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摘要：近年来侧扫声纳系统用于水下工程特别是海底管道工程越来越多，因为册扫声呐可以对海底管道的平面位置、裸露的高度、悬跨程度等在位状态进行检测。对于平坦海底面上的管道，依据声纳记录上管道声影区与管道影像的尺寸和相互接触关系，能够计算出管道的裸露或悬跨高度。对于位于管道沟中的海底管道，在一定条件下侧扫声纳仍能检测到管道的在位状态。本文通过利用公司的蓝创Shark S450D双频侧扫声纳设备在海底输油管道中的实际应用谈谈侧扫声纳系统用于海底工程中的基本原理、应用现状以及检测等，为海洋工程保驾护航。
关键词：海底管道；侧扫声纳；检测；声影；影像
海底管道是海上油、气田等开发的重要组成部分，是油、气外输的主要手段。随着海洋经济的迅速发展，全球海域使用开发活动目益频繁，海底输油（气）管道的数量以惊人的速度在不断增加。而我国随着海上油气资源的相继发现和开发．海底油气管道的建设也十分景人。因此，深入研究海底管道工程的运行情况术，及时发现海底管道存在问题，对我国海洋工程建设具有非常重要的意义。
一、侧扫声纳工作原理
侧扫声纳的基本工作原理与侧视雷达类似，侧扫声纳左右各安装一条换能器线阵，首先发射一个短促的声脉冲，声波按球面波方式向外传播，碰到海底或水中物体会产生散射，其中的反向散射波（也叫回波）会按原传播路线返回换能器被换能器接收，经换能器转换成一系列电脉冲.一般情况下，硬的、粗糙的、凸起的海底，回波强；软的、平滑的、凹陷的海底回波弱，被遮挡的海底不产生回波，距离越远回波越弱.如图1所示，第①点是发射脉冲.正下方海底为第②点，因回波点垂直入射，回波是正反射，回波很强，海底从第④点开始向上突起，第⑥点为顶点，所以第④，⑤，⑥点间的回波较强，但是这三点到换能器的距离是以第⑥点最近，第④点最远.所以回波返回到换能器的顺序是第⑥点→第⑤点→第④点，这也充分表现出了斜距和平距的不同.第⑥点与第⑦点间海底是没回波的，这是被凸起海底遮挡的影区.第⑧点与第⑨点间海底是下凹的，第⑧点与第⑨点间海底也是被遮挡的，没有回波，也是影区.利用接收机和计算机对这一脉冲串进行处理，最后变成数字量，并显示在显示器上，每一次发射的回波数据显示在显示器的一横线上，每一点显示的位置和回波到达的时刻对应，每一点的亮度和回波幅度有关.将每一发射周期的接收数据一线接一线地纵向排列，显示在显示器上，就构成了二维海底地貌声图.声图平面和海底平面成逐点映射关系，声图的亮度包涵了海底的特征.
图1侧扫声纳回波强度示意图
二、海洋油气管道现状
近年来随着我国经济的不断发展，油气资源的勘探任务越来越重，国内各大油田在加紧部署人力、物力进行老油区的精细化管理的同时，也不断扩大油气勘探区域。尤其加大了对浅海的开发力度。随着我国海洋油气开发力度的加大的同时，海底管道建设的步伐也不断加快。目前，中海油凭借自己得天独厚的地理优势，已经成为我国海洋油气勘探开发的主力军，沿海地区的管道建设大部分由中海油来承建。中石化在胜利油田的开发下也是占据了渤海湾的大片水域，进行浅海油气的开采，随之而来的海底管线施工日益加剧。除此之外，中石油也是不甘于陆地管线的长距离运输，早已对沿海油田进行了调研和规划。通过中石油管道局在渤海月东油田海底管道完工之际，已经向外界高调宣布进军海洋领域，这意味着我国海洋油气管道建设市场将迎来新的挑战和机遇，尤其是对于推进我国海洋油气资源勘探和开发意义重大。众所周知，陆地石油资源已经不能满足各国的经济发展需求，并且随着全球陆上油气资源开采进入枯竭期，已经不可能投入巨大的人力和物力去开采，我们只能向海洋要资源，要油气。特别是在我国油气资源处于衰老期、枯竭期，油气资源已经远远不能满足国内经济的发展，中石化将近80%的原油需要进口，面对海上石油运输存在的危险和隐患，需要利用海底管道进行大量的原油运输，加大海洋油气管道的建设已经是迫在眉睫。据行内有关人员统计，自从在美国墨西哥湾铺设第一条近海管道以来，在全球各个不同区域，包括英国北海、美国墨西哥湾、地中海、澳大利亚、拉丁美洲、东南亚和我国沿海，已建设了数10万公里的海底管道。由于我国石油开采起步比较晚，并受装备和技术的限制，和国外发达国家相比还从在很大差距，尤其深海的油气管道建设更需要我们积极向发达国家学习，引进高科技人才从海底管道的强度、稳定性、腐蚀等重要技术指标进行深入研究。中海油作为我国海洋油气勘探开发的主力军，尽管在海洋管道建设领域走在国内其他油气巨头前面，可是，苦于技术的不先进，不可能在短期内展开大规模的管道建设。据统计，中海油在渤海海域海底管线累计已经超过200km，南海海域约2000km，其作业水深可达300m。其中，南海崖城13-1气田至香港的海底输气管道长达800多公里，是我国目前最长的一条海底管道。中石化海洋管道建设的步伐也不断在加快。尤其是围绕位于渤海之滨的胜利油田，作为中石化上游油气勘探企业，胜利油田先后建成了170多条海底管线，总长度超过360km，并且铺设海底电缆82条共201km。作为中国最大的油气生产商，中石油近年来忙于陆上管道布局，海洋管道建设累计不足100km。中石油管道局截至目前承建的最长的海底管道，长度仅35.5km渤海月东油田海底管道，被视为中石油进军海洋管道建设市场的开端。
三、海底管道工程简介
海底油气输送管道是指最高水位时．位于海面以下的那部分管道．直径一般为20cm至l00cm，是海上油、气田开发中油气传输的主要方式也称为海洋油气生产系统中的“生命线”。自从1954年Brown&R oot公司在美国墨西哥湾铺设世界上第一条海底管道以来半个世纪里．世界各国铺设的海底管道总长度已达十几万千米。中国海底油气管道是近2O年发展起来的。据统计，在我国海域累计已铺设海底管道6O多条，总长度超过3000km[1]。工程技术人员也已基本掌握了百米水深以内的海底油气管道的设计与施工技术．并形成了具有中国近海特色的专有技术能力。海底管线按其使用目的可分为外输管线、油田内部转运管线、平台与外输管的连接管线、水或化学品运输管线等类别。海底管道的铺设状态包括平铺在海床上的管道、挖沟不埋管道和挖沟浅埋管道等3种形式。海底管道的运行状态除包括上述的铺设状态外．还包括因地形或波浪、海流的淘蚀和冲刷作用导致的悬空状态。目前海底管道工程的相关研究内容主要包括：
1.管道施工技术。海底管道铺设方法有多种，某些方法适用于安装小直径管，而另一些方法适用于深水管道铺设作业。
2.海底管道安全状态评估。环境侵蚀、材料老化、荷载作用、疲劳及突变效应等因素的影响势必导致海管系统的损伤积累和抗力衰减，从而在极端情况下还可能引发事故。因此，正确掌握海底管道的实际状况，对其安全状况和全寿命长度进行评估和预测，从而较好地降低风险、控制事故的发生，对保障海上石油正常开采和运输具有重要意义。
3.管道疲劳寿命分析评估。管线在铺设中及运营后，受力十分复杂，容易在其内部造成各种缺陷和裂纹，如果不正确评估其疲劳寿命，将有可能发生管线破裂甚至断裂事故，从而造成重大经济损失和严重的海洋环生态破坏。
四、侧扫声纳对各种状态下海底管道的检测
侧扫声纳能够检测海底管道的状态，包括管道的裸露、悬跨以及冲刷等。以下以蓝创Shark S450D双频侧扫声纳设备为例对这些问题进行探讨。
1.平坦海底面上管道的检测。采用自埋方式施工的海底管道首先会被铺管船铺设于海底面上，其后管道会在水动力的作用下逐步被掩埋，这一过程需要进行连续的现场检测，防止管道因过度悬跨而导致破坏。侧扫声纳对裸露于海底面上的管道进行检测时，通常会得到如图2所示的记录。图2（b）声纳记录中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（见图2（a）），在声纳记录上显示为白色。
式中各符号含义与式（1）相同，R为声纳换能器至管道的最短声线距离，可由未经斜距改正的声纳记录上量取。
2.管道沟中管道的检测。无论是采用管道自埋还是人工埋设方式施工的海底管道，在一定阶段其下方都有沟槽存在。自埋方式施工的海底管道因局部冲刷作用而在其下方及周围形成冲刷槽，管道最终落入冲刷槽中。对于采取人工埋设施工的海底管道来说，开沟设备完成开沟后，一般不再进行人工掩埋，这样在管道周围也会存在管道沟。通常情况下是依靠自然回淤来完成管道沟的掩埋，侧扫声纳可对这种状态自然回淤状态进行检测。图3和图4为管道位于管道沟中时的声纳记录。图3为管道与沟底面接触时的情况，从图3（a）中可以看出，靠近拖鱼的管道沟的一侧，声线受到沟槽边坡的遮挡，形成声影区；而管道的存在也对声线造成遮挡，紧贴其背后形成声影区。所以在声纳记录图3（b）中就会形成在管道影像的两侧有声影出现的情形。在这种情况下因受到沟槽和管道几何尺寸的影响，声纳往往无法探测到完整的管道，因此也就无法对管道埋人沟底的程度进行更进一步的判断，有时甚至无法判断管道与沟底的接触关系。图4为侧扫声纳对管道沟中悬跨的海底管道检测结果。从图4（a）中可以发现近拖鱼一侧沟槽的边坡和管道均会对声线的传播形成遮挡，使声纳无法探测到海底面，但由于管道位于高出沟底，所以管道下方的部分海底仍有可能被声纳探测到。因此在声纳记录图5（b）中会形成由边坡声影和管道声影所围成的区域中出现海底散射影像的情形。
当R．和R2越大，嘶越小时，也就是声线具有较大的入射角时，管道声影的长度会越宽。但在实际检测工作中，考虑到量程、波束指向以及拖鱼安全性的影响，声线R的长度和拖鱼的高度研都会控制在一定的范围内。对管道沟中的海底管道进行检测时要慎用上述原则，因为在声线入射角较大的情况下可能无法探测到海底管道。受到管道沟边坡的遮挡，在声纳记录中可能只有声影区而无管道的声像。这时要适当控制拖鱼至管道的距离，既要能检测到管道，又能对管道的状态进行判别。
使用侧扫声纳进行海底管道检测时，对于平坦海底上的管道，在考虑量程、波束指向性和拖鱼安全性等的情况下，适当增大管道周围声线的入射角，将会增大管道声影的宽度，提高分辨率。对于管道沟中的管道则要充分保证声线能避开近拖鱼一侧的管道沟边坡的遮挡，探测到管道。
参考文献
［1］吴晓晓．侧扫声纳系统在海底管道检测中应用研究［J］．海洋工程，2016，29（3）：117～120．
［2］李丽．侧扫声纳和多波束测深系统在海洋调查中的综合应用［J］．海洋测绘，2016，（1）：22～24．
论文作者:刘书星
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年3期
论文发表时间:2019/6/10
标签：管道论文; 海底论文; 声纳论文; 油气论文; 回波论文; 海洋论文; 管线论文; 《建筑学研究前沿》2019年3期论文;