几种新型水下检测技术在国内海洋石油工程中的应用
水下检测作为一门新兴工程学科，集成了现代海洋工程技术、无损检测技术、潜水技术、潜水医学以及结构力学、断裂力学等学科。从最早的20世纪70年代英国、挪威等提出海洋平台水下检测以来，水下检测从工程技术、装备等都发展到一个较为成熟的行业。由于海洋石油开发热潮越来越高，海洋平台数量呈现爆炸式增长。世界各海洋石油生产国对海上工程结构物的水下定量检测与安全性评估十分重视，同时由于海洋油气设施的复杂性以及多样性，水下检测技术近年来从技术装备到应用范围也有了崭新发展。
一、水下检测技术分类
根据国内外一些权威船级社以及行业内一般做法，水下检测一般可分为三种类型：
⑴Ⅰ类检测，又叫绿色检测，是指一般的目视检测，不需清理海生物，一般是对结构的整体做概貌性的检测。
⑵Ⅱ类检测，又叫蓝色检测，是在清理表面海生物后所作的近距离的目视检测，一般可借助皮尺、量具等简单的测量工具。
⑵Ⅲ类检测，又叫红色检测，是无损检测类（NDT）中主要的水下检测技术。利用专业的无损检测仪器对结构细微的或不能由肉眼观测到的缺陷/损伤进行检测，一般需要对结构表面进行清理。部分检测需要由具备专业资质的人员进行。常见的NDT技术有超声波测厚、电位测量、ACFM裂纹探伤、磁粉探伤、杆件进水探测（FMD）等技术。
二、新技术在国内海洋石油工程中的应用
⒈导管架杆件进水探测（FMD）技术
导管架杆件进水探测（FMD）技术适合于检测穿透型裂纹或其他使水渗到构件内部的缺陷。其原理示意如图1所示，当存在穿透型裂纹时，外面的海水将渗到平台构件的内部，使含缺陷的构件充水，杆件在充满水和充满空气的情况下对声波的反射不同，以此来判断杆件是否进水，是否存在缺陷。
图1 FMD探测原理示意
FMD法检测有速度快、操作简单、效率高、与其他方法相比成本低的优点，所以该方法广泛应用于北海等海域的平台检测。英国RSL公司最新开发的第三代潜水员型水下杆件进水探测仪集成了现代电脑技术，最大操作深度100m，杆件最大测量范围0.2～10m（直径），可以将检测数据直接在电脑上显示、记录和打印。2010年在国内的蓬莱油田水下检测中，海洋石油工程股份有限公司（以下简称海油工程公司）首次应用该技术于工程实践，并取得了良好的效果。
⒉浑水声纳图像探测技术
在浑水低能见度工况下，应用DIDSON双频识别声呐可实现图像探测效果。DIDSON 双频识别声呐是目前唯一运用声频“镜头”在昏暗的浑浊水体中生成几乎等同影像质量图像的高清晰度声呐，原本是华盛顿大学应用物理实验室为美国“空间与海上战争系统中心”研发的。美国国务院将其列为军用品，2002年实现产品商业化，两年后转为民用，允许出口。在水下，DIDSON会主动发射两种频率的声波，声波遇到物体会反射回来被DIDSON接收，经声学成像系统的信号处理，可以在显示屏上显示物体的影像。
DIDSON成像不同于光学照片，图像的判读有其不同的一面。比如在游泳池中的空心砖照片示意相对位置见图2（a）；而DIDSON 摄取的图像见图2（b），网格可以显示物体和DIDSON 的相对距离和方位，图像的颜色仅代表回波强度的大小，回波强度越大，颜色越亮。
（a）光学照片显示相对位置；（b）DIDSON声呐成像显示相对位置
图2 DIDSON双频声呐成像效果
海油工程公司曾对渤海某油田倒塌单点系泊系统（简称单点）进行了水下检测调查，此次检测是在低能见度状态下完成的，应用了DIDSON双频识别声呐，取得了良好效果。该油田所在水深18m，其单点为孤立塔柱式，包括桩基式基础、旋转塔和系泊头三个部分。桩基基础与内套筒为一整体结构，内套筒顶部通过螺栓与系泊头中轴连接，外套筒下部通过四个突起结构与固定于内套筒上的旋转轴承连接；旋转轴承通过两个挂耳与YOKE上的挂钩连接，系泊头外框架结构通过两个插尖与外套筒连接，桩基基础、内套筒、系泊头中轴相互连接固定不动，而系泊头主框架、外套筒、旋转轴承、YOKE 以及FPSO相互连接，一起围绕系泊头中轴旋转。该次检测对几个重要部位得出了较为理想的图像资料，其中旋转轴承扫描图像见图3。
图3 旋转轴承扫描图像
MS-1000扫描声呐也是利用声学原理对水下状态进行探测。主要由计算机、MS1000软件、声呐探头、传感器、支架等组成，可以实现声呐图像数据采集和处理，其扫描图像如图4所示。目前已在渤海某油田进行过海底管道混凝土压块摆放应用。
图4 MS-1000扫描到的海底管道混凝土压块的状态
⒊以ROV为载体的检测技术
ROV应用于外观检测较为常见，随着通信技术的发展，ROV搭载一些NDT设备进行检测也渐渐发展起来，如ROV搭载电位测量仪、测厚仪等。随着FMD技术的引进，ROV搭载FMD 设备进行导管架杆件进水探测也变为现实。2011年，海油工程公司在进行南海某气田的水下检测时，将潜水员型FMD设备改造，设计ROV机械臂夹具，由ROV搭载实行杆件检测，得到成功应用。探头设计见图5，水下作业见图6。
图5 FMD探头夹具设计及安装
（a）海生物清理；（b）进行杆件FMD探测
图6 ROV搭载FMD水下作业
⒋大型FPSO旋转状态下的单点检测
单点系泊系统与FPSO是海上油气设施的核心部分，对其进行定期检测尤为重要。由于FPSO的非固定特性，使得单点的水下检测难度大大增加。近年来海油工程公司完成了几个大型单点设施的水下检测工程，逐步总结并形成了一套成熟的FPSO旋转状态下的单点水下检测施工工艺技术。
在FPSO旋转状态下，保持潜水支持船（DSV）与其进行同步旋转，即相对静止，便可进行单点设施的水下检测。采用DSV与FPSO首尾相对，傍靠于FPSO，并将支持船首尾在FPSO 上进行带缆系泊，使其与FPSO同步旋转，见图7。这样检测潜水员可从支持船船尾下水对单点设施进行水下检测。在进行水下检测时，应时刻注意FPSO旋转状态，防止潜水脐带与检测仪器电缆缠绕在单点结构上。
图7 FPSO旋转状态下的单点检测示意
三、未来检测技术发展分析
随着海洋石油工业的高速发展，海洋油气设施的水下检测技术也必将出现高速发展，未来水下检测技术的发展将具备以下几个特点：
⑴高新技术应用越来越多。高新技术设备将带领水下检测技术向更加精确、便捷、高效的方向发展。如Echo Scope水下三维实时成像声呐，是目前世界上唯一的水下三维实时高分辨率观察声呐，它可以在低能见度情况下展示出近乎等同光学摄像的成像效果。
⑵应用范围越来越广。从最初的水下检测只针对常规近海导管架发展到现在的对塔架式单点、水下浮筒式单点系泊系统、FPSO船体、海底管道、水下采油树及管汇等水下生产系统的水下检测，随着海上设施完整性管理理念的进一步深入，水下检测技术必将应用到所有的水下设施。
⑶复杂工况检测进一步增加。由于海上油气设施的复杂性及多样性，未来必将会出现越来越多的新状况，水下检测必将会遇到各种复杂工况的挑战，如水下非常规设施低能见度下的检测、水下设施外力破坏、海底管道泄漏等紧急情况下的应急检测等。
⑷检测评估维修技术的配套发展。目前水下检测技术发展较为成熟，结构安全评估技术发展相对次之，而水下维修技术发展较为缓慢，随着科技的发展，综合的水下检测评估维修技术（IMR）必将得到全面发展。如国家863 计划“基于振动检测的现役海洋平台结构安全评估技术研究”课题成果正逐步在海洋平台检测评估中应用。2016年海洋石油工程股份有限公司还完成了南海某导管架桩腿水下贯穿性裂纹的修复，促进导管架水下修复技术从理论阶段进入工程实践阶段。
【作者简介】文/栾涛 江锦 刘朋 刘丰，来自海洋石油工程股份有限公司；第一作者栾涛，男，1984年出生，男，山东泰安人，工程师，2007年毕业于中国海洋大学，现从事海洋工程水下技术及海底管道安装技术；本文来自《石油工程建设》（2017年5期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。
