三维成像声呐在海底管道悬跨治理中的应用

时间：2024-05-22

赵百龙*

（海洋石油工程股份有限公司）

随着我国海洋油气资源的开发和利用，海底管道日益增多。海底管道铺设于海床表面以后，受各种因素的影响，会不可避免地出现悬跨现象，在环境或其他条件共同作用下，悬空长度会持续增加，造成海底管道的破坏。因此需要定期采用对海底管道进行检测和悬跨治理。三维成像声纳应用于海底管道悬跨治理，不仅能够获取海底管道悬跨情况的准确数据和清晰三维图像，同时能够实时跟踪目标物，指导悬跨治理水下作业，可以极大提高悬跨治理作业质量和效率，具有较高的推广价值。因此，以渤海某海底管道悬跨治理工程为例，介绍了三维成像声纳在海底管道悬跨治理中的应用。

1 三维成像声呐工作原理

三维成像声纳与普通声呐工作原理一致，都是基于声波在海水中传播的特性。声纳头发射声波，声波遇到障碍物后反射，声纳接收设备接收到这些信息后，根据不同的物体反射声信号的强度和频谱不同，利用计算机的声纳软件把接收到的信息以图像的形式显示在显示屏上。

而三维成像声纳使用的成像方式，可以直接获得二维面阵，从而在垂直、水平、距离三个方面直接获得分辨率，形成一组二维序列图像，再通过计算机合成具有高分辨率的三维图像，测量数据经数字化处理后嵌入到三维图像中，图像包含的距离和方位等数据，可以显示更多水下目标的细节描述。不仅如此，三维成像声呐还能够在目标物与声纳进行相对运动的情况下，实时将声纳扫描得到的数据以图像的形式展现在终端显示器上。

三维成像声呐具有以下优点：首先，能够将复杂的三维结构完整、准确地呈现在电脑终端上，图像比二维结构更加立体、清晰；其次，将水下探测、跟踪以及成像三项工作融为一体，只要没有超出探测范围，就可以实时调整观察角度，获取最优化的三维图像，不仅可以测量三维数据，配合GPS 导航系统时，还可以获得图像上点位的大地坐标；最后，该技术利用声波原理，不会受到水质的影响，即使水下能见度为零，也可以正常工作，并且成像质量不会受到影响。

2 三维成像声呐应用实例

渤海海域某海底管道距离陆地20 km 处，海底地形地貌发生变化，致使该段海底管道悬空于海底形成悬跨，经初步调查，海底管道部分位置悬空严重，需要进行海底管道悬跨治理。

该项目采用三维成像声呐对存在悬跨的海底管道进行全面扫测调查，从而获取该段海底管道悬跨情况。在悬跨较大的位置进行沙袋回填，将悬跨位置垫实填平，以支撑海底管道，避免管道悬空。全部悬跨位置回填完成后，在海底管道两侧摆放水泥压块，防止来往船舶抛锚拖拉对海底管道造成破坏。悬跨治理完成后，采用三维成像声呐对该段海底管道悬跨治理情况进行扫测复查，合格后进行工程验收。

以往悬跨治理通常采用水下定位信标引导和潜水员水下确认的方式来摆放沙袋和水泥压块。水下信标信号跳动幅度大（1～2 m），潜水员在水下确认摆放位置时，只能通过个人感官判断海底管道的相对位置，作业误差大、耗时长，并难以摆放整齐，而且潜水作业受限于潜水时间，在强潮汐或大潮汛期间，一天的潜水作业时间仅为几个小时。与以往悬跨治理相比，采用三维成像技术引导压块摆放，可以极大减少潜水员工作量，摆脱潜水时间限制，而且压块摆放整齐，极大地提高了悬跨治理的作业效率和质量。

3 三维成像声呐在海底管道悬跨治理中的应用

3.1 海底管道悬跨调查

船舶首先在海底管道悬跨位置处就位，船舷侧平行于海底管道。在甲板上将三维成像声呐的各设备线缆连接并接入GPS 导航设备，将声呐发射接收设备安装固定在船舷的收放支架上，下放支架直至声呐发射接收设备超过船底至少2 m，从而避免船底影响声呐信号的发射和接收。设备安装和调试完成后，船舶沿平行于海底管道的方向移动对海底管道悬跨段进行扫测调查，获得海底管道悬跨影像和数据，如图1所示。

图1 三维声呐悬跨检测成像图

收集整理获得的海底管道悬跨信息，包括海管悬空凹坑相对与明显参照物（如法兰等）的相对位置距离，海底管道悬跨凹坑的长、宽、深等数据，为海底管道悬跨治理提供数据支持。

3.2 沙袋回填

根据海底管道的悬跨信息，现场工程师需估算填放的沙袋数量，甲板辅助工人将沙袋装入网兜，吊机将网兜吊至海底管道悬跨点附近位置，三维成像声呐实时监测，引导指挥吊机将沙袋网兜移至悬跨点位置处，吊机下放沙袋网兜，直至沙袋网兜在海床上完全着泥后，解除网兜与吊机连接的吊索具。而在网兜无法摆放的位置，可先将网兜置于一侧，潜水员下水人工从网兜内搬运沙袋将凹坑垫实填平，如此重复，直至将全部海底管道悬跨位置都填放沙袋。

3.3 水泥压块摆放

沙袋回填完成后，在电脑端三维成形图像上预先设置好水泥压块摆放的预定位置。吊机通过水泥压块吊架，将甲板上的水泥压块吊放入水，先将水泥压块下放至预定摆放位置上方2 m 处，根据实时三维声呐监测图像，指挥吊机调整水泥压块位置，使水泥压块与预定摆放位置对齐。缓慢下放水泥压块，同时三维成像声呐调整不同的观察角度，实时监控水泥压块的下放姿态，根据观察到的水泥压块偏移情况指挥吊机及时调整水泥压块位置，最终将水泥压块摆放在预定的位置。下放水泥压块直至吊机吨位显示为0，即水泥压块完全着泥。此时停止下放，三维成像声呐再次调整不同观察角度，确认压块是否摆放到位。若压块摆放到位，则利用压块自动释放装置将压块释放，回收吊架至甲板，快速起吊甲板预先摆好的下一组压块进行下一次摆放；若压块未摆放到位，则重新提起，再次按照以上步骤进行下放，直至压块摆放到位。