多波束测深技术在海底管道悬空裸露检测中的应用研究

崔双民，张传隆，王 瑜，金长林，李敬恩

（中国石油冀东油田公司，河北唐山 063200）

多波束测深技术在海底管道悬空裸露检测中的应用研究

崔双民，张传隆，王 瑜，金长林，李敬恩

（中国石油冀东油田公司，河北唐山 063200）

介绍了一种海底管道悬空裸露检测的新方法，即多波束测深技术，该技术可精确获得海底管道悬空裸露的长度和高度，直接反映海底管道的三维空间状态，从而确定海管水下运行状态和水下治理的准确工程量，为下一步安全运行管理和隐患治理提供科学依据。同时，还能精确测出海管后挖沟的深度及海管在沟底中的空间位置，为后挖沟施工效果评价与施工方案调整提供依据。文章具体介绍了多波束测深系统的组成、工作原理以及海管悬空裸露和后挖沟效果的检测方法。多波束测深技术为海底管道的检测工作提供了一条更快捷、直观、精确的新方法。

海底管道；悬空裸露；测量；多波束测深

0 引言

随着我国海洋石油开采规模的扩大，海底油气管道建设逐渐进入高峰，中海油、中石油、中石化等大公司仅在渤海湾的海底管道已达数百千米。海底管道是投资高、风险大的海洋石油工程，它对海上油气田的生产起着至关重要的作用。海底管道所处的海洋环境极为复杂，受到风浪、洋流、风暴潮等自然因素作用，普遍存在裸露、悬空等安全隐患。海底管道长期悬空裸露，遭受风浪、海流冲击极易产生疲劳断裂；同时，由于近海工程施工、捕鱼作业和船舶抛锚等人为因素的破坏，海底管道破损事故也时有发生。海底油气管道一旦出现泄漏，将导致海上油气田停产，污染海洋环境，造成生态灾害，不仅抢修费用高昂，甚至引起海洋石油平台爆炸，给企业和国家带来巨大的经济损失。所以，对海底管道状态的科学检测是当务之急，也是海洋石油安全运行工作的重中之重。

目前海底管道裸露悬空隐患检测的常规方法是应用侧扫系统、浅地层剖面仪结合GPS定位系统，但受测线密度的影响 （由于行船原因一般测线密度为20 m），得出的检测结果不连续，不能直观显示在屏幕上；海管悬空高度需高水平潜水员通过经验判断，由于渤海湾产油区水下能见度几乎为零，海管悬空的测量精度严重受到影响，水下治理工程量无法准确计算。

本项研究主要将多波束测深技术，配合声速剖面仪、潮位仪及高精度GPS定位系统，应用到海底管道悬空裸露的海上检测以及海管后挖沟的检测，获得了精确的测量数据，为海管在海底的运行状况及后期治理提供依据。

本文将以冀东南堡油田某海底管道悬空裸露的检测为例，具体介绍条带多波束测深系统的组成、工作原理和海管悬空裸露、后挖沟效果的检测方法。

1 条带多波束测深系统的组成

多波束系统基本上由三部分组成。第一部分是多波束主系统，主要包括换能器阵列、收发机和处理单元等；第二部分为辅助系统，包括定位系统、运动传感器、GPS罗经和声速剖面仪；第三部分是后处理系统，包括数据采集系统和数据后处理软件、数据存储设备。

2 条带多波束测深系统的工作原理

主要是通过声波发射与接收换能器阵进行声波广角度定向发射、接收，通过各种传感器对各个波束测点的空间位置归算，从而获取与航向垂直的条带式高密度水深数据。

多波束测深系统的换能器 （探头）由接收阵和发射阵组成，工作过程中发射阵发射一个沿航迹方向上角度很窄 （1°）、垂直于航迹方向上角度很宽（最大160°）的声学脉冲信号，如图1所示。接收阵内置多个水听器基元，每个基元朝向不同的方向，并限定各自的接收角度：沿航迹方向角度较大（15°）， 垂直于航向角度很小 （0.5°）， 见图 2。

图1 发射阵发射声学脉冲信号

图2 接受阵接受反射回来的声学脉冲信号

发射波束与接收波束项目垂直交叉，形成256个0.5°×1°的波束，这些波束密集地排列在垂直于航迹方向的一条直线上，每个波束都在海底获得1个水深数据，如图3所示。

图3 条带多波束的扫描范围 (侧面)

3 条带多波束测深系统在海管悬空裸露检测中的

应用实例

3.1 工作流程

由于条带多波束测深系统除了本身的多波束测深主系统外，还包括各种辅助的传感器设备，例如声速剖面仪，用来测试当时海水面以下换能器位置的声速；卫星定位系统和GPS罗经用来导航和定位；潮位仪用来记录每天的潮差，归算到统一的高程基准面上，消除潮差影响；三维姿态仪记录船只的位置姿态 （横摇、纵摇、升沉情况）。

多波束系统的工作流程主要包括数据采集和数据后处理两大部分。

在数据采集阶段，由于多波束系统是一个包含众多辅助传感器的复杂系统，所以它的数据采集流程比较复杂与规范。首先要连接仪器，在此阶段，主要连接换能器的探头、甲板处理单元、GPS系统、罗经与计算机。此时，安放在码头附近的潮位仪处于启动状态，记录实时的潮位信息。然后开始调试各个仪器，通过超级终端软件，可以查看各个仪器之间是否连接正常并显示正确的数据。如果没有数据，则检查各个数据线是否连接正确，接线头是否连接牢固。当各个仪器设备连接无误后，最后启动软件，记录采集的多波束数据。

在数据后处理阶段，我们主要采用的是CARIS HIPS软件。

3.2 实例

利用条带多波束测深系统，我们对冀东油田X号岛至Y号岛之间的海底管道进行了检测与研究，主要是为了探测其空间位置状况，获得其裸露、悬空的长度和高度。用后处理软件，我们可以近距离地拉近并360°全方位地观察海底管道的3D图像，并且可以得到任意一点的水深值与坐标。

通过多波束系统的检测，发现该段海底管道多处出现裸露甚至悬空状态，存在着较大的安全隐患。图4是一段海底管道的三维图像，从电脑上我们可以很直观地看到海底管道的整体走势与裸露情况，也可以观察管道周围的海底地貌与地质特征。采用图像上各点不同的水深值之间的差值，可以计算出具体海底管道的裸露与悬空状况，以及后期治理的精确工程量。例如我们可以得到某处海底管道顶端的水深值A，然后再找到该处附近海底面的水深值B，那么 （A-B）的绝对值就是该处管道的裸露值，如果该值大于管径，那么此处很有可能已经处于悬空状态。

图4 管道多波束典型记录一

图5 管道多波束典型记录二

图5也是记录的一段比较典型的海底管道多波束三维图像，图像形象逼真，直观明了，像一个水下录像机似的直接反映海底管道的三维空间状态，从而克服了渤海湾浑浊水底能见度几乎为零的难题。这一段管道的两端是埋在海底面以下的，可是中间突然出现了一个深坑，造成该段管道处在悬空状态；利用多波束后处理软件可以知道，该段裸露管道顶端距离海水基准面的水深为5.6 m，而其附近的深坑底部距离海水基准面的水深为6.6 m，那它们之间的差值1.0 m就应该是管道的裸露高度值，由于管道的直径为0.56 m，所以，此处管道已经悬空了0.44 m。管道周围的自然海底面的水深值为5.0 m，那么该深坑的坑底高度为1.6 m，从图5中可以发现，该深坑大体呈一个平行四边形，利用其四个顶点的坐标值计算出该平行四边形的长与宽分别为13.42 m与7.62 m，进而得到其面积为102.26 m2，体积为163.62 m3。该计算成果给以后海底管道治理工作提供了较好的理论依据与数据支持，给悬空及裸露海底管道抛填砂石的土石方量提供了一个比较符合实际的测量值，防止了盲目治理导致用料过剩的问题，节约了成本，提高了作业效率。

4 条带多波束测深技术在海管后挖沟检测中的应用实例

我们还利用该技术进行了海管的后挖沟检测，对海管后挖沟效果进行了精确评价。海底输油管道大多利用挖沟后海水的自然回淤功能让管道埋至要求深度之内，多波束测深系统能实时检测观察海底管道的后挖沟状况，利用水深的差值对比反映挖沟的深度并且扫描显示管道后挖沟的形貌。例如，图6与图7就是我们针对海底管道后挖沟采集的多波束扫描图像，可以看到后挖沟的沟底与边缘，而海底管道被放置在沟底；利用后处理软件可以得到后挖沟沟底的水深值以及附近自然海底面的水深值，它们之间的差值就是后挖沟的深度值，从而判断挖沟的深度是否在要求范围之内，这样我们就可以检测出后挖沟的效果与状态。

图6 海底管道后挖沟典型记录一

图7 海底管道后挖沟典型记录二

5 结束语

将多波束测深技术应用在海底管道悬空裸露及后挖沟检测实际工作中，可精确获得海底管道悬空裸露的长度和高度，精确测量得到海底管道在海床的三维状态图，从而确定海管水下运行状态和水下治理的准确工程量，为下一步安全运行管理和隐患治理提供科学依据。同时，还可精确得出海管后挖沟的深度及海管在沟底中的空间位置，为后挖沟施工效果评价与施工方案调整提供了依据。

[1]胡银丰，朱辉庆，夏铁坚.现代深水多波束测深系统简介[J].声学与电子工程，2008，（1）：46-48.

Research and Application of Multi-beam Echo Sounding Technology in Inspecting Suspended and Exposed Sections of Subsea Pipeline

CUI Shuang-min（PetroChina Jidong Oilfield Co.,Tangshan 063200， China），ZHANG Chuan-long，WANG Yu，et al.

Applying multi-beam echo sounding technology can accurately obtain the length and height of suspended and exposed sections of subsea pipeline,and give pipeline 3D image,thus determine subsea pipeline operational status and exact treatment quantities needed.It offers the scientific basis for further pipeline safety management and hidden trouble treatment.In addition,multi-beam echo sounding technology can accurately measure the post trenching depth and the pipeline spatial position on the trench bottom for evaluating post trenching effect and regulating construction scheme.The composition and working principle of the multi-beam echo sounding system and the inspection method for suspended and exposed pipeline as well as the post trenching effect are concretely described.Multi-beam echo sounding technology provides a faster,more intuitive and more accurate method for subsea pipeline inspection.

subsea pipeline;suspension and exposal;measurement;multi-beam echo sounding

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.05.016

崔双民 （1967-），男，河北昌黎人，高级工程师，1991年毕业于大庆石油学院，现从事工程管理工作。

2012-02-28