構(gòu)建新一代油氣管道智能完整性管理系統(tǒng)

崔萬(wàn)祥 歐曙輝 劉嚴(yán)強(qiáng)

（1. 浙江省能源集團(tuán)城市燃?xì)庥邢薰荆憬?杭州 310016；2. 浙江鈺烯腐蝕控制股份有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，油氣管道已成為我國(guó)必不可少的能源大動(dòng)脈。截至2015年，我國(guó)油氣長(zhǎng)輸管線總里程10.87萬(wàn)公里，按照“十三五”規(guī)劃，至2020年年底，我國(guó)油氣長(zhǎng)輸管道里程數(shù)將達(dá)到16.9萬(wàn)公里。燃?xì)夤艿缹⒏采w東部地區(qū)大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)。這些管道系統(tǒng)在運(yùn)行中面臨多重威脅，外來(lái)破壞、腐蝕、地質(zhì)災(zāi)害都可能對(duì)管道系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。同時(shí)，由于油氣管道上的缺陷不可避免，且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，逐步惡化；人類活動(dòng)和自然環(huán)境變化都會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生影響。油氣管道破壞會(huì)造成泄漏、燃燒、爆炸、環(huán)境污染等嚴(yán)重后果。因此，必須采用適宜的技術(shù)手段和管理措施，保障管道的安全性，延長(zhǎng)管道的使用壽命。

管道完整性管理的概念就是在這種需求下產(chǎn)生的，其通過(guò)對(duì)油氣管道運(yùn)行中面臨的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別和評(píng)價(jià)，通過(guò)監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、檢驗(yàn)等各種方式，獲取管道完整性的信息，并制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策，不斷改善有害因素，從而將管道運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)水平控制在合理的、可接受的范圍內(nèi)，并最終達(dá)到持續(xù)改進(jìn)、減少和預(yù)防管道事故發(fā)生、經(jīng)濟(jì)合理地保證管道安全運(yùn)行的目的。

美國(guó)國(guó)會(huì)于2002年11月通過(guò)了專門的H.R.3 609號(hào)法案，該法案要求管道運(yùn)營(yíng)商在高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)實(shí)施管道完整性管理計(jì)劃。管道完整性管理正式以法律形式確定和提出，世界各國(guó)管道公司紛紛開始采用完整性管理模式進(jìn)行運(yùn)行管理。世界各國(guó)主要的管道公司都在近些年采用了這一管理理念，實(shí)施的管道的完整性管理。如美國(guó)Willams Gas、英國(guó)TRANSCO、加拿大TRANSCANADA等著名管道公司都率先實(shí)施了管道完整性管理，并建立了專門的完整性管理機(jī)構(gòu)。我國(guó)也在2015年發(fā)布了《GB32167油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》，并于2016年3月1日正式實(shí)施，管道企業(yè)實(shí)施管道完整性管理在我國(guó)正式進(jìn)入一個(gè)新階段。國(guó)內(nèi)中石油管道公司、中石化、中海油有關(guān)管道部門都已經(jīng)開始實(shí)施管道完整性管理工作。

1 管道完整性管理

管道完整性管理包括：數(shù)據(jù)收集、高后果區(qū)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、完整性評(píng)價(jià)、維修與維護(hù)、效能評(píng)價(jià)六個(gè)環(huán)節(jié)（如圖1所示）[1]。管道企業(yè)要保證管道完整性管理的有效實(shí)施，需要進(jìn)行完整性管理體系建設(shè)，這是實(shí)施完整性管理的基礎(chǔ)，管道完整性體系建設(shè)就是對(duì)涉及管道完整性管理的信息、技術(shù)、工作流程、組織機(jī)構(gòu)及文件體系等要素進(jìn)行集成，將其轉(zhuǎn)化為管理要素和經(jīng)濟(jì)要素，經(jīng)濟(jì)合理地保障管道安全可靠運(yùn)行，是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。

管道完整性數(shù)據(jù)的及時(shí)收集和處理，是實(shí)施管道完整性管理的基礎(chǔ)。收集的數(shù)據(jù)應(yīng)屬于管道完整性管理相關(guān)，并充分滿足高后果區(qū)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、完整性評(píng)價(jià)、管道修復(fù)等管理環(huán)節(jié)對(duì)數(shù)據(jù)的要求，其涉及多個(gè)專業(yè)的繁雜數(shù)據(jù)，應(yīng)具有統(tǒng)一的存儲(chǔ)邏輯，并形成管道完整性數(shù)據(jù)庫(kù)，滿足后續(xù)數(shù)據(jù)處理分析的需要。形成有效的管道完整性數(shù)據(jù)收集機(jī)制，對(duì)于保證有效的管道完整性管理是至關(guān)重要的。

圖1 管道完整性評(píng)價(jià)流程

高后果區(qū)是指如果管道發(fā)生泄漏或斷裂等事故，會(huì)對(duì)公眾安全、財(cái)產(chǎn)、環(huán)境、社會(huì)等造巨大損失的區(qū)域。依據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，收集管道沿線風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)屬性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，識(shí)別管道沿線的高后果區(qū)（HCA）。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是依據(jù)管道屬性數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)、相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)，并依據(jù)HCA高后果區(qū)數(shù)據(jù)，對(duì)管道的破壞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)。以確定管道沿線各區(qū)段的風(fēng)險(xiǎn)值，并加以排序。定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)需要較好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在數(shù)據(jù)質(zhì)量差時(shí)可采用定型或半定量的方式。

完整性評(píng)價(jià)，是采用各種檢測(cè)、監(jiān)測(cè)手段對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)，已確定存在的影響管道完整性的風(fēng)險(xiǎn)因素，如管體缺陷、腐蝕、變形、應(yīng)力集中等。對(duì)埋地油氣管道可采用內(nèi)檢測(cè)、外檢測(cè)直接評(píng)價(jià)、試壓等方式。由于各種現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)均有局限性，因此應(yīng)根據(jù)管道實(shí)際情況選擇適宜的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)方法，以準(zhǔn)確全面獲得管道完整性相關(guān)信息。

維護(hù)與維修是利用完整性檢測(cè)獲得的信息和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，按照風(fēng)險(xiǎn)排序，采用適宜手段，如：換管、打磨、堆焊、套筒修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)、防腐層大修等手段，通過(guò)修復(fù)管道完整性相關(guān)缺陷，實(shí)現(xiàn)管道風(fēng)險(xiǎn)的降低。

效能評(píng)價(jià)是針對(duì)管道完整性管理系統(tǒng)本身進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)其有效性，發(fā)現(xiàn)不足并加以改進(jìn)。

經(jīng)過(guò)多年的推廣發(fā)展，管道完整性管理已經(jīng)成為我國(guó)主要管道企業(yè)的管理規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，但是，由于各企業(yè)重視程度不同，加之管道完整性管理本身也還存在諸多與管道企業(yè)的適應(yīng)問(wèn)題，如數(shù)據(jù)采集困難、管道數(shù)字化程度不足等都影響了管道完整性實(shí)施的有效性，這些都需要充分利用現(xiàn)代技術(shù)和管理手段加以改進(jìn)，以保證其有效實(shí)施。

2 物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)

隨著近些年信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，新一代的信息技術(shù)噴薄而出，如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)，這些技術(shù)已經(jīng)開始深刻地改變工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活。

物聯(lián)網(wǎng)的英文名稱為“The Internet of Things” ,簡(jiǎn)稱：IOT。由該名稱可見，物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。其有兩層含義：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上的延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)；第二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。因此，物聯(lián)網(wǎng)的定義是通過(guò)物體傳感器和通信協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換、通信和控制，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于油氣管道系統(tǒng)而言，物聯(lián)網(wǎng)則是通過(guò)各種工業(yè)傳感器對(duì)管道沿線設(shè)備和環(huán)境進(jìn)行測(cè)量、感知，并獲取數(shù)據(jù)?，F(xiàn)代傳感器技術(shù)進(jìn)步巨大，已出現(xiàn)多種可用于油氣管道監(jiān)測(cè)的傳感器，如在線的管道位移、變形監(jiān)測(cè)設(shè)備可監(jiān)測(cè)管道由于滑坡、地震、塌方等造成的管道位移、變形，敷設(shè)在管道沿線的通信光纜，還可用于監(jiān)測(cè)管道沿線可能的開挖、打孔盜油等。

大數(shù)據(jù)技術(shù)是隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、智能化硬件設(shè)備的普及而產(chǎn)生的，工業(yè)和社會(huì)活動(dòng)產(chǎn)生的新信息數(shù)據(jù)已達(dá)海量級(jí)別，如此數(shù)量的數(shù)據(jù)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方式無(wú)法滿足實(shí)際需求，也無(wú)法發(fā)掘其價(jià)值。大數(shù)據(jù)技術(shù)即針對(duì)這些海量數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)，目的即為充分挖掘海量數(shù)據(jù)的價(jià)值，更好的服務(wù)于社會(huì)。對(duì)于管道系統(tǒng)，大量管道、環(huán)境監(jiān)測(cè)工業(yè)傳感器和管理活動(dòng)，都產(chǎn)生數(shù)據(jù)，如何有效整合、分析這些數(shù)據(jù)，進(jìn)而充分發(fā)掘其價(jià)值，對(duì)于提高管道完整性管理的效率和水平有現(xiàn)實(shí)意義。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)示意圖

人工智能技術(shù)在近些年獲得了快速發(fā)展，人工智能圍棋選手已經(jīng)擊敗人類頂尖選手?，F(xiàn)代人工智能以深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為特征，可對(duì)多因素、非線性關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。針對(duì)影響管道完整性的因素，利用收集數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以在管道完整性有關(guān)決策環(huán)節(jié)，利用人工智能技術(shù)進(jìn)行處理進(jìn)而減少人為干預(yù)，可大大提高管道完整性管理系統(tǒng)的效率。

3 構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能的新一代管道完整性管理系統(tǒng)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，可用于獲取管道完整性狀態(tài)信息的傳感器種類增多，使得管道完整性狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為可能?？衫玫尼槍?duì)管道完整性監(jiān)測(cè)技術(shù)如表1所示，現(xiàn)有的傳感器可覆蓋管道完整性管理的大部分需求，可用于監(jiān)測(cè)管道的完整性相關(guān)狀態(tài)，如外部干擾（第三方破壞、打孔盜油可利用光纖傳感器、管道壓力波傳感器）、腐蝕（陰極保護(hù)電位監(jiān)測(cè)、關(guān)鍵部位無(wú)損監(jiān)測(cè)、腐蝕監(jiān)測(cè)）、地質(zhì)災(zāi)害（管道位移監(jiān)測(cè)、管道變形監(jiān)測(cè)）、誤操作可由自動(dòng)控制系統(tǒng)邏輯加以控制。對(duì)于無(wú)法利用在線監(jiān)測(cè)獲取的信息則可以通過(guò)管道檢測(cè)手段得到，管道內(nèi)檢測(cè)、試壓可獲得有關(guān)管道本體制造、材料缺陷以及外來(lái)?yè)p傷造成的管體缺陷，試壓可以獲得有關(guān)影響管道承壓能力的一定程度的缺陷，外檢測(cè)直接評(píng)價(jià)可獲得有關(guān)管道防腐層劣化信息、陰極保護(hù)有效性以及存在的活性腐蝕信息（如表2所示）。

表1 管道完整性監(jiān)測(cè)技術(shù)

表2 管道完整性檢測(cè)技術(shù)

國(guó)內(nèi)新一代的全智能化新型陰極保護(hù)系統(tǒng)，包括全智能數(shù)字化恒電位儀、智能測(cè)試樁、特種柔性陽(yáng)極地床。與現(xiàn)有的床頭陰極保護(hù)系統(tǒng)相比，具有全智能、可靠性高、兼容性好、施工簡(jiǎn)便、壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。還可作為管道沿線的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)，可兼容接駁其他傳感器（為傳感器供電和提供通信通道），可作為管道沿線傳感器的通信節(jié)點(diǎn)，滿足管道沿線的傳感器安裝要求。

利用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，收集處理大量的管道系統(tǒng)完整性信息，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)處理數(shù)據(jù)，并利用人工智能技術(shù)處理相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、效能評(píng)價(jià)、維護(hù)維修相關(guān)決策環(huán)節(jié)，可大幅度提高管道完整性管理系統(tǒng)的效率。

4 結(jié)論與建議

隨著技術(shù)的進(jìn)步，可用于獲取管道完整性狀態(tài)信息的傳感器種類增多，使得管道完整性狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為可能。現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速進(jìn)步使得管道完整性監(jiān)測(cè)越來(lái)越完善，可大幅度提高管道完整性監(jiān)測(cè)的時(shí)效性。大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，使得建設(shè)真正意義上具備自我感知、自我威脅處理決策的智能數(shù)字管道成為可能。對(duì)于管道企業(yè)而言，建立適應(yīng)于管道完整性管理的管理和責(zé)任體系，在此基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，可構(gòu)建出新一代高效、智能的管道完整性管理信息系統(tǒng)，進(jìn)而有效保障管網(wǎng)的安全高效運(yùn)行。