渤海海域某海底管道探测技术研究

韩天培 王鹏飞

摘   要：本文以海洋多波束测深技术在海底管道探测中的应用为研究对象，首先分析了多波束测深系统及其校准方法，进而探讨了其在渤海地区海底输油管道探测中的应用思路，全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：多波束测深技术  管道探测  校正

中图分类号：P631                                   文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）11（b）-0038-02

多波束测深系统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，在与航向垂直的垂面内形成条幅式高密度水深数据，能精确、快速地测出沿航线一定宽度条带内水下目标的大小、形状和高低变化，从而精确可靠地描绘出海底地形地貌的精细特征。

采用多波束测深仪对海底管道路由区进行水深测量，水深数据是分析海底管道沉降变化的基本信息之一，也是分析路由区地形冲刷变化的基础数据。通过技术处理，可以直观看到海底管线弯曲走向、状态、管线抛沙维护以及插桩扰动等信息，科学准确地为海底管道维护提供技术数据。

1  多波束测量系统及其校准

完整的多波束系统除了具有复杂的多阵列发射接收换能器和用于信号控制、处理的电子柜外，还需要高精度的运动传感器、定位系统、声速剖面仪和计算机软、硬件及其显示输出设备。典型多波束系统应包括 3 个子系统： （1）多波束声学子系统，包括多波束发射接收换能器阵和多波束信号控制处理电子柜。（2）波束空间位置传感器子系统，包括电罗经等运动传感器、DGPS 差分卫星定位系统和 SVP 声速剖面仪。运动传感器将船只测量时的摇摆等姿态数据发送给多波束信号处理系统，进行误差补偿。卫星定位系统为多波束系统提供精确的位置信息。声速剖面仪为准确计算水深提供精确的现场水中声速剖面数据。（3）数据采集、处理子系统，包括多波束实时采集、后处理计算机及相关软件和数据显示、输出、储存设备。

多波束换能器阵在安装时应严格垂直，如果发生横向偏移，纵向俯仰或者左右旋转，会使同一位置在不同航向测量时造成测量误差，所以在多波束系统安装后应进行横摇（Roll）、纵摇（Pitch）和航向（Yawing）校正。

1.1 横摇偏差校正

横摇（Roll）校正和航向（Yawing）校正应选择在海底平坦区，确定一条较短的试验测线往返测量。选择符合要求（主要是航迹较直、重复性好）的记录经后处理进行对比，确定横摇校正参数。

1.2 纵摇偏差校正

纵摇（Pitch）校正应选择在一个斜坡上进行，试验测线垂直斜坡布设，往返测量。选择符合要求的记录经后处理进行对比，确定纵摇校正参数。

1.3 电罗经偏差校正

电罗经安装后应进行电罗经指向与船首向的一致性校正。因多波束测深系统发射的扇形声波及接收阵的排列是与船首向垂直的，如果电罗经与船首向不一致，将影响换能器阵的发射、接收角度，导致覆盖宽度减少。电罗经校正应在船只靠泊码头或船坞上进行，精确测定船首向与电罗经进行对比，确定电罗经的校正值。

1.4 导航延迟校正

导航延迟与船只航行速度有关，它引起测点位置沿航迹方向的前后位移。因此，进行导航延迟校正的合适目标是突起岩石、疏浚海穴、管道线、尖角等。以相同的测线来回穿过目标几次，选择最高的可能船速（要求船速不变），以减小电罗经和纵摇偏差效应。测量结束后，叠加2个方向的所有测线，标出2个不同方向测线测得的目标。如果多波束系统存在导航延迟，则两个方向测线测得的同一目标是分离，确定延迟值。

2  多波束测深在海底管道探测中的应用

通过先进多波束测深调查手段来检测海底管线运行状态，评估风险，势在必行。2018年5月，在某油田海区进行了多波束勘测，希望通过测量，准确地确定海底管道的位置及状态，为以后海油安全运输等工作提供可靠的基础资料。

2.1 测线布设

因多波束属于全覆盖测量，与单波束相比可以有效地提高测量效率。在进行海底管道探测时，单波束测线一般沿着垂直管道的方向布设，测线的间距通常为20～100m，测线数量巨大。如在胜利油田某管线探测过程中，就以基本间距20m布设单波束测线，工作量很大。多波束测线只需要沿管线两侧一定距离平行布设两条测线。有时甚至是沿管道路由布设一条测线就足够了，这样就大大提高了测量效率，而且完全满足要求。

2.2 声速控制

声速剖面导致的声传播路径的弯曲，如图1所示，由于声速随深度的改变，多波束換能器发射的声束将不会按原定角度以直线路径传播，而是走一条曲线。这在多波束测深系统声速校正时已作校正。产生了设计覆盖区与实际覆盖区的差别，容易造成漏测。因此在测线设计前应收集测区的声速资料，大致计算由于声传播路径的弯曲导致的覆盖范围的改变，提供设计测线时参考。

2.3 多波束施测及成果分析

传统的海上油田调查一般使用单波束测深仪靠近平台测量，测量过程中受平台及井架的遮挡，GPS 定位精度大大降低，甚至不能定位。另外平台桩柱附近的水深及平台下方的水深很难测到，而且靠近平台测量很不安全，但利用多波束系统宽覆盖、高分辨率的特点对油田进行调查，在距离平台一定范围就可以准确测出平台的位置以及平台下方和周围的地形，再通过对多波束数据的精细处理，可以确定管道的位置和掩埋状态。图2是利用多波束系统在海上油田采油平台调查中测绘的地形图，该图清晰地显示了平台周围及平台下方的地形特征、管道走向及状态，并且可以明显看出平台桩柱的位置以及平台安置后形成的地形扰动。

多波束測深系统不仅为我们提供水深地形数据，而且还能提供声照射区的反向影像图。多波束海底声像图的形成及应用研究，通过数据处理和图像镶嵌，输出类似侧扫声呐的海底声像图，悬空和裸露段的多波束海底声像图和声呐影像互相镶嵌拼接，能够立体反映出整条海底管道的悬空、裸露及埋藏状况，对已经出现悬空和出露的管道及时提出风险预警和解决方案，避免事故发生，降低了风险，为安全采油和海洋环境保护提供了科学保障。

3  结语

因多波束的波束角的存在，对管道的探测能力会随着水深的增加而线性降低，解决水深因素限制的方法之一就是使测量系统尽量贴近海底，如将多波束系统安装在 ROV 中施测。多波束测深技术是通过测量管道与海底面的相对高差来检测海底管道掩埋状况的，对尚未完全掩埋的海底管道，可以使用多波束测深技术确定管线位置和掩埋状况，对完全掩饰埋的海底管道无效。全面分析海底管道的状况，要配合浅地层剖面仪和侧扫声呐等物探设备进行综合检测，才能获得较好的效果。

随着多波束技术的发展，浅水多波束系统在海洋工程项目中的应用会越来越广泛。目前的实践主要是多波束系统在海底地形上的应用，多波束测量系统可以准确地得出某点的水深，精确得到海底管道的高度和位置，具有高效、直观和高分辨率等特点，通过 DTM 网格插值可以获得较为直观的彩色晕渲图。这些技术在我国还有深入研究和普遍应用的空间，随着多波束技术更广泛的发展和应用，它在海底管道探测中所占的地位会越来越明显。

参考文献

[1] 冯永赞.多波束测深系统在湛江港航道疏浚工程中应用[J].科技创新导报，2011（3）：125-126.

[2] 赵阳，崔志伟.多波束测深系统在天津港航道疏浚工程中应用[J].科技创新导报，2011（8）.

[3] 邹献华，周兴华，严新生，等.GPS在水利工程施工控制网中的应用[J].水利科技与经济，2006（5）：328-330.

[4] 陈学辉.水下测量GPS-RTK技术应用[J].中国高新技术企业，2010（4）：38-39.

[5] 邵士林.谱写航道疏浚事业新篇章[J].中国水运，1998（12）.

[6] 本刊编辑部.第一次全国水利普查数据处理试点培训班在南京举行[J].水利信息化，2010（3）.

[7] 胡大根，杨世坤，冯雪辉.积极发展江西水上运力[J].中国水运，2005（10）：26-27.

[8] 张涛.航道疏浚工程造价管理的现状及措施研究[J].品牌（理论月刊），2010（12）.