劉凱峰(沈陽(yáng)檢測(cè)技術(shù)分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

0 引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展對(duì)天然氣的需求提出了更高的要求，隨著我國(guó)油氣輸送管道的不斷增加，其在水下的鋪設(shè)的比例也在顯著增加。水下管道的平穩(wěn)安全運(yùn)行對(duì)于管道輸送系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。在管道的日常工作運(yùn)行當(dāng)中由于受到河流砂礫的沖擊、水流的沖刷、船體撞擊以及長(zhǎng)期位于腐蝕性較強(qiáng)的水下環(huán)境，使得管道較陸地情況下更加容易損壞。水下管道中輸送的介質(zhì)一般為石油或者天然氣，一旦發(fā)生管道破裂會(huì)造成油氣的泄露。這不僅影響社會(huì)的生產(chǎn)與居民的生活，而且還會(huì)對(duì)周?chē)沫h(huán)境造成污染，并有可能引發(fā)次生災(zāi)害。根據(jù)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，定期對(duì)管道運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)并制定合理的維護(hù)措施，從而防止安全事故的發(fā)生。河流穿越水下管道一般埋設(shè)于水下較深的地方，傳統(tǒng)陸地上的管道檢測(cè)方法較難適用于水下埋深管道。因此，需要開(kāi)發(fā)水下管道非開(kāi)發(fā)檢測(cè)技術(shù)定期檢測(cè)管道的運(yùn)行狀態(tài)，確保管道安全有效運(yùn)行。

1 水下管道非開(kāi)挖狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

非開(kāi)挖施工技術(shù)對(duì)于埋深管道的施工具有重要的意義，它是采用各種巖土開(kāi)挖的技術(shù)，在不破壞地表不開(kāi)挖溝槽的情況下，在地下進(jìn)行管道的鋪設(shè)，管道的維修以及管道的更換。該技術(shù)將管道的鋪設(shè)方式從開(kāi)挖溝槽向定向鉆孔的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)變。該技術(shù)通過(guò)水平的定向鉆孔機(jī)，通過(guò)定位導(dǎo)航儀沿著預(yù)先設(shè)定的軌跡在不同的地質(zhì)條件以及不同的深度下進(jìn)行管道鋪設(shè)作業(yè)。在鉆孔的過(guò)程中，通過(guò)配合不同的監(jiān)測(cè)手段以及控制儀器對(duì)使鉆孔機(jī)沿著設(shè)定軌跡到達(dá)目標(biāo)位置。當(dāng)鉆孔機(jī)完成鉆孔工作后，擴(kuò)孔機(jī)進(jìn)入孔中對(duì)其直徑進(jìn)行擴(kuò)增，之后再拖入管道進(jìn)行鋪設(shè)。因此，管道鋪設(shè)路線的正確性取決于，鉆孔機(jī)定位與導(dǎo)航的正確性?，F(xiàn)階段，鉆孔機(jī)的定位與導(dǎo)航方法主要采用電磁導(dǎo)航，慣性導(dǎo)航以及地面上的導(dǎo)航方式。這三種方式有著不同的特點(diǎn)。其中，慣性導(dǎo)航的適應(yīng)于精度要求較高的場(chǎng)合，但是其存在著成本較高的特點(diǎn)。電磁方式的定位導(dǎo)航以及地面方式的定位導(dǎo)航由于受到周?chē)h(huán)境的影響，其定位精度較難控制，需要有經(jīng)驗(yàn)的工作人員通過(guò)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行判斷與操作。

非開(kāi)挖狀態(tài)下的檢測(cè)水下管道檢測(cè)技術(shù)人工潛入水下進(jìn)行觀察、機(jī)器人視覺(jué)檢測(cè)方法，電磁設(shè)備檢測(cè)方法與聲吶設(shè)備檢測(cè)方法等。人工水下檢測(cè)方法是潛水員攜帶探管儀聲吶等設(shè)備潛入水下，對(duì)管道的狀態(tài)進(jìn)行巡檢，該方法檢測(cè)結(jié)果較好，但是存在風(fēng)險(xiǎn)性較大的缺點(diǎn)。電磁檢測(cè)方法是采用電磁設(shè)備進(jìn)行定位管道并測(cè)量其埋深，這種方法在應(yīng)用中存著一些不足，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化與升級(jí)。

在檢測(cè)設(shè)備方面，以電磁法為原理研制出的設(shè)備應(yīng)用較為廣泛，下面對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)的分析。這些具有代表性的設(shè)備主要包括英國(guó)Radiodetection公司生產(chǎn)的RD系列的探地雷達(dá)設(shè)備，美國(guó)的Star Trak公司的開(kāi)發(fā)的水下管道探測(cè)系統(tǒng)。英國(guó)Radiodetection公司的開(kāi)發(fā)的水下探測(cè)設(shè)備采用的技術(shù)較為成熟，且應(yīng)用范圍較光，該探測(cè)設(shè)備主要由發(fā)射器、探測(cè)器、接收器以及呈現(xiàn)A字型的支架構(gòu)成。在實(shí)際的水下管道的檢測(cè)過(guò)程中，需要人員攜帶安全設(shè)備潛入到水下對(duì)管道進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估，對(duì)于水流較大的河流通過(guò)此方法難以完成檢測(cè)。

BPS公司研發(fā)的水下埋深管道探測(cè)系統(tǒng)主要包括信號(hào)發(fā)射裝置、信號(hào)接收裝置、信號(hào)收集與處理系統(tǒng)組成，該設(shè)備的優(yōu)勢(shì)在于能夠探測(cè)水深達(dá)62m，且埋深達(dá)5m的管道，并且具有較高的檢測(cè)精度，且系統(tǒng)成本較低。該設(shè)備的不足之處在于，整體的檢測(cè)原理是采用大地回路法，如果管線出現(xiàn)了磨損、腐蝕等失效形式則會(huì)導(dǎo)致整體檢測(cè)的精度下降。此外，該設(shè)備在埋深變化范圍大的情況下對(duì)管道的定位較為困難，且該設(shè)備對(duì)于收集到的數(shù)據(jù)的處理周期較長(zhǎng)，一般為一個(gè)月左右，不適合實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景。

美國(guó)的Star Tark公司生產(chǎn)的河流水下管道檢測(cè)系統(tǒng)，可以通過(guò)電纜將水下埋深的管道連接成閉合回路，通過(guò)發(fā)射器向管道中發(fā)射低頻的信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)管道以及回路后傳輸?shù)浇邮斩?，采用GPS技術(shù)對(duì)管道的穿越路徑進(jìn)行定位，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件生成CAD圖進(jìn)而得到管道的埋深圖以及剖面圖。

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)在水下管道的檢測(cè)技術(shù)方面起步較晚且大部分處于地面檢測(cè)的水平，水下管道的檢測(cè)還處于檢測(cè)深度較低的程度。

國(guó)內(nèi)外在水下管道的非開(kāi)挖檢測(cè)設(shè)備方面取得了許多成果，并且有些設(shè)備已得到廣泛應(yīng)用并在一定的場(chǎng)景下取得了較好的成果，但是，水下管道的非開(kāi)挖檢測(cè)技術(shù)也存在以下問(wèn)題：

(1)現(xiàn)有的檢測(cè)方法較難滿足水深較深、且埋深變化范圍較大的情況。這是因?yàn)樵撉闆r下的電磁信號(hào)強(qiáng)度變化大，使得檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確或無(wú)法得到檢測(cè)結(jié)果。

(2)對(duì)于定向鉆穿管道，未能給出較為合理的電磁強(qiáng)度的校準(zhǔn)方法，使得傳感器的檢測(cè)精度變化范圍較大。

2 水下管道非開(kāi)挖檢測(cè)技術(shù)概述

水下管道的非開(kāi)挖檢測(cè)技術(shù)主要是通過(guò)人工、電磁設(shè)備、聲吶設(shè)備、視覺(jué)設(shè)備對(duì)水下埋深處的被測(cè)管道進(jìn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與健康的評(píng)估，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道運(yùn)行過(guò)程中存在的隱患。人工以及機(jī)器視覺(jué)的方法主要通過(guò)人工或者機(jī)器人來(lái)監(jiān)測(cè)設(shè)備的表面是否發(fā)生了磨損、腐蝕、裂紋及其其它形式的損壞，從而根據(jù)反饋結(jié)果確定合理的維護(hù)方式。電磁設(shè)備以及聲吶設(shè)備主要通過(guò)向被測(cè)管道中施加監(jiān)測(cè)信號(hào)，信號(hào)在管道中進(jìn)行傳輸，將管道的狀態(tài)信息調(diào)制于信號(hào)中，收集到的被測(cè)信號(hào)通過(guò)處理系統(tǒng)來(lái)分析其運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)專家經(jīng)驗(yàn)結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)出具評(píng)價(jià)結(jié)果，輔助后期的維護(hù)保養(yǎng)。

3 水下管道非開(kāi)挖檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用

水下管道的施工方式多為定向鉆越的方式，這導(dǎo)致管道埋深較為隱蔽且埋深范圍較大，給檢測(cè)帶了的難度。目前常用的河流水下管道非開(kāi)挖檢測(cè)技術(shù)主要包括慣性制導(dǎo)方法，電磁系統(tǒng)檢測(cè)方法、聲吶系統(tǒng)檢測(cè)方法、智能視覺(jué)檢測(cè)方法以及人工檢測(cè)方法。下面將分析每種方法的技術(shù)特點(diǎn)以及相應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景。

3.1 慣性制導(dǎo)方法

慣性制導(dǎo)方法的原理是采用加速度等傳感器單元來(lái)測(cè)量運(yùn)載體加速度，通過(guò)積分運(yùn)算可以得到運(yùn)載體的速度以及位移，從而完成對(duì)運(yùn)載體的定位導(dǎo)航。該傳感器的特點(diǎn)是，它僅通過(guò)三軸加速度傳感器來(lái)測(cè)量運(yùn)載體的各項(xiàng)參數(shù)，不容易受到外界環(huán)境的影響，通過(guò)得到運(yùn)載體三個(gè)軸方向的位置與姿態(tài)可以得到管道中心線的坐標(biāo)。當(dāng)管道內(nèi)部檢測(cè)器在管道內(nèi)部移動(dòng)時(shí)，三軸加速度傳感器的運(yùn)行。內(nèi)部檢測(cè)系統(tǒng)以一定的頻率采集傳感器的加速度、速度、里程等信息保存于計(jì)算機(jī)中。位于地面上方的每隔一定距離處會(huì)設(shè)置GPS的參考點(diǎn)，當(dāng)內(nèi)部檢測(cè)器經(jīng)過(guò)地面上的GPS參考點(diǎn)時(shí)，會(huì)與其定標(biāo)和進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，檢測(cè)器將當(dāng)前的位置以及時(shí)間數(shù)據(jù)上傳至定標(biāo)盒中。這樣當(dāng)內(nèi)部檢測(cè)器完成整個(gè)管道的檢測(cè)后，地面計(jì)算機(jī)會(huì)得到整條管道中心線的數(shù)據(jù)，由于每隔一定距離會(huì)分布GPS參考點(diǎn)，通過(guò)該定位信息對(duì)慣導(dǎo)單元得到的中心數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而得到更加精確的位置信息。得到管道的位置信息后，可以繪制出精準(zhǔn)的管道位置圖，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合聲吶設(shè)備對(duì)水下埋深管道進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。該方法目前的應(yīng)用較少，主要是由于其操作性較為繁瑣，且操作成本較高，這主要由于很多管道無(wú)法進(jìn)行內(nèi)部檢測(cè)，并且大范圍長(zhǎng)時(shí)間的檢測(cè)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，使檢測(cè)結(jié)果不可靠。

3.2 電磁檢測(cè)方法

電磁檢測(cè)法一般分為兩類(lèi)，一類(lèi)為絕對(duì)電磁法，另一類(lèi)為相對(duì)電磁法。分類(lèi)的依據(jù)主要是通過(guò)發(fā)射裝置的發(fā)射頻率不同以及接收裝置天線的陣列不同來(lái)進(jìn)行劃分的。該方法在檢測(cè)過(guò)程當(dāng)中的操作過(guò)程為，發(fā)射機(jī)的輸出、被測(cè)管道、發(fā)射機(jī)的輸入三者構(gòu)成回路。當(dāng)開(kāi)始檢測(cè)時(shí)，發(fā)射機(jī)向管道中施加特定頻率的電流信號(hào)，該電流信號(hào)會(huì)在交變的磁場(chǎng)，然后接收機(jī)將交變的磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行捕獲，通過(guò)分析接收到的信號(hào)的磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化來(lái)確定管道的位置，當(dāng)接收機(jī)位于管道的正上方時(shí)，得到的場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)，將該點(diǎn)進(jìn)行記錄。并通過(guò)公式計(jì)算接收機(jī)與管道之間的距離，該距離即為管道的深度。

3.3 聲吶檢測(cè)方法

聲吶檢測(cè)方法的測(cè)量原理為采用聲吶檢測(cè)設(shè)備向水中特定方向發(fā)射短波脈沖，短脈沖接觸到水底之后反射回來(lái)別聲吶設(shè)備所捕獲，已知發(fā)射的短波脈沖在水中的傳輸速度以及發(fā)射與接收的時(shí)間差，通過(guò)該參數(shù)能夠計(jì)算發(fā)射源到河底的距離。在測(cè)量過(guò)程中將測(cè)量?jī)x放置于水下，測(cè)量?jī)x發(fā)射出聲吶信號(hào)，實(shí)時(shí)測(cè)量其與河底之間的距離，并通過(guò)計(jì)算該點(diǎn)位于水面的距離，從而能夠計(jì)算出水面與河底之間的距離。在測(cè)量?jī)x的每個(gè)位置處都計(jì)算其GPS信息，通過(guò)GPS信息與水深數(shù)據(jù)可以計(jì)算河床的等高線，從而對(duì)河床的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。聲吶法能夠檢測(cè)出水面與河床之間的距離，該方法需要滿足水面與河床之間無(wú)障礙物進(jìn)行遮擋，如果管道通過(guò)定向鉆穿的方式進(jìn)行鋪設(shè)，則該方法無(wú)法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。因此，聲吶法在水下條件較好，且對(duì)非定向鉆穿方式的管道較為有效。

3.4 視覺(jué)檢測(cè)方法

視覺(jué)檢測(cè)方法可以分為人工視覺(jué)的檢查方法以及機(jī)器人視覺(jué)的檢測(cè)方法。人工視覺(jué)檢測(cè)方法通過(guò)檢測(cè)人員潛入到水下對(duì)管道狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果容易受到環(huán)境因素的影響，對(duì)于水流流速較大，水深較深的情況則不適合于人工檢測(cè)。機(jī)器人視覺(jué)是采用機(jī)器人來(lái)替代人工進(jìn)行檢測(cè)，高清攝像頭由于受到河流渾濁度以及周?chē)系K物的影響造成檢測(cè)結(jié)果的不可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

水下管道運(yùn)行的狀態(tài)的穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提。由于水下管道的埋深鋪設(shè)方式的特殊性無(wú)法對(duì)其采用地面管道開(kāi)挖方式的檢測(cè)技術(shù)。因此，需要根據(jù)水下管道的施工方式、位置信息確定合理的非開(kāi)挖檢測(cè)技術(shù)。對(duì)此，本文詳細(xì)分析了水下管道埋深非開(kāi)挖技術(shù)的研究現(xiàn)狀、技術(shù)概述以及應(yīng)用，從而為不同應(yīng)用場(chǎng)景下的檢測(cè)技術(shù)提供依據(jù)。