海底地质构造图示例 -海底构造地貌的形成主要受何影响?

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在当前国际形势下，随着各个国家工业进程加快，人类对资源的需求日益迫切。自工业革命以来，在陆上资源开采陡然加快的同时，人们也将视线转移至海洋资源的开发和利用。海洋占据地球近71％的表面积，而人类目前所能探索的海洋区域不超过5％。海洋中蕴含着丰富的石油、天然气等资源，如何高效、经济、方便地从海洋中开采资源是关系到国际能源发展及国际经济格局变化的重要因素。

船舶、海洋平台和海底管道是目前运输海洋油气的主要方法，其中海底管道输运方法在运输成本、连续性、可控性和环保方面具有显著优势。相较于船舶运输方法中需要船舶将油气从海洋平台运送至港口再进行陆上运输的方式，海底管道一次敷设入海，即可由海底开采处输送油气直达陆上各生产加工使用点，海底管道输运方法的连续性好、成本低、环保性佳；在人员工作方面，海底管道输运方法只需要工作人员对管道运输进行监管，开关管道的运输阀门，基本不需要工作人员与油气接触，人员伤亡危害小。基于上述诸多优点，海底管道正逐步成为海洋油气资源开发系统的重要组成部分。

本图来自央广网

自从1954年墨西哥海湾成功敷设海底管道起，全世界敷设管道总里程数已达百万千米（来源：国家统计局）。我国虽在1973年才开始在山东青岛黄岛海域敷设海底油气管道，但近些年随着我国在海洋资源开发建设方面的投入，海底管道的建设水平和规模显著提升。截至目前，我国的海底管道建设总里程数已达6000km（来源：企业咨询调研）。随着油气消耗需求量的不断攀升和海洋资源开发科技水平的显著提升，海底管道在我国油气输运管道中所占比重亦会越来越大。

海底管道作为海洋油气运输的命脉，事关国家经济和社会运行安全，全面及时地对其运行状态进行检测和监测是保障管道运行安全、保护海底环境、节省运行成本、提高经济效益的重要措施。

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海底管道在埋填入海床下之后最易对管道造成危害的就是运行环境导致的管道悬空和腐蚀。出于经济或施工难度考虑，管道敷设难免会经过地势崎岖的区域，在敷设之时就已经产生悬跨；海底管道的服役期限较长，在地质活动频繁的地区可能会遭遇地质改变形成悬跨；在海流急剧的区域管道长期受海流冲刷导致管道下方土体空缺形成悬空。管道悬空段产生后同时存在扰流和湍流的影响，在管道来流后方形成旋涡，引起管道涡激振动，同时管内复杂流动介质的存在使管道的运行环境更加复杂。在上述复杂扰动的长期作用下，管道易产生疲劳损伤，甚至导致管道泄漏或断裂，如图1所示。这不仅延误海洋油气的运输和开采，而且对海洋环境造成严重污染，甚至造成重大事故。

图1 管道悬空的危害

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管道悬空检测不仅能及时排查危害管道的隐患，而且能为维修监管人员提出建议和帮助。定期对管道进行全面检查，对出现问题或存在隐患的管道提出治理建议，避免事故和灾难的发生，对于保护人员生命安全、保护海洋环境不受损坏、维护管道正常运行具有重大意义。挪威船级社（DNV）《海底管道系统规范（DNV2000）》规定易受损伤的管道部分和受海底条件变化影响较大部分（如管道支撑和埋设段）通常需要进行每年的常规检测，其他部分则至少在5～10a内完成一次完整评估检查，如果管道所在区域发生地震、大风暴或管道遭受严重的机械损伤，事后必须进行特殊检测以确保管道的工况正常。

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一、国内外所使用的管道检测方式

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海底管道在生产生活中实际运用之后，由于对管道安全性无法较好地掌握，在管道运营过程中经常发生泄漏事故，在一次次的惨痛教训中人们开始重视对管道进行日常安全评估和监测，海底管道检测应运而生，管道的悬空检测就属于这一类别。

目前，全世界所用管道检测方式大致分为内检测和外检测，如图2所示：外检测属于传统检测方式，利用人工潜水（浅水域）或水下机器人（ROV）携带摄像机沿着管道敷设路线探索排查，新近使用较多的外检测方式也有利用水上船舶携带特定的仪器设备如声波发射器、激光扫描仪等沿管道路线检测；内检测指利用管道猪（pig，一种在运行的输油输气管道中随介质前行的检查设备，一般为可弯曲的圆柱形设备）或其他能够爬行的设备携带检测装备进入管道内进行检测，当前管道内检测应用较多的还是在管道泄漏和管道漏磁方面，对于管道的悬空内检测目前还较匮乏。利用智能设备进行管道悬空内检测的方式目前应用还不广泛，不过其必然会在以后的管道检测行业占据主导地位。

图2 管道检测方式示例

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⒈人工潜水员检测

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人工潜水员检测是指在浅水域由潜水员携带摄像设备下潜至海底对管道沿线区域进行目视或者拍摄检查，当发现管道出现裸露或悬空等异常情况时，潜水人员记录下管道出现悬空的位置后由管道维护人员进行后续维护处理。这种方法适用于小范围水下管道的安全检查，尤其是一些船舶无法航行或停泊的浅水域。

⒉水下机器人检测

水下机器人作业目前已经逐渐取代人工潜水员作业，尤其当水下人工作业可能会对潜水员的安全存在隐患时采用机器人下水作业。机器人能够在水下环境复杂多变的情况下较稳定地运行，在接近管道区域时由所携带的摄像机对该区域进行全面拍摄，之后实时传输或返回岸上由陆上人员查看。

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⒊声呐探测

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如图3所示，声呐探测指由船舶携带具有声波发射器及换能器等装置向海底发射声波进行探测。声呐探测主要发出高频声波信号（200～400kHz），探测深度至海床表面，包括侧扫声呐、多波束探测方法。在船舶上安装声呐装备沿管道敷设路线区域航行，同时通过换能器向水下发射声波，覆盖区域达到水下70°范围，待声波到达海底反弹后回到接收器。由于各物质对声波的反射能力及声波在各物质中的穿透能力不同，通过计算声波返回的时间差和声波强度可以获得海底的地形地貌。若管道出现悬空，则管道下方区域会出现明显的高度差，由此可判断管道的悬空状态和跨长。若海底出现长距离悬空则使用声呐探测是行之有效的，当海底管道部分裸露或短距离悬空时声呐探测的检测精度就明显减小，因此在使用声波探测技术时需要注意管道在海床之上或完全露出海床，这样才能被声波探测到。

图3 声呐探测

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与侧扫声呐等方法类似，浅地层剖面仪发射低频信号（2～15kHz），该信号穿透力强，最大能穿透海床以下80m深度，其工作原理根据不同介质对声波反射能力的不同及反射率可以确定海床下的物质种类。此方法最初应用于海洋地球物理中，在分析不同年代的地质结构和成分中使用最多，属于比较成熟的一种方法，具有较高的精确度和可信度。由于海底管道的掩埋深度一般不会超过5m，使用该方法探测管道在海底的掩埋状态完全可行。

⒋分布式光纤主动加热法检测

该方法是利用光纤的热敏性质进行检测的，光纤对温度、压力、拉力等的变化非常敏感。在海底中存在水、泥沙甚至岩石等不同的物质，这些物质的比热容完全不同。在管道外侧附着光纤，检测时对其进行加热，若管道埋于海底之下，则其周围由泥沙包裹，加热光纤后周围泥沙的温度变化和海水的温度变化有较大区别，因此光纤的温度改变（降低值）也不一样，测量管道全线范围内光纤的温度变化，可以得出管道是否出现悬空以及悬跨长度。

⒌水下激光扫描检测

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使用船舶携带拖鱼安装激光扫描与接收装置向水下发射激光，与声波类似，激光接触物质后反射回接收装置，对于土壤等物质进行穿透再反射，计算激光行走的时间与距离，可以得出海底的地形，将其与管道敷设时的海底地形对比且通过激光接收时的能量强弱判断海底管道是否处于悬空状态以及悬跨长度。

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⒍管道猪检测

海底管道在长时间工作后会有油水等比较黏稠的混合物附着在管道内壁上，对于管道产生堵塞或腐蚀。及时进行清理对管道的安全健康运营具有重要意义。管道猪就是一种管道清理设备，工作人员将其放入管道入口后，管道猪沿整个管线进行清理作业，基于这样一种直接接触的方式，在管道猪上安装各种仪器设备对管道进行检查，能够得到的数据比其他方式更准确。由于管道猪在设计之初的目的是进行管道清理作业，并没有考虑到附加的一些管道检查任务，因此在目前的检测行业内使用不多。

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⒎管道智能检测机器人

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随着人工智能的发展和工艺制作水平的提高，对于该类特种作业越来越倾向于使用机器人进行检查。机器人在特种作业中不仅安全性高，而且依据大数据和先进的科技可以更精准地得出结果。管道智能机器人进入管道后采集管道的振动信息并进行分析得出管道是否出现悬空以及悬跨的长度，该方法不仅没有人员安全危险，而且更加省时省力，若能成功投产，则管道检测也不必再受制于船期的约束，可随时进行检查。

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二、各检测方法特点对比

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第1节共提及7种管道悬空检测方法，其中一些方法在管道检测尤其是管道的泄漏、漏磁检测中使用较多，对于管道的悬空检测使用和开发的方法还相对较少，随着对于海底油气管道的依赖程度与日俱增，以及受管道悬空导致的损失不断加大，对于悬空的检测也逐渐得到重视。

目前使用较多的管道悬空检测方法是传统的巡线检测方法，随着技术水平的不断提高，人们正在寻求一种比较省时省力且更精准的方法。将所提到的几种检测方法进行对比。

⒈人工潜水员和水下机器人检测方法

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人工潜水员和水下机器人检测方法属于传统的巡线检测，若水浅则较大的船只不宜进入水域作业只能采用这种方法，潜水员或水下机器人携带摄像机下潜至海底进行目视或拍照检测。当经验较丰富的潜水员工作时，可无须非常靠近海底就能够根据以往的经验得出管道的工作状态。但在海底工作不仅需要考虑下潜深度和工作人员安全，而且海底环境也是重要的影响因素。潜水员或者机器人进入水下后需要观察或拍摄海底真实情况，而海底经常会有水草或鱼类等存在影响工作，同时海底浑浊的环境难免会对水下工作产生影响尤其是对拍摄清晰度的影响，无法呈现真实的水下情况；对于潜水员观察方法，需要考虑到人类身体所能承受的下潜深度，因此这类方法只能用于浅水域，限制性较大，无法作为海底检测的常规方法。

⒉声呐探测法

随着声呐探测在海洋工程中使用得越来越多，尤其在水下和海底探测中，人们逐渐使用这种方法进行管道检测。使用声呐探测主要有侧扫声呐、多波束探测和浅地层剖面仪分析法，其都能够探测海底一定深度范围内的物质，其中侧扫声呐和多波束探测采用高频声波信号（200～400kHz）向海底发射信号，高频声波穿透能力比较弱，只能探测到海床以上的范围，对于海底地势变化剧烈的情况难以将其与管道悬空状况区别开来；浅地层剖面仪分析法发射低频信号（2～15kHz）进行检测，低频信号较强的穿透能力使得浅地层剖面仪方法能够测得海床以下的物质，能够更好地探测海底管道是否发生悬空以及悬跨长度，同时这类方法在其他科学研究及工程实际中已经得到广泛使用，精确度和实用性完全合适。

在进行检测作业时，该类方法施行的前提是必须有船舶携带拖鱼同步前行，无法单独作业进行检测。拖鱼在船舶下方靠近螺旋桨，其产生的噪声和海洋噪声会对声呐接收器产生影响，如果处理不当所得结果则无法作为勘测结果使用。而且，这类传统方法一旦涉及船舶使用，则管道检测的日期安排需要按照船期的规划制定，无法做到大的自然灾害和事故后及时检查，增加工作人员的数量，也就加大了操作风险，所需财物更是大大增加。这种方法虽然在精确度上已经满足要求，但管道需求逐渐增加，所需检测工作也在逐渐变多，这种费时费力的方法已经无法满足要求。

⒊分布式光纤主动加热法

光纤具有非常好的感热和压力敏感的性质，光纤产生一点温度或压力的变化就能很好地表现出来。这种方式在赵雪峰等试验后验证了其可用性，可用于大多数高精密工程测量中，尤其在航空航天上使用较多，测量结果已非常精确。

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在海底管道中使用这种方法的前提是需要在管道外部安装附着光纤，并且须沿全部管线安装，这就显著限制该方法在管道检测中的使用可能性。目前为止海底管道已经敷设的管线长度已有百万千米，想到达海底并且给埋地管线安装光纤进行使用，这一工程难度和资金甚至比重新敷设管道还大，显然无法为已经敷设的管线服务；对于未来将要敷设的管线来说，这一技术方法是可以使用的，但在海底长输管道的使用中，需要着重考虑成本问题。

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⒋水下激光扫描法

水下激光扫描法与声呐探测法的原理一致，都是通过向海底发射探测信号触碰到海底物质后反射回来，计算反射信号的强度和中间的时间间隔得出海底地貌和海底管道的悬空状态。不同的是激光比声呐更具穿透能力，所能探测的深度范围也更大，对于海床以下的探测效果也比声呐探测更好。

同样地，激光扫描法也需要有船舶在海上同步进行才能够完成，根据上述说明，一旦涉及需要动用船舶进行检测的工作，所需人力物力还有资金就显著增加，管道检测周期与船期可能无法匹配，因此水下激光扫描也无法作为大规模管道检测使用的手段。

⒌管道猪检测方法

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管道猪在开始发明时仅用于清理管道内的堵塞情况，由于其作业时需要走完整条管线，因此利用其携带检测仪器就能对管道进行完全检查，并且在管道内部完全贴合管道，这种方法用来对管道进行检测更合适。

在管道猪上安装检测仪器能够对管道内部进行详细全面的检查，由于距离较近，检测结果相对声呐探测、激光扫描和人工检测等可能在准确性上不一定会有很大的提升，但由于其工作方式，管道猪检测的方法肯定更加全面，能够对全部管线进行检查，这是其最大的优势。但是不管如何，管道猪在发明之初就是为了清理管道所设计的，不论是尺寸还是动力都没有考虑到后续加装其他仪器设备的因素，而且当前利用管道猪进行管道内检测较多的是管道的漏磁检测和泄漏检测，在管道的应力和悬空检测上使用还不多，在管道悬空检测中还需要进一步探测和提升。

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综上所述，从管道使用至今人们便在寻求各种方法以确保管道的运营安全，不论是传统的巡线检测还是新近研究的声呐、激光扫描和加热光纤测温等方法，都从不同方面出发对管道进行检测。传统方法费时费力而且无法对全世界范围内的管道都适用，有些检测精确度较高但花费太高并且无法用于已经敷设的管道，因此可以说业界亟待一种全新的方法出现，突破这些年来检测行业的弊端，为行业的进一步发展保驾护航。

三、管道智能检测机器人的未来

由于管道检测作业环境的特殊性（高压、高密度、高温、腐蚀性），采用人工的办法无法在深海中进行检测，若采用船舶进行巡线检测则花费的物力、人力、资金和时间在长久使用的情况下是无法承受的，因此采用全新的方法以避免或减少这类问题是有必要的。随着人工智能的发展越来越迅速，各行业尤其是特种行业的操作将会由机器人或机械代替，管道检测行业也不例外。

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管道智能机器人的思路是制作一个微型机器人（尺寸与管道内壁相衬）在管道内部移动，移动方式可以是借助管内流体的推力前进，也可以是机器人内置电源驱动装置，机器人沿整条管线前行，附带的检测模块集成在机器人轴体上从管道内部进行检测。其中管道的检测主要分为管道应力检测、管道漏磁检测、管道泄漏检测和管道悬空检测等4个部分。管道智能机器人能够与这4个检测对应的模块单独或多个进行组合：当仅采用1个模块时，机器人可内置该检测模块；若采用多个模块，则可用分段式连接方式将各模块的集成依次连接起来进行管内检测。

采用管道智能机器人进行检测的优点：一是能够近距离接触式对管道进行检测，结果准确、可信度高；二是机器人随管道内流体前进，能够走遍整个管线，所得结果全面，并且可以保证检测工作在最大限度上不影响管道的油气运输工作；三是该方法只需一次进入管道即可得到管道的全部工作信息，不再需要人工或船舶在海上同步前行，大幅减少人力物力和资金的花费，在很大程度上节约成本，为管道的安全运营提供保障。

从对上述几类管道悬空检测方法的检测手段和装备方法的分析总结中可知：传统方法的最大问题是费用高昂、费时费力、需要动用大量的海上船只和设备，同时因需要人员下水，存在人员风险和受海况的限制等。该类方法的检测往往只能进行定期检测，一旦在管线运行过程中突发状况，无法立即执行管道检测；管道智能机器人的思路就可以很好地解决这些问题，攻克检测技术难关，彻底改变海底管道检测的行业现状，不再需要动员大量人员和船只就能轻松地完成对管道的全面检测，由于其良好的可接续性，甚至能在多方面检测的同时进行管道的清管作业，具有一次作业、全面检测的优点，且用时短，使用便捷，检测所得数据和结果准确，不会影响管道正常作业。

近期，《自然》杂志刊登了一篇名为《Self-Poweredsoftrobotinthe Mariana Trench》的文章，报道了一个能进行深海勘探的无线自供能软体机器人，在测试中该机器人能在马里亚纳海沟深处作业，还能在南海海面下3224m处自由游泳。该种功能的机器人是由浙江大学李铁风和同事受深海狮子鱼身体构造的启发所研发和制造的，这种机器人的电子元器件被分散排布，封装在一种柔性有机硅材料中，具有极好的耐压和游泳性能，在马里亚纳海沟和中国南海的深海实验验证了这种性能的可用性。

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该机器人的成功入水表明机器人的多样化及极端环境生存能力得到大幅提高，在海底油气运输管道的高压腐蚀性性环境中作业拥有更好的性能。得益于其柔性材料，该类型机器人可以获得更佳的延展性以通过不同管径、不同法兰的油气管道；良好的通用性和操纵性也能让管道机器人在海底拥有更智能、更便捷的交互操作，大幅提高管网检测的效率和精度。虽然这种软体机器人的体积和功能还不足以达到市场应用的水平，但其已经表现出用于极端条件下具有更好的智能性、通用性、操纵性和效率，只要材料科学的研究发展同步前进，软体轻质的材料和结构能够经过验证，相信在可预见的未来人工智能机器人包括特种软体机器人将会在包括海底管道检测的各类行业中拥有广阔前景。

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四、结论

海底管道的悬空裸露会存在较大的安全隐患，如果没有得到及时的治理维修，管道易受到损伤可能产生破裂甚至断裂，不仅耽误工程的正常运行，而且对海洋环境造成严重污染，后续维修工作所需的时间和经济更是不亚于重新敷设一条海底管道。

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因此，悬空检测对于长输管道来说非常有必要，及早发现排查管道悬空情况能够有效避免管道事故的发生。现有的管道检测方法大多为管外检测，不仅效率低而且易受自然气候和海底环境的影响，已经无法负担日益增多的海底管道及其维修工作。

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随着材料科学的发展及人工智能的飞速前进，机器人所涉及的领域从一开始的巨物搬运到现在宇宙飞船的对接，这些变化都表明机器人尤其是智能机器人无论是在生产生活还是在科学研究中都占据了重要的地位。海底管道的检测工作迫切需要一种全新的检测方法，其能够摒弃传统检测方法费时费力且无法定期及时进行检测工作的缺点，智能机器人的出现能够彻底解决传统方法的缺点，大幅减少海底管道检测所需工作。当然，目前来看海底管道智能机器人的方法虽然可行，但距离正式投入生产生活还需一定的发展，这需要众多科研工作者的不懈努力和支持，将来为行业彻底革新。

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【作者简介】文/杨枭 赵春田 李红梅，来自南方科技大学工学院、四川大学建筑与环境学院。第一作者杨枭，1999年出生，男，硕士研究生，研究方向为海底管道悬空检测。本文为基金项目，深圳市自然基金“海底管线悬空状态智能检测机器人”（编号：JCYJ 20190809144809345）。文章来自《中国海洋平台》（2022年第2期），用于学习与交流，参考文献略，版权归作者及出版社共同拥有，转载请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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