0 引 言

    近幾十年來，全球海洋油氣開發迅猛，海底油氣管道是連續、大量輸送油氣資源最快捷、最安全可靠和最經濟的方式，擔負著海上油氣集輸的重要任務，也被稱為海洋油氣工程的 “生命線”。自1954 年美國 Brown ＆ Ｒoot 海洋工程公司在墨西哥灣鋪設第 1 條海底管道以來，全球各大海域已經形成龐大的海底管道網絡 。中國自 1985 年在渤海埕北油田建成第1 條海底輸油管道以來，已在不同海域鋪設了總長超過 6 000 km 的海底管道。

    海底管道作為重要的海上油氣田生產設施，它具有高投入和高風險特性。海底管道造價昂貴，每公里的造價為30～100 萬美元； 海底管道所處的海洋環境異常復雜，存在著許多不確定性因素。隨著海底管道鋪設距離的增加和運行時間的延長，海底管道損傷概率增大，事故也愈加頻繁。而海底管道所輸送的油氣對人體有害，一旦海底管道發生泄漏或破壞，就會給周圍環境和人員帶來嚴重影響，輕則導致海底管道出現泄漏而浪費資源，重則會因為原油或天然氣的泄漏而導致爆炸，造成人員傷亡和財產損失，并且嚴重破壞周邊的生態環境。同時，海底管道的大量泄漏也會造成油氣田停產，直接造成巨大的經濟損失 。2007 年，中國南海潿洲 12－1至 11－4 原油管道因腐蝕發生泄漏，油田停產近 200d。2011 年，中海油珠海橫琴天然氣處理終端附件處天然氣管道被因偷采砂作業船舶的機械傷害而拉斷。近年來越來越多的海底管道受損事故表明，對海底管道的安全保護研究已經迫在眉睫。據國內公開報道，1995—2010 年共發生 28 起海底管道事故（事件）。造成海管損壞事故原因很多，江錦等統計分析了國內造成海底管道損壞的原因。海底管道受到損傷的原因極具綜合性和復雜性，但腐蝕、拋錨和外物撞擊是引起海底管道受到損傷的主要原因。

    海底管道安全性已經成為一個影響海洋油氣開發和安全生產過程中的重要問題，應當引起人們的高度重視。定期檢查海底管道的運行狀況，及時掌握海底管道安全狀態，成為海上油氣生產的重要保障措施，亦是海管運營商資產完整性管理的重要內容，這樣既可以防止管道腐蝕，又可以保證管道安全運行，延長管道使用壽命。

    筆者詳細介紹了國內外海底管道內檢測和外檢測技術的概況，分析了我國海底管道內檢測和外檢測技術的現狀，總結了國外海底管道內、外檢測設備及技術的最新進展，重點介紹了基于 ＲOV （Ｒe-mote Operated Vehicle，水下機器人） 作業方式的 2種最新外檢測裝備及技術———Oceaneering 公司的Magna 水下檢測裝置和 Tracerco 公司的 Discovery 海底管道檢測裝置及其特點。最后指出我國海底管道檢測的發展方向，以期為海底管道檢測技術的發展提供一定指導。

    1 海底管道內檢測

    1. 1 內檢測概述

    海底管道內檢測包含清管和智能檢測 2 部分，檢測的儀器包括各種功能的清管器和智能內檢測器 。

    1. 1. 1 清管

    通常利用不同類型清管器 （見圖 1） 按照先后順序清理管道內壁。管道清理順序一般為泡沫清管球、帶刷子的清管球、帶刷子的鋼質清管球和測量清管球等。檢測前清管，可將附著在管內壁上的污垢、蠟狀沉積物和水合物等清掃干凈，使得檢測傳感器探頭可以與管壁緊貼，以便獲得真實數據。

圖 1 不同類型清管器

    1. 1. 2 智能內檢測

    目前通過智能內檢測器測量管道厚度是應用最廣泛的內檢測技術，但檢測費用較高，國內檢測技術尚不成熟，市場及技術被美國和德國等公司高度壟斷。常見的智能內檢測器包括幾何變形檢測器、漏磁檢測器和超聲波檢測器等，如圖 2 所示。幾何變形檢測器主要用于檢測管道幾何變形、斷面變形、屈曲和皺折變形等。漏磁檢測器使用磁鐵將磁通引入管壁或焊縫，傳感器裝在兩磁極之間，探測因管壁減薄或腐蝕等引起的各種漏磁現象，國際上90%的管道內檢測均采用這一技術。超聲波檢測器利用超聲波從管子內、外表面之間反射波的時間差來測定管壁腐蝕和厚度，但其檢測需要液體環境，使用受到一定的限制。

    1. 1. 3 技術難點

    與陸上長輸管道內檢測相比，海底管道內檢測技術的難度和要求更高，主要體現在以下幾個方面。

    （1） 檢測風險大，通過性要求高。與陸地油氣管道相比，海底油氣管道轉彎半徑小，只有1. 5D（D 為管道直徑），近乎于直角，再加上可能遇到的漁船拋錨刮傷、海冰撞擊及海流沖淘，這些極易造成海底油氣管道的變形和損傷。如果檢測器通過能力不強，卡在管道內，那么修復工程的代價幾乎與重新鋪設新管道一樣高。

    （2） 速度控制難。由于海底管道內檢測器一般需要穿越垂直立管和水平管，對檢測器速度控制要求比陸地長輸管道檢測器要求高。

    （3） 檢測難度大。海底管道壁厚大、口徑小，管壁飽和磁化困難，而通過能力又要求永磁體的體積更小，這使海底管道檢測的難度大很多。而且海底管道輸送油氣一般為高溫高壓，或者油、氣、水混輸，流量小，流速不穩，增加了檢測難度。

    （4） 操作難度大。海底管道檢測裝置的發射和回收裝置可能在生產平臺的狹小空間，深水管道可能位于水下，海底管道檢測操作難度大。

    （5） 定位難度大。海底環境復雜，由于厚壁管或雙層管的高屏蔽效應，以及水下定位系統與水上 GPS 定位系統數據協調融合，使得內檢測器在水下管道內的定位難度很大。

圖 2 不同類型智能內檢測器

    1. 2 我國內檢測技術現狀

    目前，我國海底管道內檢測技術仍然較薄弱，內檢測作業開展時間較短。相對而言陸上油氣管道內檢測技術較為成熟，國內外技術差距正在逐步縮小，國內提供陸上管道內檢測單位較多，主要有GE PII、ＲOSEN、中國石油天然氣管道局管道技術公司及中國特種設備檢測研究院等。

    我國海底管道已經陸續開始實施內檢測作業，有效保障了海底管道的安全。2007 年 9 月番禹油田海底管道使用 GE PII 的 304. 8 mm （12 in） 超聲“UltraScanWM”檢測器進行了超聲內檢，這是南中國海油田首次海管智能內檢測作業。2013 年5 月中海油蓬萊 PL19－3 油田 4 條 609. 6 mm （24 in）管道采用智能漏磁檢測技術，檢測器使用荷蘭的“MFL”內檢測器和 “Caliper”電子測徑檢測器。2014 年 11 月，中海油服深水技術有限公司承擔了崖城海南管道 （長 91 km） 內檢測項目，完成了海油系統內首次依靠自主力量、運用國產技術的海管內檢測作業。2015 年 11 月，海油系統在潿洲 11－4NB 平臺至潿洲 12－2A 平臺海管首次完成我國海底管道超聲波內檢測作業。

    國內的內檢測工程一般由國外公司或國內外合作完成，主要有中海油海洋工程公司 （ＲUSSELL設備）、太原剛玉國際貿易有限公司 （GE PII 設備） 及香港 APC 集團 （ＲOSEN 設備） 等。雖然目前國內很多研發機構對海底管道智能內檢測技術進行了大量的研究，也出現了一些通過海試的設備，主要研發單位有中國航天科工三院 35 所 （與中海油研究總院合作）、清華大學油田電氣工程研究中心 （與勝利油田合作）、中船重工 716 所 （與中石油管道局合作） 和中海油服深水技術有限公司（與沈陽工業大學合作） 等，但由于技術和風險等原因，我國實際實施的海底管道內檢測工程仍然偏少，內檢測技術仍然落后，而且測試階段離大規模實際工程應用還有相當長的距離，因此必須大力發展內檢測技術。

    1. 3 內檢測技術最新進展

    現在世界上的海底管道內檢測技術采用了目前最先進的三軸漏磁 ［9］ 、超聲［10］ 、電磁超聲以及遠場渦流等技術，實現了金屬損失、裂紋、涂層和防護層剝離等缺陷的智能檢測與自動識別，甚至 1 臺檢測器同時識別多種缺陷。目前，全世界最先進的檢測技術主要集中在美國 GE PII、德國 ＲOSEN 和加拿大 ＲUSSEL 等公司。知名的內檢測設備主要有GE PII 的三軸漏磁檢測器 “MagneScanTriax” （如圖 3a 所示）、圓周漏磁檢測器 “TranScan”、超聲檢測器 “UltraScan WM” （可檢測金屬損失），超聲檢測器 “Ultrascan CD TM ” （可檢測裂紋）、超聲檢測器 “UltraScan Duo”（可檢測金屬損失和裂紋，如圖 3c 所示） 和電磁超聲檢測器 “EmatScan TMCD”（可檢測裂紋和涂層損傷），ＲOSEN 的圓周漏磁 檢 測 器 “ＲoCorr · CMF ”、 超 聲 檢 測 器“ＲoCorr·UT”（可檢測金屬損失）、超聲漏磁檢測器 “ＲoCorr·MFL/UT” （可檢測金屬損失，如圖3b 所示）、電磁超聲檢測器 “ＲoCD2” （可檢測裂紋和涂層損傷） 以及 ＲUSSEL 遠場渦流檢測器“Ferroscope Ｒ 308”。

圖 3 國外先進內檢測器

    2 海底管道外檢測

    2. 1 外檢測概述

    海底管道外部檢測主要目的是掌握管道外部狀況和管道在海床上的狀態，主要內容包括海底管道地貌狀況、水深，海底管道埋深、路由、走向，管道周圍的沖刷情況，有無裸露懸空、有無發生位移及外力破壞、外部防腐層狀況、管道外壁及其損傷情況、土壤腐蝕狀況等。

    外檢測有 2 類方式： 一類是工程物探方式，使用淺剖面儀、多波束水深測量系統［11］ 、側掃聲吶系統［12－13］ 及磁力探測等設備和方法進行常規海底管道外部檢測； 另一類是潛水檢測方式，由潛水員或ＲOV［14］ 進行水下檢測作業，主要方法包括水下目視檢測、水下磁粉探傷、水下常規超聲縱波探傷、常規超聲橫波探傷、渦流探傷、超聲衍射時差法、漏磁探傷、水下交流場檢測和水下射線探傷等［15］ 。

    2. 2 我國外檢測技術現狀

     我國海底管道運營商對海底管道外檢測比較重視，會定期進行外檢測 （間隔一般為 2～4 a），對于風險較大，運行期間發生地震或臺風，遭受嚴重機械損傷的管道，會加密外檢測的頻次。國內外檢測市場競爭激烈，技術成熟，提供海底管道外檢測的工程服務公司非常多。采用工程物探方式的海底管道外檢測公司較多，主要有浙江水利河口研究院、國家海洋局第二海洋研究所、上海東海海洋工程勘察設計研究院、上海海洋石油局第一海洋地質調查大隊、中海輝固地學服務 （深圳） 有限公司和冀東油田油建公司等。基于潛水員作業的檢測服務公司主要是中海油系統內部公司，有中海石油技術檢測有限公司和湛江中海石油檢測工程有限公司等； 提供基于 ＲOV 作業的檢測服務公司主要有中海輝固地學服務 （深圳） 有限公司、中海油田服務股份有限公司物探事業部和海洋石油工程股份有限公司等。

    2. 3 海底管道外檢測最新技術進展

    對于不能進行內檢測的海底管道而言，更先進、更新型和自動化程度更高的外檢測技術依然是海底管道檢測行業的研究重點。2015 年 5 月的美國國際海洋技術大會評選出的 15 項 “2015 年度聚焦新技術獎”中，有 2 項是關于海底管道檢測方面的新技術： Oceaneering 公司的 Magna 水下檢測裝置和 Tracerco 公司的 Discovery 海底管道檢測裝置。這 2 項技術代表了海底管道外檢測技術的最高水平。

    2. 3. 1 Oceaneering 公司 Magna 水下檢測裝置

    Magna 水下檢測裝置［17］ 是美國 Oceaneering 公司的一款最新的海底管道自動智能檢測器，僅需要ＲOV 為其提供電力和通信聯接，技術水平高，使用范圍廣。

    （1） 裝置組成。Oceaneering Magna 水下檢測裝置 （如圖 4 所示） 主要包含支撐架 （含支撐磁輪）、檢測系統 （含信號發射機、信號接收機及信號存儲系統）、電力及通信電纜，以及與之配套的水上分析系統，整套裝置由 ＲOV 提供電力及通信。

    （2） 檢測原理。它利用 EMAT （Electromagnet-ic Acoustic Transducer，電磁超聲換能器） 技術，在不中斷生產情況下深度達 3 048 m （1 萬 ft） 水下實現管道外部檢測。它利用高速超聲掃描，進行管周 360°檢查，可發現管周 360°異常缺陷并提供金屬結構管壁狀況的實時數據，特別適合檢測某些不能夠進行內檢測的海底管道。

    （3） 檢測過程。Magna 水下檢測裝置檢測過程如圖 5 所示，該裝置在 ＲOV 支持船舶上與 ＲOV 連接好電力及通信線纜。到達預定檢測海域，由ＲOV 機械手抓取并與 ＲOV 一起下放到海底管道頂端，由設備下端的磁輪支撐在管道上。檢測設備沿著管道上端自動爬行，實現檢測。整個過程由ＲOV 提供視頻監控，并且受水上控制系統對檢測速度和檢測精度等狀態的控制。

    （4） 特點。Magna 水下檢測裝置可在小于3 000 m的超深水環境中使用，使用范圍廣，如表 1所示。主要有如下特點： ①通過包含 lamb 導波和剪切水平導波等優化超聲波技術，可以識別局部缺陷和總體壁厚損失。②結合了 Oceaneering 公司的自動化 SeaTurtle 掃描儀與特有的超聲掃描技術，可以部署在任何 ＲOV 上。③該系統能夠檢測管道內部和外部損傷，包括腐蝕、點蝕、裂紋和其他潛在損傷。④提前檢測損傷，防止海底管道損傷破壞后導致環境災難。⑤該設備與傳統外檢測設備相比，只需要清潔海管頂部表面部分，大量減少了海管挖開工作量。⑥該檢測對黑色金屬和有色金屬均適用，其缺點是需要挖開讓海底管道暴露在海底，速度較慢，適合重點管道的精細檢測。

1—電力及通信電纜； 2—ＲOV; 3—支撐架 ;4—水上分析系統；5—檢測系統。

圖 4Magna 水下檢測裝置組成

圖5Magna 水下檢測裝置檢測過程

    2. 3. 2 Tracerco 公司的 Discovery 海底管道檢測裝置

    Tracerco 公司的 Discovery 海底管道檢測裝置是世界上首套海底管道放射性掃描裝置，并且首次成功實現雙層保溫管的內外壁厚的同時檢測。它不僅可在不中斷生產的條件下檢測雙層保溫管、立管和管束等不同類型管道的壁厚變化，而且能檢測管道內部的水合物和結蠟等流動保障狀態參數。該裝置擁有一系列不同規格的裝備，適用于不同直徑的管道和不同的工作水深。該技術已經在墨西哥灣深水項目中完成了數百次的成功應用。

    （1） 裝置組成。該裝置主要組成部分 （見圖6） 有： ①支撐架，檢測時包裹在海底管道上，主要為設備在海管上提供支撐； ②ＲOV 抓手，提供ＲOV 的機械手抓取并可移動該監測裝置； ③掃描系統，由 X 線管、探測器和掃描架組成，為管道檢測提供掃描源； ④計算機系統，存儲運算掃描收集到的信息數據，并提供數據接口，與水上分析系統連接，分析數據并可視化顯示，得到管道壁厚及其內部流動保障狀態數據。

1—支撐架； 2—ＲOV 抓手； 3—掃描系統； 4—計算機系統。

圖 6Discovery 海底管道檢測裝置組成

    （2） 檢測原理。該裝置采用 CT （ComputedTomography，電子計算機斷層掃描） 原理，利用精確準直的 X 射線和靈敏度極高的探測器環繞海底管道旋轉做連續斷面掃描，實現 360°快速掃描，并且快速成像 （見圖 7），以便管道檢測人員快速判斷管道壁厚及相關運行狀態。

    （3） 檢測過程。Discovery 海底管道檢測過程如圖 8 所示。將該裝置預先放置在 ＲOV 的工具籃內并與 ＲOV 一起下放到海底，由 ＲOV 機械手抓取放置到已預先挖開暴露的海管處，支撐機構將海底管道包裹住，裝置內的掃描系統啟動旋轉，檢測管道圓截面，掃描收集到的信息數據并存儲到裝置計算機系統。整個檢測過程受到 ＲOV 的實時監控。

圖 7Discovery 檢測成像顯示圖

圖 8Discovery 海底管道檢測過程

    （4） 特點。該裝置具有如下特點： ①該技術從根本上解決了使用管道內部檢測設備易造成工具遇阻和遇卡影響正常生產的難題； ②對傳統技術無法進行清管作業的區域仍可獲取管道檢測數據； ③利用水下機器人可以快速固定設備，并且管道的外部保護層不會影響設備工作，可穿透小于 80 mm的防護層 （防護層類型可為混凝土/熔結環氧粉末/聚丙烯），減小檢測工作量，降低風險，節約成本； ④在線實時通信系統可快速獲取管道狀態信息，具備高度的自動化程度，不影響正常生產； ⑤從管道外部即可精確檢測雙層保溫管的內外管壁缺陷、壁厚減薄以及內外管環形空間內的進水情況，并可以精確判斷管道內部充填物是水合物、結蠟、瀝青質還是結垢； ⑥檢測設備精度高，徑向分辨率高大 2 mm; ⑦成系列的設備規格，適用于不同尺寸和水深的管道。其缺點主要就是要把海底管道完全挖開暴露，挖掘工作量大，且檢測速度較慢，適合于需要精確檢測的重點管段。另外，由于檢測器攜帶射線源，需要確保設備在運輸和檢測過程中對環境無污染。

    3 技術發展方向

    （1） 海底管道快速外檢測技術。基于 ＲOV的海底管道精細化高分辨率外檢測技術已成為海底管道外檢測技術的發展趨勢，但目前受到 ＲOV 操作成本及檢測速度的影響，檢測費用高、操作效率低，主要適合于高風險管段的檢測。在保證高分辨率的前提下提高海底管道檢測速度，實現快速檢測，是未來海底管道外檢測技術的發展方向和需要攻關的難點。

    （2） 海底管道內檢測多類型缺陷智能識別與高精度量化分析技術。針對內檢測獲取的海量的海底管道狀態數據，如何智能識別和高精度量化分析軸向金屬損失、周向金屬損傷、裂紋、涂層損傷和防護層剝離等多種類型缺陷，是海底管道內檢測技術未來發展的重點與難點。

    4 結論與建議

    發展海底管道檢測新技術和新裝備，保證海底管道安全穩定運行，已成為海洋石油行業的一項重要課題。主要建議如下。

    （1） 隨著海底管道運營水深的不斷增加，為更好地提高海底管道檢測精度和檢測效率，建議相關科研院所和石油單位加強內檢測和外檢測技術研究，加強檢測工具的耐惡劣海洋環境及復雜管道介質的能力，提高設備分辨率和檢測速度，使得經濟效益更加顯著。

    （2） 海底管道檢測設備應向智能化、自動化和集成化方向發展，同一設備實現多類型缺陷參數的檢測、傳輸和分析的一體化，檢測數據顯示可視化，逐步滿足檢測作業者和管道運營商對管道狀態全面掌握的需求。

    第一作者簡介：

    王金龍，工程師，生于 1988 年，2015年畢業于復旦大學流體力學專業，獲博士學位，現從事海底管道設計、分析與檢測技術工作。地址： （100029）北京市朝陽區。電話：（010） 59068238。E-mail: wangjinlong132@ 126. com。