海洋技术▏两种水下电缆平面探测技术的应用
随着近年来海洋开发的迅猛发展，海上采油平台、海上输油、输气管线的敷设遍布各处海域。平台之间、平台与陆地之间不仅有管线互相联系，更有供电电缆、通信电缆互相联接。鉴于海底地质复杂，地震、海床塌陷、滑坡、洋流变化、海洋生物及船只抛锚都有可能造成电缆断裂、破损，影响电缆的安全运行，海底电缆探测和识别已成为海底管缆探测中的一项重要内容。
海底电缆不同于海底管线，由于其直径较小（一般为50～80mm），传统的精密测深、侧扫声呐等探测手段不能对其进行完整的探测和识别，例如：侧扫声呐仅适用于裸露电缆，在平台附近等区域或有奇效，但无法得到埋藏电缆的数据；同时，其对于小管径管线与电缆得到的声学图像相似，适用范围有限；传统的浅地层剖面仪由于受技术限制，垂向分辨率一般为100mm，仅对直径较大的电缆有一定的探测能力。海底电缆拥有的电磁特性为应用电磁法手段进行探测提供了一定的基础。本文分别介绍目前海底电缆平面探测的两种主要技术手段磁法探测及电磁感应法探测的工作原理，并结合在渤海南部某油田电缆位置探测中的应用成果进行对比分析，总结两种海底电缆平面探测方法在实际应用中的不同优势，以期为不同工程中电缆位置探测技术方法的优化组合提供技术参考。
一、两种水下电缆探测技术
目前水下电缆的探测技术主要有磁法探测和电磁感应法探测两种。下面对两种探测原理进行简要介绍。
海底电缆一般采用特殊的护套结构，主要包括加强的金属护套、金属加强带和铠装钢丝，而电缆结构一般分为导体、绝缘体、内外屏蔽、金属护套和非金属护套以及铠装钢丝和外被层。海底电缆本身含有铁磁性材料，当通电时将产生附加磁场，因此海底电缆的磁场模型T电缆包括：①铁磁性材料产生的磁场T1；②海底电缆通电时的附加电磁场T2。
T电缆＝T1＋T2 ⑴
磁场T1由海底电缆铠装钢丝产生，可被看成无限长的水平圆柱体；磁异常形态可用无限长圆柱体模型建立，其自身产生的磁场不仅与海底电缆的走向有关，而且与其有效磁化强度和横截面磁矩有关。磁场T2可理想化为一无限长载流导线产生的电磁场，其在周围空间产生的磁场符合比奥－萨伐尔定律。海底电缆的铠装部分体积较小，产生的磁力异常值较弱，通电时电流磁场占主导地位。磁力梯度仪可测得磁场总强度T，通过分析总磁异常ΔT对海底电缆进行定位。
⒉电磁感应法探测原理
海底电缆是导体，当电磁感应法探测设备中的发射天线建立一定频率的一次交变电磁场时，根据电磁感应定律，其在海底电缆内产生相应频率的感应电流，并在周围形成二次交变电磁场，其频率与一次交变电磁场频率相同。接收天线接收该二次交变电磁场的水平分量，其量值为
Hx＝RK/（x2＋h2） ⑵
式中：Hx为二次交变电磁场水平分量；R为与海底电缆内感应电流强度有关的因数；h为接收天线至海底电缆间垂直距离；x为接收天线至海底电缆间水平距离。
当接收天线探头位于水下电缆正上方，即x＝0时，二次交变电磁场水平分量最大，由此可确定水下电缆的水平位置。具体探测方法可分为以下两种：
⑴直流充电法。利用海底电缆表面具有的金属屏蔽层，将被测电缆停用并在一端金属屏蔽层充直流电，另一端接地，使整根电缆周围形成一个均匀的直流感应电场，采用设备接收该电磁场的水平分量，结合定位设备，探测到的信号峰值位置即为海底电缆的水平位置。此种方法也可应用于导电金属管线探测。
⑵无源探测法。国内大部分地区的供电标准频率为50Hz，在电缆供电时其内部传输的交变电流产生交变电磁场，采用设备接收该电磁场的水平分量，定位原理同上。此方法的优势为无需接地、操作灵活方便、效率高、效果好，但在电缆紧邻或密集的场合应慎用。
二、实例设备介绍
以渤海南部某油田电缆探测为例，项目采用的电缆探测设备分别为电磁感应法探测设备SCD-09海缆探测仪和磁法探测设备G-882磁力梯度仪。
SCD-09海缆探测仪（见图1）是海军工程大学近年来研发的一款海底电缆探测仪，其探测方法基于电磁感应原理，属于有源电法设备，分为两个模块：ZCC-25海缆探测发信设备和ZCC-25海缆位置接收设备。其能够精确探测海底光缆、电缆路由位置和接地故障点。SCD-09海缆探测仪频率探测范围为0～200Hz，具备0～800Hz频谱分析功能，可有效检测10nV级的信号并直观显示，从而可分析空间信号干扰情况，完成在复杂海洋环境下的海缆探测任务。
图1 SCD-09海缆探测仪
G-882磁力梯度仪是美国Geometrics公司生产的铯光泵磁力仪，如图2所示。它是以工作物质的原子能级在磁场中产生塞曼效应为基础，结合光泵技术和核共振技术构成的。其既可探测物体的固有磁场，也可探测电磁异常。配有高度回声测深仪模块，量程为0～100m，分辨率为量程的0.25％，通过量取拖缆长度结合软件内置拖曳模型可准确地计算拖鱼拖曳时的Layback数值，结合记录的GPS位置轨迹和速度，实现每个点的精确定位。
图2 G-882磁力梯度仪
三、实际应用对比
按照管缆维护周期规定，渤海南部某油田电缆需进行维护性调查，调查内容为两平台间的电缆路由探测，检查电缆路由是否有障碍物、电缆破坏、电缆位移等隐患存在。该段探测路由全长约2.3km，路由段内有2条管线及1条电缆平行分布，电缆走向大致为西北－东南向。
采用的调查设备包括：导航定位设备、侧扫声呐、电缆探测仪、测深仪。其中，侧扫声呐主要用于扫测障碍物及裸露电缆。由于电缆直径小于100mm，浅地层剖面仪主要用于探测管线位置，采用校核磁法探测电缆位置。
本次调查计划线分为横测线和纵测线：纵测线垂直于电缆路由，沿东北－西南向布设，间距为100m，测线长为500m，共计24条，平台端尽量靠近并适当加密；横测线平行于电缆路由，分别于电缆路由及其两侧50m各布设1条，共计3条。在测量过程中，首先进行侧扫地貌调查，之后进行浅地层剖面调查，最后分别进行磁法和电磁感应法电缆探测。
⑴磁法探测
为消除船体固有磁场及电磁场干扰，磁法探测选用木质船舶、船尾拖曳式进行探测作业，拖缆长度应大于3倍船长。由于现场水深为15～20m、船长为22m，同时依据单物体在空间产生磁场的原理可知，物体在空中产生磁场是按球状分布的，而空中某点磁场强度与距该物体距离的３次方成反比，因此为了保证探测精度，设备距海底必须足够接近，一般保持距离约2m。对磁力梯度仪G-882不同拖缆长度的测试结果进行对比，确定在拖缆施放为75m、船速为2kn时测量状态较好。考虑到当磁背景场复杂时，所探测目标的磁异常难以分辨，在遇到强磁场干扰时，有可能掩盖海底电缆的磁异常信号等，为了在平台附近兼顾平台磁场较强以及尾拖设备的安全性，实际选定的测线最近距离距平台100m。
将GPS定位数据信息接入磁力仪软件中，并同步输入GPS至拖曳点距离、后拖电缆长度（拖曳点至水下拖鱼距离）对GPS定位数据进行实时改正，在发现电缆磁异常信号时进行坐标摘取。为得到更精确的电缆平面位置坐标，采取往返测量。
⑵电磁感应法探测
SCD-09电缆探测仪具有探测准确度高、不受其他固有磁异常干扰等优点，对船体材质没有要求，但须避免电磁干扰。由于该段电缆须保持通电作业状态，因此采用无源探测法，在作业前提前获知本区域电缆为交流电，频率为50Hz。调整SCD-09设备频率至50Hz。设备采用船舷安装，将设备安装于船舷外右侧1m处，无需入水。
为了保证数据质量及测量效率，在测量时船舶速度保持在3～4kn。鉴于该设备感应的是电缆中的交变电磁场，管线和平台不会对其产生影响，实际完成的测线距平台相对较近，最小距离为50m。为保证定位准确，作业前将GPS安装于SCD-09正上方，在电缆出现异常信号时，于软件中提取其坐标位置。为了得到更精确的电缆平面位置坐标，采取往返测量。
⑴磁法探测
磁力梯度仪不仅可探测物体的固有磁异常，而且也可探测电磁异常。因此，磁力梯度仪G-882不仅探测到了电缆位置，而且同时也获得了路由区域内的管线位置，这为后期数据处理时与其他资料的对比提供了更多的选择。在项目中路由探测段未发现裸露电缆，无法对磁力梯度结果与地貌调查中的裸露电缆数据进行对比，因此采用浅地层剖面仪探测到的埋藏管线位置坐标校核磁力仪探测到的管线及电缆坐标。
数据处理方法主要分为以下两步：
①往返探测坐标修正。在探测结束后，首先对磁力梯度仪探测数据进行Layback改正、磁偏角改正、地磁日变改正等，得出电缆探测位置坐标，之后对往返测量结果计算的两次结果计算平均位置坐标，得到电缆、管线初步探测成果。
②多源数据校核。在修正往返探测坐标后，对磁法探测数据与浅地层剖面仪数据进行对比。对比发现磁力梯度仪探测成果呈现为一条折线，其原因为后拖曳模型偏移改正仍存在一定偏差。由于浅地层剖面仪为立杆式安装（GPS位于其正上方），而磁力仪为尾拖式测量，浅地层剖面仪的平面测量精度（±1.0m）优于磁力仪（±1.0～±5.0m），因此，可将磁力仪探测结果（管线和电缆）按照浅地层剖面仪所得的管线结果沿磁力探测测线方向进行联合偏移，近似认为偏移之后所得的电缆位置为实际电缆位置。基于此，结合浅地层剖面仪资料，经偏差分析后进行联合平移，最终得出更准确的电缆探测位置。
⑵电磁感应法探测
电缆探测仪SCD-09在测量过程中，基于设备原理，仅能采集到拥有电磁异常的电缆位置，无法探测管线位置，因此其探测结果无法与浅地层探测数据进行对比，仅能与地貌探测中的部分裸露电缆段位置进行对比。在面对本次调查中电缆无裸露或深水区域地貌探测精度降低等情况时，资料对比则更加困难。
由于电磁感应法探测仪采用船舷固定安装，与磁力梯度仪相比，其往返测量误差较小，对往返测量得到的两个电缆位置直接计算中值坐标，结合地貌侧扫中的裸露电缆位置，最终得到电缆位置探测结果。
为保证对比结果的可靠性，选取远离平台200m外的探测路由段对两种探测手段得到的电缆位置探测结果进行对比分析，结果如图3所示。
图3 SCD-09电缆探测仪与G-882磁力梯度仪电缆探测结果对比示例
经计算得到：电缆探测仪SCD-09与磁力梯度仪G-882电缆探测位置最大差值为9.0m，最小差值为1.84m，平均差值为4.38m。按照均方差公式，计算其均方差σ，可得σ为1.573m。结果表明：两种探测设备的探测结果互差值较小，符合性较好，均基本满足在海上施工的需要。由于在本次项目调查区域未进行海底电缆潜水探摸，无法对比实际电缆位置情况，希望以后的项目能有机会进行实际比对。
四、结论
对电缆探测仪SCD-09与磁力梯度仪G-882的数据采集、处理方式及调查结果进行对比，它们的优劣点总结如表1所示。
表1 SCD-09电缆探测仪与G-882磁力梯度仪的差异对比
相比较而言：SCD-09电缆探测仪在外业实施及内业数据处理方面更简便，在复杂区域（如平台等海上构筑物附近）将发挥独特优势，但其缺点为在测前需获取电缆通电信息并且可对比资料较少；而G-882磁力梯度仪无需提前获知电缆通电信息，可对比资料多，但其具有处理繁琐、存在相对较大的测量误差等缺点。在实例项目最终探测结果的对比上，两种手段获得的电缆位置相对差异较小，符合性较好，但由于在本次项目调查区域未进行海底电缆探摸，无法对比电缆实际位置情况，期望在以后的工作中能获得探摸资料以便进行全面对比分析。
总之，两种探测方式的优劣不能一概而论，比如G-882磁力探测仪可同时探测电缆、管线的情况，其可对比的其他探测资料选择多，理论上可在其他探测手段的辅助下获得较精确的探测结果，但在错综复杂的管缆区域，这反而变成极大的干扰，很难得到精确的电缆探测结果。因此，本文仅总结了两种探测方式的作业方法、数据处理方法和应用范围等方面的对比情况，在海底电缆平面位置探测中，还需针对不同的环境因素、电缆情况等采用不同的设备，确定不同的实施方案以达到高效、精准的作业目的。
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END
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【作者简介】文/崔志伟 孙辉，均来自天津水运工程勘察设计院；第一作者崔志伟，男，1986年出生，工程师，主要从事海底地形及海洋环境调查、管线电缆调查等工作；文章来自《中国海洋平台》（2019年第3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。
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