 管道三維模型

5 結論

1）以水下超聲測距原理為基礎形成的海底管道屈曲變形測量系統(tǒng)可克服高渾濁度、低能見度以及高流速等惡劣海況條件，實現(xiàn)管道變形特征的測量，并能夠保證工程應用測量精度，測量數據具有明確的工程指導意義。

2）超聲測量系統(tǒng)測量海底管道變形的精度受海底環(huán)境條件、測量數據處理方法、施工條件以及配合工裝等多種因素影響，工程應用中需要根據實際情況作相應的參數修正。

3）海底管道變形特征的超聲法精準測量結合結構管卡安裝的維修方式是海底管道屈曲變形缺陷維修的有效手段，具有實際推廣意義。