幾種新型水下檢測技術在國內海洋石油工程中的應用

　　水下檢測作為一門新興工程學科，集成了現代海洋工程技術、無損檢測技術、潛水技術、潛水醫學以及結構力學、斷裂力學等學科。從最早的20世紀70年代英國、挪威等提出海洋平臺水下檢測以來，水下檢測從工程技術、裝備等都發展到一個較為成熟的行業。由于海洋石油開發熱潮越來越高，海洋平臺數量呈現爆炸式增長。世界各海洋石油生產國對海上工程結構物的水下定量檢測與安全性評估十分重視，同時由于海洋油氣設施的復雜性以及多樣性，水下檢測技術近年來從技術裝備到應用范圍也有了嶄新發展。

　　一、水下檢測技術分類

　　根據國內外一些權威船級社以及行業內一般做法，水下檢測一般可分為三種類型：

　　⑴Ⅰ類檢測，又叫綠色檢測，是指一般的目視檢測，不需清理海生物，一般是對結構的整體做概貌性的檢測。

　　⑵Ⅱ類檢測，又叫藍色檢測，是在清理表面海生物后所作的近距離的目視檢測，一般可借助皮尺、量具等簡單的測量工具。

　　⑵Ⅲ類檢測，又叫紅色檢測，是無損檢測類（NDT）中主要的水下檢測技術。利用專業的無損檢測儀器對結構細微的或不能由肉眼觀測到的缺陷/損傷進行檢測，一般需要對結構表面進行清理。部分檢測需要由具備專業資質的人員進行。常見的NDT技術有超聲波測厚、電位測量、ACFM裂紋探傷、磁粉探傷、桿件進水探測（FMD）等技術。

　　二、新技術在國內海洋石油工程中的應用

　　⒈導管架桿件進水探測（FMD）技術

　　導管架桿件進水探測（FMD）技術適合于檢測穿透型裂紋或其他使水滲到構件內部的缺陷。其原理示意如圖1所示，當存在穿透型裂紋時，外面的海水將滲到平臺構件的內部，使含缺陷的構件充水，桿件在充滿水和充滿空氣的情況下對聲波的反射不同，以此來判斷桿件是否進水，是否存在缺陷。

圖1 FMD探測原理示意

　　FMD法檢測有速度快、操作簡單、效率高、與其他方法相比成本低的優點，所以該方法廣泛應用于北海等海域的平臺檢測。英國RSL公司最新開發的第三代潛水員型水下桿件進水探測儀集成了現代電腦技術，最大操作深度100m，桿件最大測量范圍0.2～10m（直徑），可以將檢測數據直接在電腦上顯示、記錄和打印。2010年在國內的蓬萊油田水下檢測中，海洋石油工程股份有限公司（以下簡稱海油工程公司）首次應用該技術于工程實踐，并取得了良好的效果。

　　⒉渾水聲納圖像探測技術

　　在渾水低能見度工況下，應用DIDSON雙頻識別聲吶可實現圖像探測效果。DIDSON 雙頻識別聲吶是目前唯一運用聲頻“鏡頭”在昏暗的渾濁水體中生成幾乎等同影像質量圖像的高清晰度聲吶，原本是華盛頓大學應用物理實驗室為美國“空間與海上戰爭系統中心”研發的。美國國務院將其列為軍用品，2002年實現產品商業化，兩年后轉為民用，允許出口。在水下，DIDSON會主動發射兩種頻率的聲波，聲波遇到物體會反射回來被DIDSON接收，經聲學成像系統的信號處理，可以在顯示屏上顯示物體的影像。

　　DIDSON成像不同于光學照片，圖像的判讀有其不同的一面。比如在游泳池中的空心磚照片示意相對位置見圖2（a）；而DIDSON 攝取的圖像見圖2（b），網格可以顯示物體和DIDSON 的相對距離和方位，圖像的顏色僅代表回波強度的大小，回波強度越大，顏色越亮。

（a）光學照片顯示相對位置；（b）DIDSON聲吶成像顯示相對位置

圖2 DIDSON雙頻聲吶成像效果

　　海油工程公司曾對渤海某油田倒塌單點系泊系統（簡稱單點）進行了水下檢測調查，此次檢測是在低能見度狀態下完成的，應用了DIDSON雙頻識別聲吶，取得了良好效果。該油田所在水深18m，其單點為孤立塔柱式，包括樁基式基礎、旋轉塔和系泊頭三個部分。樁基基礎與內套筒為一整體結構，內套筒頂部通過螺栓與系泊頭中軸連接，外套筒下部通過四個突起結構與固定于內套筒上的旋轉軸承連接；旋轉軸承通過兩個掛耳與YOKE上的掛鉤連接，系泊頭外框架結構通過兩個插尖與外套筒連接，樁基基礎、內套筒、系泊頭中軸相互連接固定不動，而系泊頭主框架、外套筒、旋轉軸承、YOKE 以及FPSO相互連接，一起圍繞系泊頭中軸旋轉。該次檢測對幾個重要部位得出了較為理想的圖像資料，其中旋轉軸承掃描圖像見圖3。

圖3 旋轉軸承掃描圖像

　　MS-1000掃描聲吶也是利用聲學原理對水下狀態進行探測。主要由計算機、MS1000軟件、聲吶探頭、傳感器、支架等組成，可以實現聲吶圖像數據采集和處理，其掃描圖像如圖4所示。目前已在渤海某油田進行過海底管道混凝土壓塊擺放應用。

圖4 MS-1000掃描到的海底管道混凝土壓塊的狀態

　　⒊以ROV為載體的檢測技術

　　ROV應用于外觀檢測較為常見，隨著通信技術的發展，ROV搭載一些NDT設備進行檢測也漸漸發展起來，如ROV搭載電位測量儀、測厚儀等。隨著FMD技術的引進，ROV搭載FMD 設備進行導管架桿件進水探測也變為現實。2011年，海油工程公司在進行南海某氣田的水下檢測時，將潛水員型FMD設備改造，設計ROV機械臂夾具，由ROV搭載實行桿件檢測，得到成功應用。探頭設計見圖5，水下作業見圖6。

圖5 FMD探頭夾具設計及安裝

（a）海生物清理；（b）進行桿件FMD探測

圖6 ROV搭載FMD水下作業

　　⒋大型FPSO旋轉狀態下的單點檢測

　　單點系泊系統與FPSO是海上油氣設施的核心部分，對其進行定期檢測尤為重要。由于FPSO的非固定特性，使得單點的水下檢測難度大大增加。近年來海油工程公司完成了幾個大型單點設施的水下檢測工程，逐步總結并形成了一套成熟的FPSO旋轉狀態下的單點水下檢測施工工藝技術。

　　在FPSO旋轉狀態下，保持潛水支持船（DSV）與其進行同步旋轉，即相對靜止，便可進行單點設施的水下檢測。采用DSV與FPSO首尾相對，傍靠于FPSO，并將支持船首尾在FPSO 上進行帶纜系泊，使其與FPSO同步旋轉，見圖7。這樣檢測潛水員可從支持船船尾下水對單點設施進行水下檢測。在進行水下檢測時，應時刻注意FPSO旋轉狀態，防止潛水臍帶與檢測儀器電纜纏繞在單點結構上。

圖7 FPSO旋轉狀態下的單點檢測示意

　　三、未來檢測技術發展分析

　　隨著海洋石油工業的高速發展，海洋油氣設施的水下檢測技術也必將出現高速發展，未來水下檢測技術的發展將具備以下幾個特點：

　　⑴高新技術應用越來越多。高新技術設備將帶領水下檢測技術向更加精確、便捷、高效的方向發展。如Echo Scope水下三維實時成像聲吶，是目前世界上唯一的水下三維實時高分辨率觀察聲吶，它可以在低能見度情況下展示出近乎等同光學攝像的成像效果。

　　⑵應用范圍越來越廣。從最初的水下檢測只針對常規近海導管架發展到現在的對塔架式單點、水下浮筒式單點系泊系統、FPSO船體、海底管道、水下采油樹及管匯等水下生產系統的水下檢測，隨著海上設施完整性管理理念的進一步深入，水下檢測技術必將應用到所有的水下設施。

　　⑶復雜工況檢測進一步增加。由于海上油氣設施的復雜性及多樣性，未來必將會出現越來越多的新狀況，水下檢測必將會遇到各種復雜工況的挑戰，如水下非常規設施低能見度下的檢測、水下設施外力破壞、海底管道泄漏等緊急情況下的應急檢測等。

　　⑷檢測評估維修技術的配套發展。目前水下檢測技術發展較為成熟，結構安全評估技術發展相對次之，而水下維修技術發展較為緩慢，隨著科技的發展，綜合的水下檢測評估維修技術（IMR）必將得到全面發展。如國家863 計劃“基于振動檢測的現役海洋平臺結構安全評估技術研究”課題成果正逐步在海洋平臺檢測評估中應用。2016年海洋石油工程股份有限公司還完成了南海某導管架樁腿水下貫穿性裂紋的修復，促進導管架水下修復技術從理論階段進入工程實踐階段。

　　【作者簡介】文/欒濤 江錦 劉朋 劉豐，來自海洋石油工程股份有限公司；第一作者欒濤，男，1984年出生，男，山東泰安人，工程師，2007年畢業于中國海洋大學，現從事海洋工程水下技術及海底管道安裝技術；本文來自《石油工程建設》（2017年5期），參考文獻略，用于學習與交流，版權歸作者及出版社共同擁有。