声呐与多波束测深技术在海底管道检测中的应用

曹兰杰，陈小华

(天津市陆海测绘有限公司，天津 300304)

0 引 言

随着海洋油气田的开发，各种海底管道应运而生。海底油气管道作为油气资源的一种快捷、经济、安全的输送方式，被称为海洋油气工程的“生命线”，包括输油、输气、输水等各种类型管道[1]。海洋油气资源的不断发展，促进了海底管道的规模不断增大，加之海洋海底环境异常复杂，并受风浪、海流、侵蚀等因素的影响，容易造成海底管线出现裸露、悬空、甚至管线断裂等情况，存在较大的安全隐患，并引发巨大的经济损失，环境污染严重[2-3]。经统计分析，中国海域和墨西哥湾约203起海底管道泄漏事故的主要原因之一为冲刷悬空[4]，这不仅对正常的生产运输产生影响，造成巨大的经济损失，而且严重污染了海洋环境，在一定程度上破坏了海洋生态。因此，在海底管道铺设完成后，有必要采取适当的手段，对海底管道进行定期的维护性检测，掌握海管路由及其周边海底地形、海底地貌状况，以便及时采取维护措施，排除安全隐患。目前，常用的海底管道调查方法有：侧扫声呐、多(单)波束测深技术、浅地层剖面测量、LBL高精度定位技术、海洋磁力测量等。其中，多波束测深和侧扫声呐可以较好地探测海底地貌和海底障碍物，应用较为广泛[5-6]。

本文采用侧扫声呐和多波束探测两种方法相结合，对南海某海域输气管道进行探测，对比两种方法在管道探测中的应用效果，分析海管安全运行存在隐患的地质，探测海管位置及裸露悬空情况，以便为海管的安全运营和及时治理提供依据。

1 声波探测技术原理

1.1 侧扫声呐技术

侧扫声呐是通过声学换能器，向航迹两侧海底发射低入射角(10°～20°)的窄波束、一定周期的高频扇形波束的脉冲，声波到达海底后反射到声呐换能器。换能器将声能转换为电能，并根据所接收回波信号的强弱，将图像显示在屏幕上，生成海底地形、地貌图。侧扫声呐系统一般包括工作站、绞车、拖鱼、打印机、GPS接收机等设备。其中工作站控制整个系统的工作，是侧扫声呐的核心。图1为声呐工作原理示意图。

图1 侧扫声呐工作原理示意图

1.2 多波束测深技术

多波束测深系统一般由窄波束回声测深设备、回声处理设备两部分组成。多波束测深系统是利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，从而得到从发射声波到回波的时间，并利用所得时间计算出水深值[7]。获取回波信息后，通过中央小入射角波束的振幅检测以及其他波束的相位检测，可解算单一波束的波束中心和某点回波的斜距，进而获得测点水深。换能器波束测点水深Dtr和距离中心点的水平位置X分别表示为：

(1)

(2)

式中，C为平均声速，t为波束测量时间，θ为接收波束与中央垂线的夹角，即入射角。如图2所示。

图2 多波束水深计算原理示意图

多波束测深系统通过发射波束与接收波束，利用往返回波的时间确定斜距并得到精确的水深数据，进而在辅助测量系统GPS的帮助下获得水下波束的空间位置。

多波束系统换能器为船舷式安装，以换能器安装杆与水面交点作为参考点建立船体坐标系(图3)。

图3 多波束系统安装侧视图

试验中多波束换能器安装在测量船的右舷，GPS定位仪的天线盘安装在测量船驾驶室顶部，IXSEA Octans光纤罗经安装在测量船的中轴线附近；以多波束声呐探头安装杆与海水面交点作为参考原点建立船体坐标系，定义船右舷方向为X轴正方向，船头方向为Y轴正方向，垂直向上为Z轴正方向，量取各传感器相对于参考点的位置[8]。

2 实例分析

2.1 工程概况

测区位于南海某海域，海域水深约70 m，海底输气管道直径为60 cm，管道长为19.5 km。该管道大部分为裸露状态，压块维护区域为埋藏状态，平台近端及部分路由区域为悬空状态。本次实验主要以管道路由区域的海底地貌以及裸露、悬空管道为研究对象进行探讨分析。

2.2 实验主要仪器设备

实验采用EdgeTech 4200MP侧扫声呐系统、ResonSeaBat T50P型多波束测深系统。仪器的参数指标如表1所示。

表1 侧扫声呐和多波束测深系统参数指标

2.3 测线布设

(1)地貌扫测：使用侧扫声呐扫测海底地貌情况，测线方向平行于海管路由方向，在海管两侧各布设一条计划测线，测线距海管路由间隔100 m。

(2)水深地形测量：扫测计划测线按平行路由中轴线的方向布设，测线间距采用水深的2.5倍进行布设；扫测时，所有的多波束测线两端均延长100 m，以使罗经充分稳定下来，保证测量数据的可靠。

3 典型地质、海管图像特征

3.1 未冲刷海底图像特征

图4(左)为平滑海底的侧扫声呐图像，可以看出，探测区域内图像整体呈现浅色调，这是由于海底表层沉积物颗粒较细，声波反射强度较弱且均匀。图4(右)为平滑海底多波束图像，可以清晰的看出裸露管线两侧的平滑海底色调均匀，没有明显的色差。

图4 平滑海底图像(左：声呐；右：多波束)

3.2 冲刷海底图像特征

局部海底沉积物在海流强烈冲刷的作用下，易生成条带状或斑状凹坑。如图5(左)所示，声呐图像中的斑状凹坑表现为先浅后深的色调，这是由于凹坑底部没有回声能量或回声能量较弱，故呈现浅色调；凹坑边缘斜坡处海底面粗糙，声呐回声能量增强，呈现深色调。图5(右)的多波束图像中可以清晰的看到三处凹坑。因凹坑的地势较周围平坦海底面低，故呈现深绿色，周围平坦地势呈现浅绿色。

图5 冲刷凹坑图像(左：声呐；右：多波束)

3.3 裸露管道图像特征

图6(左)为裸露的海底管道侧扫声呐图像，裸露管道对声波具有强反射作用，呈现为黑色实线，并且在管道左侧存在明显的白色阴影。图6(右)为裸露管道的多波束图像，呈现为一条凸起的直线。由图6可知，侧扫声呐受海流及其他外界因素的影响较大，声呐图像中裸露管道呈弯曲状；多波束图像中的裸露管道呈直线状，与设计管道的平面位置较为吻合。因此，在实际工程中，如果将2种方法同时用于同一项目的管线探测，则多采用多波束图像计算的裸露管道长度更为准确。

图6 裸露管道图像(左：声呐；右：多波束)

3.4 悬空管道图像特征

由图7(左)声呐图像可以看出，悬空管道对声波具有强反射作用，呈现为黑色实线，在管道左侧形成一段具有一定弧度的白色阴影，并且黑色实线与白色阴影之间存在灰色区域。这一灰色区域是声呐图像识别悬空与裸露管道的关键，悬空管道的悬空高度即为对应点位的灰色区域的长度。图7(右)为悬空管道的多波束图像，当管顶与海底面之间的差值大于管径时，则管道为悬空状态，悬空高度即为管顶与海底面之间的差值减去管径。

图7 悬空管线图像(左：声呐；右：多波束)

4 结 语

文中根据海管路由勘察服务中的工程实例，针对平滑海底、冲刷海底、裸露、悬空管道等几种常见的海底地貌特征，分别对比了侧扫声呐与多波束测深系统所获取图像的异同，结果表明：侧扫声呐和多波束图像均能清晰的探测海底管道周边区域的地貌、海管走向及裸露、悬空情况，并可对海底地貌形态(如凹坑及冲刷状况)进行较为精确地反映，证实了2种海管探测方法的可行性、有效性和互补性。文中仅对声呐和多波束2种探测方法进行了定性比较，但对于2种方法在量取海底管道高度和距离等方面的定量对比，还有待进一步研究。