非掩埋海底管道应用多波束系统单探头检测方法研究

叶作安 李 志,2

(1.天津市陆海测绘有限公司，天津 300304； 2.天津大学建筑工程学院，天津 300072)

1 概述

随着海洋能源的迅速开发和利用，海底管道已成为海洋油气资源开发中的重要组成部分。至今中国累计总铺设长度已超过6 000 km[1]。海底管道事故会造成人员伤害、经济损失、环境污染及社会问题，维修处理的难度及成本也非常大[2]。2010年墨西哥湾发生的“深水地平线”事故对该地区的海洋物种造成严重伤害，且造成直接经济损失超过10亿美元[2]。因此，在役海底管道的安全状态检测具有重要意义。

2 研究现状

目前，海底管道常用的检测方法有人工潜水检测、水下机器人技术检测、基于光纤传感技术的检测方法以及基于声学探测技术的检测方法[3]。人工潜水局限于局部管道检测，水下机器人受限于续航能力和检测效率，光纤传感受限于管道需要敷设设备和更换设备困难，已经服役管道无法敷设[4]。基于声学探测的多波束系统(MBS)能够实现海底结构物探测[5]。因此本文将采用多波束系统(MBS)单探头对非掩埋海底管道进行安全检测。

3 海底管道检测

3.1 检测对象及设备工作原理

本次检测对象为胜利油田某海底输油管线，管线直径为24.5 cm，管线长约0.691 km，沿管线测量方向的海水深度平均13 m，最深处14.3 m，最浅处11.9 m。多波束系统采用Sonic2024多波束测深仪，辅助设备由DGPS导航定位系统、Octans光纤罗经、姿态传感器MUR、声速剖面仪SVP组成，结合数据处理系统实现海底管道状态的精确检测。多波束系统单探头工作原理示意见图1。

工作时多波束系统的空间分辨率可以表示为：

(1)

其中，α，φ分别为多波束系统横向、纵向单一波束的发射角；Ht为换能器正下方水深；θ为最边缘入射波束与竖直方向夹角，此时波束开角为2θ；c为声速；t为水平方向上最近声脉冲与边缘波束到达的时间差。

由式(1)可知，多波束横向分辨率σy与水深Ht、波束开角2θ及横向波束角α有关。取最边缘波束所对应的边缘波束脚印宽度为横向分辨率，其应不大于被测海底管道的直径D，即σy≤D，即：

(2)

由式(2)得到不同管径下临界波束开角2θ与水深Ht之间的关系如图2所示。

3.2 检测方法

根据目标管道D、检测水域水文资料及系统空间分辨率，由式(2)通过对多波束系统的波束开角优化计算得临界波束开角为94.3°。本次试验所采用的多波束单探头测深仪，其波束最大开角为160°，且10°～160°在线连续可调，试验将波束开角分别设计为130°(工程中常用)与95°进行检测对比试验。由于本次试验不研究航速对检测结果的影响，且为确保试验数据的可靠性及稳定性，本次试验测量船航速设计为5节，进而以达到更佳的检测效果。

3.3 检测结果及分析

检测结果以2D声图进行表达，如图3所示。

从图3分析可知，单探头多波束系统边缘波束质量较差，在扫测过程中的测线与目标管道轴线之间存在偏差，使管道偏离波束密集区域，较差的边缘波束严重影响了检测数据质量及结果的可靠性，导致检测图像中出现大量盲点。由图3a)与图3b)对比分析可知，波束开角对单探头多波束系统管道检测结果有一定影响，较小波束开角下管道检测盲区有减少，边缘波束质量有一定提高，增加了检测结果的可靠性及稳定性。

4 结语

通过以上实验分析可知，单探头多波束系统检测非掩埋海底管道，检测效果与波束开角有关。因此为了获得相对更高精度的检测结果，在检测之前需要详细了解管道直径以及管道的深度，确定合适的波束开角，以增强图像中管道边界而提高检测质量。但是该方法的缺点是只能检测非掩埋海底管道。