0 引 言

海底管线是海洋油气外输的生命线，在恶劣的海洋环境中其结构完整性受到严峻挑战^[1]。其中，悬跨管段在波浪、洋流^[2]和内部载荷^[3]作用下的复杂动静态响应是海底管线失效的重要因素。特别是涡激振动(VIV)^[4]产生的交变应力载荷，也将导致悬跨管线疲劳失效。悬跨监测是分析海底管线稳定性、评估其疲劳寿命的前提和基础，是降低失效风险、预防事故发生和确保安全服役的最佳选择。

我国在役海底管线已超过6 000 km。随着深水油气开发相关的国家科技重大专项的相继出台以及海洋强国战略的提出，以“HYSY981”钻井平台南海开钻为标志，我国迈进深水油气钻探开发的新纪元。因此更多的海底管线将投入使用，无论是在役管线，还是即将服役的管线都面临悬跨疲劳失效的风险。另外，我国海域处于太平洋板块和亚欧板块交接的地震带上，台风等灾害天气频繁，导致海底管线的疲劳损伤远高于其他海域。上述情形凸显悬跨监测技术对我国海洋石油的重要性和急迫性。

笔者针对浅水区域的海底管道悬跨监测问题，深入调研国外悬跨监测技术，该技术包含疲劳参数种类选择、疲劳参数传输方法以及疲劳参数处理方法等。随后指出现有技术面临的挑战，旨在促进我国悬跨监测技术的发展，为海底管线的安全生产提供技术保障。

悬跨是海底管线因波浪和潮流力的往复交互作用、海床凹陷、海底地震以及铺管时海底障碍物影响等产生的悬空管段。洋流流经悬跨时，漩涡脱落导致的涡激振动是悬跨疲劳失效的致命因素。同时，由于悬跨所在海床地质构造的复杂性，在悬跨形成和发育等过程中，悬跨长度不断变化，使得VIV响应极其复杂，进而增加了悬跨监测和疲劳寿命评估的难度。

悬跨监测原理如图 1所示。为了达到评估悬跨疲劳寿命之目的，悬跨监测必须克服海洋水体带来的重大挑战，将部署在悬跨管段的每个测点所采集的疲劳参数数据传输至监控中心。上述过程需要解决的问题依次为：①疲劳参数采集。该步骤解决的问题是采集何种参数、如何采集方能完全满足海底管线的疲劳寿命评估要求。②数据传输。监测设备所采集的大量数据如何高效传输至海面监控中心。③数据处理。悬跨的疲劳寿命隐含在所接收的各种原始数据内。必须选择科学的方法对原始数据进行处理，才能获取表征疲劳寿命的参数。

图 1 悬跨监测示意图 Fig.1 Schematic of monitoring of the free spanning pipeline

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洋流是悬跨动态响应的根源所在^[5]。无论分析悬跨动态响应，还是疲劳寿命评估，悬跨所处的海洋均匀流速都是不可或缺的参数。但是，悬跨周围的洋流分布极其复杂，既有尾流区的紊流，又存在海床粗糙度导致的非均匀流。因此，海洋流速监测必须注意以下问题。

不考虑流场分层，悬跨周围洋流分布如图 2所示^[6]。在尾流区可能因漩涡脱落而存在紊流v_r(y)，待测洋流为迎流区流速v_c。

图 2 尾流区流速 Fig.2 Velocity distribution of the wake flow zone

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悬跨分析所需的洋流参数为v_c。因此，监测洋流时，必须使监测设备避开尾流区。

复杂的海底粗糙度和海流相互耦合形成海底非均匀流^[7]。监测海底管线周围的洋流，无论何种流速仪，测点都不能低于流场等值线，以消除非均匀流导致的误差。海底水平洋流等值线示意图如图 3所示。

图 3 海底水平洋流等值线示意图 Fig.3 Schematic of the submarine horizontal currents isoline

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最常用的海洋流速测量方法是采用基于多普勒原理的超声流速仪，即ADCP。监测流速时，必须尽可能减小测量误差。现有的流速测量仪基本上不考虑运动导致的误差。多普勒测流原理^[8]为：

当流速测量仪安装在悬跨管段时，v_t便成为无法避免的因素而导致测量误差。

此类参数包含振动加速度、位移和倾角等。对应的测量设备分别是3轴加速度传感器、压力传感器和倾角传感器^[9]。

VIV的振动频率一般低于10 Hz，因此对各种传感器的频响特性、量程和噪声水平等都具有较高的要求。为确保振动模态无丢失，采样频率需满足Nyquist采样定理。采样窗口长度一般在10~30 min，每3~4 h采集1次。工作时间满足管线服役跨度，一般在2~6个月或者更长。

该类参数监测的优点是数据采集便于实现，缺点是数据需要繁琐的处理才能达到疲劳评估的目的。

该类参数是悬跨管段的动态应变。应变类参数的监测主要用FBG光纤应变传感器实现^[10]。与运动类参数相比，应变类参数的监测无需复杂的算法即可获得疲劳寿命评估。但是，该类监测设备可靠性较低，监测代价高昂。此外，悬跨产生和发育过程中管段与土壤的交互作用及与海床的碰撞使得光纤应变传感器不仅产生较大的测量误差，还极易损坏。上述特点极大地限制了光纤应变传感器在悬跨监测方面的应用。

机械传输法，即各测点的监测设备由ROV卸载取回，再用数据线与监控中心联机进行数据读取。图 4是悬跨数据机械传输法实例，其为Plus的海底管线动态监测系统^[11]，用于监测悬跨管段的疲劳损伤。该方法的缺点是数据读取严重滞后，无法及时对悬跨稳定性及疲劳寿命进行评估和预测。

图 4 机械传输示意图 Fig.4 Schematic of mechanical transmission

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线缆传输法，即各测点所采集的数据经电缆传输^[12]至监控中心。图 5是线缆传输法的应用实例，其为Tahiti 海底管线和SCR隔水管的监测系统^[13]。该方法的优点是各测点数据可以实时传输，且无需担心设备供电问题。但是，该方法费用高昂，安全性和冗余度极低，一旦某个位置出现故障，整个系统将陷入瘫痪状态。此外，在深水中，大规模线缆铺设面临多重困难。

图 5 线缆传输示意图 Fig.5 Schematic of cable transmission

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水声传输法，即各测点数据通过水声通信进行无线传输。图 6是水声传输实例，其为挪威Ormen Lange油气田的水深在800~1 000 m的海底管线双悬跨监测系统^[14]，用于长期采集数据和监测极端事件。该监测系统为一个水声网络，由10个从节点和1个主节点构成。从节点等距均匀部署在管线的2个悬跨区域。每个节点采集所在位置的振动数据。主节点位于管线一侧的海床之上，通过水声无线链路控制从节点以实现时间同步并监测海洋流速。此外，数据向母船的传输通过水声通信实现，但其数据的传输要待母船到其上方后才执行。

图 6 水声传输示意图 Fig.6 Schematic of acoustic transmission

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由于采用电池供电，各节点的寿命有限，从而需要用ROV更换电池。另外，水声信道带宽窄，当测点数量规模较大时，存在信道竞争问题。

RF传输，即测点的数据通过电磁波传输。该方法中，各测点的传输模块位于海面的浮标之上，通过导线与部署于管壁的相应测点相连^[15]，如图 7所示。

图 7 无线电传输示意图 Fig.7 Schematic of radio transmission

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与水声传输相比，RF传输具有能耗低、带宽高以及误码率(BER)低等优点。若在浮标部署太阳能电池给通信模块和传感器供电，该方法还可减少更换电池的作业。但是，该方法亦存在3个缺陷：①浮标和导线容易被过往船只等破坏；②浮标暴露了海底管线的位置，成为蓄意破坏者的路标，反而使海底管线面临更严重的安全威胁；③用导线连接海底管线和浮标在深水海域是不可行的方案。另外，在深水区导线长度大幅增加，亦增大了其被洋流等破坏的概率。

混合传输^[16]包含2种方式：①所有节点用线缆连接，同时又配有水声通信模块，如图 8所示。正常情况下，各节点参数用线缆传输。若线缆出现故障，则启动水声通信模块连接中断的链路。②所有节点用线缆连接，若干稀疏分布的节点再配备RF浮标模块。当线缆因故障失效时，故障点两边的RF模块将启动，连接中断的线缆通信链路。

图 8 混合传输示意图 Fig.8 Schematic of hybrid transmission

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各种参数传输方法的使用必须考虑其效用。机械传输、线缆传输(RF传输需要大量线缆，而水下线缆的费用远远高于RF模块，故将其归为线缆传输)和水声传输的费用和时效性对比如图 9所示。由图可知，水声传输的效用最高。综合考虑可行性、适用范围及效用等因素，水声传输代表了海底管线悬跨监测的方向。随着水声通信和水声网络技术的发展，水声信道带宽窄等不利因素将逐步被克服。

图 9 各种传输方法的效用对比 Fig.9 The performance of each transmission method

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流速仪监测的海洋均匀流主要用于VIV分析。VIV分析一般采用约化速度，其与均匀流满足^[7]：

另外一个影响VIV振幅的是湍流强度I_c，其与海洋流速的函数关系为^[17]：

加速度数据处理包含预处理和频谱分析预处理，是指对数据进行降噪等处理；频谱分析是指进行振动频率提取，分析管道的涡激振动特性。

重力加速度作为噪声混在管道振动的加速度中，所以VIV加速度数据需要首先进行噪声去处。

频谱分析方面，FFT是经典的频率分析工具，但是数据长度和采样频率的矛盾使得其分辨率有限，制约了在VIV分析中的应用。B.M.Gravier 等将HHT (Hilbert-Huang Transform)^[18]用于VIV响应模态分解研究中，分析每个响应模态随时间的分布。C.Huang^[19]将WMSOBI(Wavelet Modified Second Order Blind Identification)用于分析VIV响应模态，并提出复合WMSOBI用于行波振动响应分析和疲劳损伤位置的盲识别。

针对悬跨的VIV疲劳损伤，C.Bao等研究了ARMA(Autoregressive Moving Average)模型^[20]，提出基于马氏距离的自回归参数作为疲劳损伤指数用于破坏识别和定位，并进一步研究了HHT^[21]在海底管线振动疲劳损伤监测中的应用。此外，小波包分析也可用于诊断悬跨的振动疲劳损伤问题^[22]。

应变数据的处理主要是将应变转换为应力，然后利用Miner法则和S-N曲线计算疲劳损伤^[23]。

面对恶劣的海洋环境，数据传输是悬跨监测最具挑战性的环节。在此仅讨论代表数据传输发展方向的水声传输方法面临的挑战。各种具体因素如下。

与电磁波不同，水中声波存在空时变换特性，水声信道的大时延、可用带宽窄、大衰减、多径及高误码率等严重影响其通信质量^{[24, 25, 26]}。

首先，海底山脉等使得水声通信存在声影区。其次，在水深小于200 m的浅水区，海底斜坡导致声波的水平折射效应，即楔形问题^[27]。楔形问题包含上坡传播和下坡传播，严重影响水声通信性能。

多测点与目的节点(监控中心)的通信涉及水声信道接入的MAC协议^{[28, 29]}。测点数量增加或测点与目的节点的距离增加使得TDMA和FDMA等适用于水声网络的MAC协议性能降低乃至失效。

测点自身由电池供电，是能量受限系统。水声信道的高衰减特性和不合理的MAC协议等都将增加能量消耗，缩短测点寿命。增大电池容量有助于缓解上述不利局面。但是电池容量增加势必导致测点体积和质量增加，这不仅给海底管线增加外部载荷，也导致设备安装难度增加。此外，海水腐蚀和生物侵蚀等亦将危及测点的可靠性。

此外，另一个较大的挑战是现有悬跨监测理念存在缺陷。悬跨监测属于被动监测，即悬跨被发现后再进行监测。悬跨一般由蛙人、舰载侧扫声纳或ROV等定期检查时被发现，而悬跨的产生无论是时间还是地点都是随机的。悬跨发现与悬跨产生之间的时间不一致性，使得悬跨监测面临错失最佳时机的风险。

悬跨监测是确保海底管线完整性的重要手段。笔者系统分析了国外的监测技术。悬跨监测包含参数选择、参数数据传输和数据分析3个关键技术，其中数据传输是最具挑战性的环节。以水声通信网络为数据传输载体的监测技术代表了悬跨监测的发展方向，同时，其面临水声信道、海底地形、网络协议和测点自身等方面的挑战。在我国的悬跨监测工作中，不仅应解决水声通信和水声网络问题，还需转变国外的监测理念。