杨勇
上海瑞洋船舶科技有限公司 上海 201108
摘要：随着资源日渐枯竭，人类已经逐步开始对海洋进行探索、开发，并索取资源。随之铺设的海底油气管道、输水管道也就越来越长，因此就对海底管道检测技术提出了更高要求。而我国海洋开发起步较晚，在各项技术上都存在不足。同时随着“21世纪海上丝绸之路”和“丝绸经济带”的带动与落实，我们必须尽快提升海底管道检测技术，以保证海上经济的发展。为此，本文将以声波散波的海底管道检测技术为出发点，探讨侧扫声纳和浅地层剖面仪在海底管道检测中的运用。
关键词：海底管道检测；侧扫声纳；浅地层剖面仪
引言
海底管道检测主要分为船载声学测量和机载激光测量两种。由于传统的船载测深手段和机载激光发射系统都有其局限性，前者难以在大面积中进行灵活而快速的测量工作，后者在水下的作用距离比较短，且受水质的影响比较大。从水下测量学的基本原理来看，侧扫声纳和浅地层剖面仪在海底管道检测中会得到较为普遍的使用。本文主要以美国Klein公司的3900和美国Benthos公司的ChirpⅢ为代表进行介绍。
1.海底管道检测的基本原理
声波在水体中传播较为稳定，水下测量即使用声波的这一特性，利用声波换能器发射和接收水下物体的声学反射，根据声波传播时间的不同，确定不同物体的不同坐标。对于海底管道来说，主要检测内容是管道平面位置以及管道的埋深测量，即管道的路由测量。
海底管道的路由测量时，海水是动态的，对声速、对载体所产生的影响也比较大，会对测量结果产生一定的误差，所以在处理数据的过程中还应该消除潮汐、水位、姿态的影响。现在定位测量最常用水、磁定位技术。侧扫声纳（图1型号：Klein 3900 双频侧扫声纳）和浅地层剖面仪（图2为Chirp Ⅲ）就是测量海底管道最广泛的声学仪器。
图1 图2
2.侧扫声纳在海底管道检测中的应用
2.1侧扫声纳的声波特征
声纳作为一种在海水探测中应用极为广泛的技术，其原理在于声波在传播过程中会出现非常明显的散射现象，而散射所导致的界面混响又能够进一步影响声波接触到目标体后的回波质量，所以海底声散射现象就是研究海底声学成像的关键因素。在现阶段，应用较为广泛的声纳包括侧扫声纳和多波束声纳，由于前者主要使用拖曳式测量，所得到的数据更为连续、完整，其所成的图像也更加复杂，所以对于声纳的图像的变形、修正等更加有利，主要用于测量海底及海底的小目标，这也使侧扫声纳在海底管道检测中更加广泛。
2.2 侧扫声纳管道检测原理
侧扫声纳能够运用在海底管道的检测中，是因为它使用海底管道对其两侧入射声波有着较大反射的原理，使仪器可以清晰的检测的这些信号，从而是海底管道有着一目了然的成像。
2.3 侧扫声纳的构成
侧扫声纳的主要组成部分有甲板和拖鱼两部分，在拖鱼的左右舷上都安装着一个换能器阵，每个换能器都会向水柱区发射以球面波的方式向外传播的短促声脉冲。这种发射波束的特性在于在航向上很窄，而在侧向上会很宽，所以在声脉冲被海底管道所阻挡时，就会产生非常明显的反射或散射，这些回波中的一部分就会按照原路返回换能器端，其方向正好与发射波束相反，在航向上很宽而在侧向上很窄。这样的回波经过一系列的数据处理之后就能够转换成电脉冲，在将同一时刻的回波求平均值后，可以形成较为准确地声纳图像。
基于侧扫声纳的这一特性，再加上海底地形凹凸不平，海底管道有的地方会被声波所照射，有的地方会被遮挡，所以在形成的声纳图像上有的地方为黑色、有的地方为白色。普遍来说，距离声纳发射基阵越近的地方回波越强，越远的地方回波也就越弱；被遮挡的地方不会产生回波。应用在海底管道检测上时，能够很清晰的看见，管道的回波远远大于海底土质的回波，如下图所示：
3.浅地层剖面仪在海底管道中的检测
浅地层剖面仪，所使用的声波频率较低，它能够穿透海底地层，得到海底地质的具体情况，结合相关的海底地质解释，就可以获得海底浅地层的地质情况分析。它不仅拥有较高的分辨率，而且可以在较经济的基础上，高效地探测海底海底管道，在反射界面显示不同的反射影像，从而确定海底管道的实际路由。
浅地层剖面仪主要是由湿端、干端和系统软件所组成。其中湿端是指换能器，干端是指甲板单元。
声波每遇到一次差异界面时，都会传回回波同时向更深层传递，直到声能消耗完毕。
通过上述的浅地层剖面仪的原理可以推断出，如果想要测量出海底管道的深度，就要通过测量声波从穿透地层到管道的时间，再通过相关的验算得到结果。具体来说，先假设将△T用来表示声波从海底地面传播到管道之间的时间差，用C来表示声波在该地层的声速，就可以得出管道的埋深厚度W，即：W=1/2 C△T
而海底管道的铺设难以避免的会对于海底地质的情况有所要求，而海洋比陆地更是处于一种变化较为快速的动态中，海底的地质也时常在发生着改变，所以在对海底管道的检测中，需要应用浅地层剖面仪对瞬时的海底管道所在的浅地层进行分析、检测，从而保证海底管道的安全。
在使用过程中，安装有浅地层剖面仪的探测船在行驶过程中，配备有干端的换能器就会想水下垂直的发射声波，根据声波的特性，声波在地测构造较为复杂的时候，会在每一差异界面上反射回部分声波，就使得换能器能够收集到足够多的数据，根据这些被反射回来的声波进行有关的计算，从而清晰的向我们展示海底浅地层的地质情况，从而为海底管道检测提供可靠的参数。
下图3为某项目的浅地层剖面图：
4.侧扫声纳与浅地层剖面仪在操作使用中能够被规避的影响因素
在海上作业的影响因素有很多，特别是在应用声呐系统时，环境因素会对声呐的操作产生许多影响，所以想要在海上应用好声呐系统，就必须注意回避影响因素，也只有尽可能的回避影响因素后，才能够正确的使用声呐系统，从而得到良好的声图图像，使解释结果最大程度的准确。根据大量的实践经验，在海上环境中能够影响的因素有以下三点。
（1）海底的汽水界面。汽水界面是一种能够将绝大部分声波反射回换能器的界面，使得声波很难触及目标，导致海底管线检测的失败。
（2）船只摆动。船只在海面运行的时候，无可避免的会由于船速与航向的不稳定，导致船体出现摇摆现象，使得拖鱼无法保持平稳的水平状态进行工作，造成成像不良。
（3）海况。在海面上最不可消除的影响因素就是涌浪，涌浪会造成船只摆动，使拖鱼无法保持稳定状态。
5.工程应用实例
在海底管线检测的应用中，某海域的二期输水管道，由于生产的需求发生了改变，需要对该海域的管道进行相关检测，保证输水管道的安全。
该输水管道的设计采用的是南北双线设计，在长度上达到了30km以上，由于该工程的施工之初，采用了螺旋埋弧双面焊接的工艺铸造输水管道，还采用了挖沟铺设结合自然回淤的工法对管道进行铺设，且海域水深介于8m到12 m之间，最深处可以达到20m。
在检测中，应该同时应用到侧扫声呐和浅地层剖面仪两种检测方式。先利用侧扫声呐对该管道进行初步的扫描，得到管道淤泥的覆盖情况，再利用浅地层剖面仪进行精确的探测，得到更精准的管道裸露情况。在对侧扫声呐和浅地层剖面仪所得到的两份数据进行分析处理上之后，所得到的管道信息能够基本吻合，就可以判定其数据是可信的，得到最后的结论，是该工程的整体管道状态比较良好，但是部分管道由于海水的冲刷，呈现出来悬空的现象，在进行维护时需要对这部分管道进行更加深入的检测，才能够保证该输水管道的安全运营。
6.结论与展望
现代科学技术发展至今，以及具备了探索海洋的基本条件，这就使21世纪成为人类开发海洋资源的世纪。而我国为了进一步深化中国与亚非各国的合作关系，更是对海洋开发提出了更为紧迫的要求。但是，由于我国的海洋科技起步较晚，特别是存在着基础设施不足、研究人才匮乏、仪器精度不够、硬件装备依赖进口等等问题，使我国在海洋测量技术上与发达国家相比有着比较明显的差距，从而制约了我国在海洋科技水平的整体提升。当然，我国的海洋科技在科研人员的不断努力下，已经在以高速发展起来，具体到海底管道的检测中时，我们已经从传统的依赖手工测绘，进步到应用侧扫声纳和浅地层剖面仪检测管道，相信在不久的将来，我们一定可以发展起较为先进的海洋科技。
参考文献：
[1]阳凡林等.水下地形测量[M].武汉：武汉大学出版社，2017.
[2]约瑟•切斯尼.海底光缆通信系统[M].北京：机械工业出版社，2016.
[3]王增国等.海底管道内检测作业方法[M].北京：科学出版社，2017.
论文作者:杨勇
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/9/30
标签：管道论文; 海底论文; 声纳论文; 地层论文; 声波论文; 剖面论文; 回波论文; 《防护工程》2018年第12期论文;