浅海海底管道探测技术探讨_徐国强.doc

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1、 第 卷 第 期 海 岸 工 程 年 月 文章编 号 ： （ ） 浅海海底管道探测技术探讨 徐国强 ， 亓发庆 ， 阚长宾 ， 魏宏伟 ， 赵 鸣 ， 王忆非 ， 任 军 ， 边洪村 （ 国家海洋局 第一海洋研究所 ，山 东 青岛 ； 中油辽河油田分公司 ，辽 宁 盘锦 ） 摘 要 ： 近 年 来 ， 随 着我国海洋资源的不断开 发 ， 越 来越多的海洋油 气 资 源 采 用 海 底 管 道 （ 输 油 、 输 气 等 ） 输 送到陆地 。 这些管道长期在水 深较浅的海底 中 ， 容 易 受 到 风 浪 、 潮 流 或 其 他 外 力作 用 ， 一旦发生悬空或断 裂 ， 不 仅会造成大 量的经

2、济损 失 ， 而 且 可 能 产 生 重 大 的 海 洋 污 染 ， 从 而带来巨大的社会不良影响 。 因 此 ， 对 海底管道定期检测非常重要 。 海底管道铺设后 要 进 行 检 测 ， 探 明海底管道在海底的实际状 态 ， 查 明受破坏的程度和位 置 ， 以 便进行维护 。 通 过 分 析 表 明 ， 采 用测深 仪 、 声 参量阵极浅地层剖面仪及侧扫声呐 进行综合探测是比较有 效 的方法 。 关 键词 ： 管 道探测 ； 埋 深 ； 裸 露 ； 悬 空 中图分类号 ： 文献标识码 ： 海 底管道受侵蚀悬 空 、 受力不均以及横向位移等因素会发生破裂甚至折 断 ， 在 极 浅 海区裸露与悬

3、空的海底管道与渔船也能造 成相互危 害 ， 因此海 底 管道探测的目的就是 通 过各种物探手段查明管道悬空或裸露以及 被海底侵蚀有可能发生悬空或裸露的段 落 ， 识 别出其具体位 置 、 埋深 、 裸露和悬空高度等基本要 素 ， 为管道的维护提供依 据 。 水深测量 、 高精度浅地层探 测 （ 本研 究 基 于 技 术 ） 及 海底地貌扫描在海底管 道探测中具有各 自 的优势并相互验证补 充 ， 是了解浅海区海底工程构筑物形态的有效手 段 。 海底管道探测方法 目前 ， 国内外一般采 用 技术探测海 底管 道 ， 它 可较直观 的获得管道裸 露 、 悬 空情况和表面裂 缝 、 破损等多项指 标

4、 ， 但泥质海岸浅海区海水一般较浑 浊 ， 能见度低 ， 不 能 充分发挥目视系统的作 用 ， 另因水浅较大船只不 宜 进入作业 区 ， 所 以 技术不适合 浅 海 区海底管道的探 测 。 在浑浊的浅海 区 ， 目 前国内一般采 用 声参量阵极浅 地 层 剖面 仪（ 以下简 称 浅 地层剖面 仪 ） 或人工潜水探 摸的方法 来 检测海底管道状 态 ， 两种技术均有一定的局限 性 ： 浅地层剖面仪可以提供管道 的 埋 深 、 悬 空和裸 露 ， 是 比较有效的方 法 ， 但它不能给出连续的管道情 况 ； 人工潜水探摸可以触摸到海底管道的 悬 收稿日 期 ： 资助项目 ： 海 南 海底管线调查 （

5、 ） 作者简 介 ： 徐 国 强 （ ） ， 男 ， 硕 士研究 生 ， 主要从事海洋工程地质与勘查技术方面研 究 ： （ 王佳实 编辑 ） 第 卷 徐国强 ，等 ：浅海海底管道探测技术探讨 空和裸露情况 ， 但缺点一是不能提供准确位 置 ， 二 是悬空高度靠估计 ， 三 是无法提供管道 的埋设深度 。 渤海湾浅海区冬季结冰 ， 这 对管道的运营影响较大 。 不掌握埋设深度就不 能保证冬季生产过程的温度控制 ， 知道了管道埋设的深度 ， 冬季生产可以采取管道的保温 措施 ， 以便正常运营 。 管道探测范围以管道 为中心线 ， 两 侧各 即可 ， 测 图比例尺要 ； 垂直比例 尺 。 本研究采用

6、多种方法同时进 行 探 测 ， 每 种方法有其专 长 ， 并且具有相互验证和互相弥补之功 效 。 我们认为在浑浊的浅海区综合运用以 下 种 物探手段来完成对海底管道探测可得到较 理想 的效 果 ： ） 采用 测 深仪对管道区水深进 行 精确测量 ， 对现水深与管道铺设前水深进行对 比 ， 看其冲淤变化情 况 ， 在测线穿过管道 时 ， 也能记录出悬空管 道 ， 且能给出精确的 悬 空高 度 ； ） 采 用 浅地层剖面仪穿越管 道 进 行探 测 ， 一般按 穿越管道较 好 ， 实际工作中一般 采 用连 续 “ ” 字 形探测即 可 ， 浅地层剖面仪可提供出管道的埋 深 、 裸露 和 悬空 情 况

7、 ， 参 考水深可知道准确悬空高 度 ，通 过侧扫声呐记录可知道裸露和悬空的连续区 段 ； ） 应用侧扫声呐对海底进行扫 描 ， 分析 海 底地貌形态 、 海底障碍 物 、 海底冲刷范 围 、 能 探 到连续的海底管道裸露和悬空情 况 。 通 过 这种综合方法 在 年海 南 海底管道调查中的运 用 ， 取 得 了良好效 果 （ 图 ） 。 上 述 种物探资料需有精确的定位才有 价 值 。 测深仪 和 浅地层剖面仪的换能器 固 定于船舷工 作 ， 它们 与 接 收 天线的相对位置都是已知 的 ， 可 以准确定 位 。 侧扫声 呐 换能器是拖拽工作方 式 ， 在工作船 进入目 标 区 后 ， 要

8、求测量船保持匀速直线航 行 ， 这 样 就 保持了侧扫声呐换能器距 离 接收天线的相 对 位 置 。 浅地层剖面仪与侧扫 声 呐 工作频率相 近 ， 同船作业时信号相互 干 扰 ， 影 响记录清晰 度 ， 一 般采取分别作 业 。 由 于 采 用 了 这 种仪器同期进行探 测 ， 加 之高精度的定 位 ， 能 探明整条海底管道在 海底的 埋 深 、 裸露和悬空的真实状 态 ， 根据探测结果就能做出可行的海底管道维护方 案 。 测深仪在管道探测中的应用 利用测深仪对管道区水深进行精确测量 ， 测 量中加以 定位和导航的辅助 ， 确 定 其精确位置 ， 测量后对实测瞬时水深数据进 行深度改正 ，

9、包 括吃水改正 、 动 态吃水改正及 水位改正等工作 。 利用处理后的水深数 据 ， 对比之前的水深数 据 ， 通过水深图或三维模型等手段得出 管 道区冲淤变化情 况 。 从管道路由的安全角度 看 ， 在冲刷区由于海底表层被冲 蚀 ， 经过一 段 时间原来掩埋在海底的管道可能会裸露或悬 空 ， 裸露或悬空的管道主要受到波 浪 、 海流 的 作 用 ， 还可能包括地震及海底地质迁移等其它地质变化的影 响 ， 这些都是管道安 全 的 重 要 隐患 。 因此 ， 通过水深数据的对 比 ， 我们 可 以大概确定管道可能出 现危险的区 段 ， 为 进 一步精确确定管道危险区圈定范 围 。 除此以外 ，

10、当测深仪横穿裸露或悬空管道时 ， 在测深仪的测深界面中会有非常直观的 显示 ， 帮助我们初步判断管道悬空位置及高度 （ 图 ）。 由图 可见 ， 当测深仪横穿悬空管道时 ， 管道会以圆点 的形式悬于海底界面之上 ， 悬 空管道之下往往伴随着侵蚀海底形态 。 海 岸 工 程 第 期 图 测深仪中悬空管道典型图像 声参量阵极浅地层剖面仪在管道探测中的应用 探测原理 管道探测使用的主要仪器 为 浅 地层剖面 仪 （ 德 国 公 司 产 ） 。 声参 量 阵利用水介质的非线性特 性 ， 使用 个沿同 一 方向传播的高频初始波在远场中获得的 差 频和频波的声发射装 置 。 参量阵声呐在高压下同时向水底发

11、 射 个频率接近的高频声 波 信 号 （ ） 作为主频 ， 声波在水介质中传播 时 由于水的非线性效应而形成 差频 波 ， 改 变 个 主频频率就可以控制差频波的频 率 ， 当换能器发射声波作用于水体 时 ， 在换能器以下会 产 生一 系 次频率 ， 如 ， ， （ ） ， （ ） ， ， 声波信号 ， 因 ， 的频率 非 常接近 ， 所以差 频 （ ） 的频率很 低 ， 具 有 很强的沉积层穿透 力 ， 可 以用来探测海底 浅 部地层结构 ， 反射的主频声波信号用于精确的水深测量 。 由于主频的频率高 ， 换能器可以 制作得很小 ； 产生的差频声波信号强度比主 频声波强度稍高 ， 衰 减较慢

12、 ， 传 播达到个衍射 单位长度时 ， 声强最大 ， 然后逐渐衰减 。 差频 声波信号与高频时的波束角非常接近 ， 且 没 有旁瓣因此波束指向性好 ， 具有较高的分辨率 ， 可控的差频声波信号可以承载更多的沉积 层信息 ， 以便于 对沉积层的分类识别 。 由于采用 技术 ， 该系列浅地层剖面仪重量轻 ， 换能器直接安 装在船舷 ， 对 载船要 求很低 ， 因而经济 、 快 速 、 安 全 。 探测水深 ， 对 于所有频段 （ ， ， ， ， ， ， ， ） 波束发射角均只有 。 在测量浅地层数据信息的同时还可获得精度很高 的 水深数据， 测深精度为 ， 为测量值的 。 由于带宽宽 ， 系统 可

13、发射非常短的 脉冲 ， 脉冲无响声 （ ） 干 扰 。 最高垂向分 辨 率 可 达 ， 总 重 量 。 换 能 器 和 定位均在水面 ， 因此定位 准确 。 另外 ， 由 于波束角窄使参量阵系统可在非常浑浊的 水域工作 。 第 卷 徐国强 ，等 ：浅海海底管道探测技术探讨 浅地层剖面仪对识别 地 层中小的目标物比传统线性调频技 术的普通剖面 仪 具有很大的优 势 ， 有 “ 管道探测 仪 ” 的美称 ， 尤 其适用于海底管道的探 测 ， 在 确定海底管 道 的埋藏状况 、 位置方面有着很好的效 果 。 当地层中有管道 时 ， 由于地层与管道的界面两侧声阻抗差异较 大 ， 容易形成强烈的 反 射

14、波 ， 同时在这一界面处常常产生绕射 波 ， 而绕射波在时距剖面图像上为双曲线反 映 。 通 俗地讲管道在时距剖面特征图像为上凸的 圆 弧 ， 因 此通过时距剖面上的 特征图像就能 确 定管道的位置及其埋 深 ， 管道 在 浅地层剖面仪中的典型图像见 图 。 探测过程中 ， 应根据测区的地质情况 ， 合 理确定低频的增益强度 ， 基 本原则是使地层 的信息不要放大的太大 ， 要使地层的信号稍稍断续可辩即可 ， 这样就能使管道的信号明显 突出在声学记录图像上 。 图 浅地层剖面仪中掩埋管道典型图 像 利 用 声参量阵极 浅 地层剖面仪资料分 析 管道状 态 处 理 浅地层剖面 仪 资料一般使 用

15、 后处理软件直接屏幕数字 化 。 资 料 处理时根据声学记录图 像 ， 将各相关定位点的水深和各声学地层底界面 的埋藏深度 值 ， 按 规定比例尺进行标 注 。 资料解译时计算出自海底到各层底界面的深度值并利用管道特征 图像找到管道具体位置及当前状 态 （ 掩埋 、 裸露 、 悬 空 ） 。 ） 掩埋管道 当地层中有管道时 ， 由于地层与管道的界面两侧声阻抗差异较大 ， 容易形成强烈的反 射波 ， 同时在这一界面处常常产生绕射波 ， 而 绕射波在时距剖面图像上为双曲线形反映 ， 即管道在时距剖面特征图像为上凸的圆弧 。 由于管道的金属材质使得其反射信 号 很 强 烈 ，上凸圆弧的顶端往往出现强

16、反射 ， 使得在图像上呈现暗红色 （ 图 ）。 海底管道一旦发生悬空 ， 一般 采用抛填 砂袋法 、 土 工布法 、 挠性软管跨接法 及水下支 撑固定法等几种方法进行治理 。 抛填砂 袋法是最早采用的一种治理方法 ， 先 在悬空管 道及其周围一定范围内 （ 主 要指立管周围明显的海底冲刷坑内 ） 抛填 施工前已备好的砂 袋 ， 在抛填砂袋的过程中要由潜水员对砂袋 进行整理 ， 保 证悬空立管底部填满砂袋 ， 以 支 撑管道 ； 再在管道上面继续堆放砂袋 ， 使管道的埋深达到设计要求 。 但该方法只能机械防 海 岸 工 程 第 期 冲刷 ， 存在二次冲刷的现象 。 在管道探测中发现的处理悬空的方

17、法以抛填砂袋法最为广 泛 。 由于砂石的反射强烈 ， 有时会对其下部的管道信号有遮挡 ， 给我们的二次探测带来了 困难 ， 此时要注意仔细分辨 （ 图 ）。 图 浅地层剖面仪中掩埋管道图 像 图 浅地层剖面仪中砂石区掩埋管道 图 对于这种情况 ， 由于铺设管道过程中对地层的破环 ， 使得管道下面的地层往往存在破 坏情况 ， 这一点 在 浅地层剖面仪的图 像 上可以明显看 出 来 ， 这 在砂袋区等难判 断 第 卷 徐国强 ，等 ：浅海海底管道探测技术探讨 管道位置的地方具有指示作用 （ 图 ）。 图 浅地层剖面仪中破坏地层图 像 ） 裸露管道 裸露或部分埋设在海底的管道主要原因 ： ） 由 于

18、铺管作业时管道与海床土的直接作 用和管道自重作用的结果 ； ） 在波浪 、 海流等 环境因素作用下 ， 被埋管道周围遭 到冲刷或 淘蚀形成的 。 裸露的管 道 在 浅地 层剖 面仪的图像上以上凸 的弧形位于海底之 上 ， 形态上与海底相连续 （ 图 ）。 图 浅地层剖面仪中裸露管道典型图 像 海 岸 工 程 第 期 ） 悬空管道 悬空管道 在 浅 地 层剖面仪的图像上以上凸的弧形位于海底之 上 ， 与 裸 露 管 道不同的是弧形与海底之间有空隙存 在 （ 图 ） 。 图 浅地层剖面仪中悬空管道典型图 像 图 浅地层剖面仪中抛填沙袋区悬空管道图 像 注意事项 探测中测线布设以管道中心线为轴线 ，

19、 分 别向两侧各布设平行测线用来探测水深与 第 卷 徐国强 ，等 ：浅海海底管道探测技术探讨 地貌情 况 （ 裸露 、 悬空管道的地貌探 测 ） 。 管 道 位置及埋深探测的测线布设基本原则是 垂 直管道走向布 设 ， 调查中一般采用以管道 的 走向为轴 线 ， 按 “ ” 字 形 式走航测量的方式 来 进行测量 。 浅地层剖面探测作业前 ， 根 据测区水深 、 底 质条件 ， 充 分 调 试 仪 器 ， 选择最佳工作参 数 。 作业期间 ， 采取一切必 要措施 ， 降低噪音和其他干扰因素 ， 提 高 信 噪 比 ， 保 证 记 录 质 量 ； 调节好记录时间延迟 ， 使同一测线的记 录量程一

20、致 。 探测 中还要控制好船速 ， 在 工作 船进入预知管道位置区 ， 船速控制在 为宜 。 根据现场实时探测结果 ， 对 管 道裸露 、 悬空处要进行加密探测 ， 力求做到更加精确 。 型侧扫声呐在管道探测中的应 用 型侧扫声 呐 探测的优 势 浅地层剖面仪在管道探测 中 （ 尤其是掩埋管 道 ） 具有很 大 优 势 ， 它 可以精确 的 定位管道并得到埋 深 或悬空高 度 ， 但它两个位置之间 有 一定的间 隔 ， 不 能连续 的 探 测 管 道 。 由 于 技术的 特点决定 了 只有在横穿管道的时才可 以探测出管道位置及悬空 高 度 ， 但管道具有连续 性 ， 因 此 在 浅地层剖面仪探

21、测的空白区 域 （ 专指裸露及悬 空 管 道 ） 侧扫声呐可以提供相应的补 充 。 另外 ， 侧扫声呐 可 以通过对海底的扫 描 ， 分 析海 底 微地貌形态 、 海底障碍 物 、 海底冲刷范围 等 ， 为分析处理提供依 据 。 海 底地貌测量一般使用美国 产 型侧扫声呐 系 统进 行 ， 为 减少和 避 免船体对地貌仪的影 响 ， 拖鱼悬挂于船头的一 侧 。 拖鱼入水 后 ， 根据水 深 、 船速 、 水流速 度 等 因素通过调节缆 长 ， 使拖 鱼在 平 行于船的方向上 与 基本保持在同一位 置 ， 拖 鱼 垂 直于船体的距离通过计算机 将 定位数据矫正到拖鱼的实际位置 上 。 侧扫声呐与

22、 测 深仪 、 浅地层剖面仪同船 作 业 ， 定 位 信号由计算机控制定标 仪 ， 使侧扫声呐与 浅 地层剖面仪 、 测深仪同步定 标 。 型侧扫声 呐 探测的应 用 侧扫声呐是一种以二维平面图像形态测绘水下微地貌特征的仪器 。 在进行地貌图的 绘制时 ， 对同一个微地貌体的确定是采用从多个方向 、 多种记录 （ 水深测量 、 地层测量等记 录 ）、 多次比较法 ， 力求 有准确的坐标位置 。 侧扫声呐调查资料采用 采集和 后处理系统软件相结合进 行数据处理 ， 采用人机交互的方式进行屏幕 数字化 ， 并 结合水深地形测量结果分析 ， 圈 定 各种微地貌类型及障碍物的位置及范围 ， 对障碍物及

23、人工设施利用拖鱼高度 、 阴影高度和 斜距改正等参数进行计算量测 。 对于裸露和悬空管道侧扫声呐具有良好的分辨性 ， 裸露 、 悬空管道及抛填砂石的声呐 典型图见图 。 侧扫声呐对裸露于海底面上的管道进行检测时 ， 海 底管道会因较强的散射而形成黑 色条状目标物 ， 因凸出海底面的管道对声线 的屏蔽作用 ， 故 其背面产生声影区 ， 在 声呐记 录上显示为白色 。 侧扫声呐对悬跨于海底面上的管道进行检测时 ， 直 线传播的声线受到 悬跨于海底面上的管道的遮挡 ， 在其后形成声影区 ， 在声呐记录上就会在管道声像后方间 隔一段距离后形成白色条带 。 实际应用 分析时由于数据采集或分辨率等原因 ，

24、 裸 露或 悬空状态无法判断时可以对比相同位置的 浅地层剖面仪图像进行进一步确认 。 海 岸 工 程 第 期 图 显示了裸露及悬空管道的声呐图 谱 ， 结 合 浅地层 剖面仪探测结 果 ， 我 们可 以 精确的绘制出裸露及悬跨管道的连续位置 图 。 结 语 图 裸露 、悬空管道及抛填砂石声呐典型图 测 深 、 技术及侧扫声呐探测在管 道 探 测中发挥着重要作 用 。 水深测量可以 得 到 全区海底地形形 态 ， 找出 海 底管道存在安全隐患的主要区 域 （ 冲 刷区为 主 ） ； 浅 地 层剖面仪通过浅地层探测可以精确的找到管道的位置及状 态 掩埋 、 裸露或悬空 ， 并给 出 精确的掩埋深度

25、或悬 空 高 度 ； 侧 扫声呐技术有效的弥补 了 浅地层剖面仪对裸 露 或悬空管道探测不连 续 的弱 点 ， 可以很好的补 充 浅地层剖面仪未探测区域管 道 的位置及状态情 况 。 种技 术 的综合应用对海底管道的探 测具有较高的精确 度 ， 是 目 前 探测海底工程构筑物形态的有效方 法 。 第 卷 徐国强 ，等 ：浅海海底管道探测技术探讨 参考文献 ： 宋玉 鹏 ， 孙 永 福 ， 刘 伟 华 海底管线稳定性影响因素分 析 海 岸工 程 ， ， （ ） ： 晏 勇 ， 马 培 荪 ， 王 道 炎 ， 等 深 海 及作业系统综 述 机 器 人 ， ， （ ） ： 黄明 泉 水 下机器 人

26、在海底管线检测中的应 用 海 洋地质前 言 ， ， （ ） ： 李士涛 机 器人 在海洋工程水下施工中的应用技术 研 究 中 国 造 船 ， ， （ ）： 李明高 ，李 昕 ，冯 新 ，等 波流作用下海底管一土相互作用研究综述 中 国 海 洋 平 台 ， ， （ ） ： 王艳 海缆路由探测中浅地层剖面仪的现状及应 用 物 探装 备 ， ， （ ） ： 文世鹏 ， 吴敏 ， 王西岗 埕岛油田海底管线悬空治理探 索 石油工业技术监 督 ， ， （ ） ： 来向华 ，潘 国 富 ，苟 诤 慷 ，等 侧扫声纳系统在海底管线检测中应用研究 海 洋 工 程 ， ， （ ） ： ， ， ， ， ， ， ， （ ， ， ， ； ， ， ） ： ， （ ， ， ） ， ， ， ， ， ， ， ： ； ； ；