胡 朋,陳金忠,康小偉,史冠男,周漢權(quán),馬義來
(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院,北京 100029)
隨著我國(guó)對(duì)石油和天然氣能源的需求越來越大,被稱作“國(guó)家重大生命線” 的油氣管道的作用越來越突出[1]。近些年,油氣管道事故頻繁發(fā)生,管道的安全運(yùn)行也越來越受重視。
如今大數(shù)據(jù)管理的時(shí)代已經(jīng)到來,使大數(shù)據(jù)更有效地應(yīng)用于管道的完整性管理與安全評(píng)價(jià)中,成為目前油氣行業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)課題[2]。內(nèi)檢測(cè)是完整性管理及評(píng)價(jià)內(nèi)容的一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié),也是管道大數(shù)據(jù)的主要數(shù)據(jù)來源。近年來,國(guó)內(nèi)油氣管道逐步開展了內(nèi)檢測(cè),部分管道已經(jīng)進(jìn)行了兩輪甚至多輪內(nèi)檢測(cè),但是大量?jī)?nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的挖掘和使用卻相對(duì)滯后。兩輪及以上內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì),已成為方便數(shù)據(jù)挖掘且能夠有效利用的研究?jī)?nèi)容,其不但能夠評(píng)估檢測(cè)承包商的設(shè)備性能和檢測(cè)結(jié)果,而且能夠完善和修正被檢測(cè)管道的基礎(chǔ)信息,掌握缺陷的變化情況,預(yù)測(cè)管道的剩余壽命和評(píng)估管控措施的應(yīng)用效果等,對(duì)管道的科學(xué)管理和運(yùn)行維護(hù)具有重要的指導(dǎo)作用。
國(guó)外油氣管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的數(shù)據(jù)比對(duì)工作起步較早。一些國(guó)外管道運(yùn)行單位和檢測(cè)承包商已對(duì)多條實(shí)施兩輪及以上內(nèi)檢測(cè)的管道進(jìn)行了數(shù)據(jù)比對(duì)工作。
GU等[3]通過應(yīng)用回歸樹算法和比對(duì)分析軟件,研究了腐蝕缺陷的生長(zhǎng)模型和成因;NESSIM等[4]研究了以腐蝕增長(zhǎng)率為單一參數(shù),來表征腐蝕增長(zhǎng)和測(cè)量誤差關(guān)系的概率分布方法以及腐蝕速率計(jì)算方法;DESJARDINS等[5]對(duì)比了不同檢測(cè)承包商的檢測(cè)設(shè)備性能和檢測(cè)成果;KARIYAWASAM等[6]研究了腐蝕缺陷的增長(zhǎng)速率和模型,分析了影響檢測(cè)可靠性的因素;DANN等[7]研究了以內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)對(duì)齊來代替人工對(duì)齊的方法,用于標(biāo)識(shí)未能對(duì)齊的異常點(diǎn)和分析腐蝕增長(zhǎng)情況;CHOQUETTE等[8]研究了慣導(dǎo)檢測(cè)的管線坐標(biāo)和基礎(chǔ)坐標(biāo)的比對(duì),提出了獲取管線位移和彎曲應(yīng)變的方法。
國(guó)內(nèi)內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)的研究進(jìn)展相對(duì)滯后,自2015年后才有公開發(fā)表的內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)的文章。隨著國(guó)內(nèi)內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和廣泛應(yīng)用,我國(guó)內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)的研究近幾年發(fā)展迅速。國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)比對(duì)技術(shù)和比對(duì)軟件逐步得到應(yīng)用,并編制了數(shù)據(jù)比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。
王良軍等[9]提出應(yīng)以識(shí)別新增缺陷和原有缺陷的增長(zhǎng)率作為內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)的主要工作,從而提高數(shù)據(jù)的應(yīng)用;林現(xiàn)喜等[10]提出應(yīng)加大對(duì)內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的深度挖掘與應(yīng)用,并指出管道的比對(duì)數(shù)據(jù)是管道大數(shù)據(jù)中極其重要的組成部分;李睿等[11]研究了通過兩輪及多輪內(nèi)檢測(cè)的慣性測(cè)量單元(IMU)數(shù)據(jù)比對(duì)來計(jì)算管道位移的變化;姜曉紅等[12]給出了兩輪內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)方法,以及如何運(yùn)用數(shù)據(jù)比對(duì)成果查找和處理完整性評(píng)價(jià)中的不足;王丹丹等[13]研究了內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)在關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)齊后的處理方法,并進(jìn)行了案例應(yīng)用;在王良軍等編制的鋼管道及儲(chǔ)罐腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)第 5部分油氣管道腐蝕數(shù)據(jù)綜合分析標(biāo)準(zhǔn)中,規(guī)范了數(shù)據(jù)比對(duì)分析的流程與方法;孫浩等[14]分析了內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)在匹配關(guān)鍵點(diǎn)過程中可能存在的問題,總結(jié)了關(guān)鍵點(diǎn)比對(duì)的步驟和處理方法;季壽宏等[15]提出了內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)和缺陷比對(duì)及管道中心線位置變化等的計(jì)算方法;王波等[16]運(yùn)用軟件和人工相結(jié)合的方式進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì),開展了數(shù)據(jù)可靠度評(píng)估、腐蝕增長(zhǎng)評(píng)價(jià)等工作;楊賀等[17]針對(duì)管道多輪內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊算法展開研究,建立了提高數(shù)據(jù)比對(duì)效率的模型;陳翠翠[18]研究了通過漏磁內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì),能夠有效識(shí)別管道缺陷增長(zhǎng)的情況。
隨著我國(guó)內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的成熟,國(guó)內(nèi)外的技術(shù)差距也在逐漸縮小,國(guó)內(nèi)開展內(nèi)檢測(cè)業(yè)務(wù)的承包商也越來越多。國(guó)內(nèi)外內(nèi)檢測(cè)承包商主要開展了變形、金屬損失和IMU內(nèi)檢測(cè),并提供了檢測(cè)報(bào)告。
常規(guī)內(nèi)檢測(cè)報(bào)告信息表的主要內(nèi)容包括:特征名稱、特征類型、絕對(duì)里程、參考定位點(diǎn)、相對(duì)里程、前后焊縫編號(hào)、管節(jié)長(zhǎng)度,前后環(huán)焊縫的距離、長(zhǎng)度、寬度、鐘點(diǎn)方位、程度、表面位置、壁厚、ERF(預(yù)估維修比)、備注、坐標(biāo)信息等。雖然檢測(cè)商都有各自的數(shù)據(jù)格式、特征表述方式、報(bào)告及信息表格格式等,但是特征信息可以通過對(duì)照和整理進(jìn)行一一對(duì)應(yīng),然后采用人工對(duì)齊或軟件+人工對(duì)齊的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)。
內(nèi)檢測(cè)管道基礎(chǔ)特征包括焊縫(環(huán)焊縫、螺旋焊縫、直焊縫)、直管、彎頭或彎管、閥門、三通、法蘭、外接金屬物,以及檢測(cè)商設(shè)定的參考定位點(diǎn)等。其中環(huán)焊縫的內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠度較高,也是比對(duì)的首選對(duì)象。
國(guó)內(nèi)外內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)的研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明,環(huán)焊縫的成功對(duì)齊是整體數(shù)據(jù)比對(duì)的首要任務(wù),也為缺陷的比對(duì)打下了良好的基礎(chǔ)。在環(huán)焊縫對(duì)齊的過程中,管節(jié)長(zhǎng)度、彎頭或彎管、閥門、三通(含改線三通)、直焊縫或螺旋焊縫交點(diǎn)等其他基礎(chǔ)特征信息能夠輔助檢查和判斷環(huán)焊縫對(duì)齊的準(zhǔn)確性,以便及時(shí)修正直至完成全部基礎(chǔ)特征的比對(duì)。由環(huán)焊縫特征比對(duì)結(jié)果可得到以下結(jié)論。
(1) 由于里程輪打滑、數(shù)據(jù)丟失、改線或換管等原因,環(huán)焊縫的絕對(duì)里程和管節(jié)長(zhǎng)度等信息存在一定的差值。
(2) 環(huán)焊縫未能實(shí)現(xiàn)完全對(duì)齊的原因主要有收發(fā)球筒和閥門等附件附近環(huán)焊縫的標(biāo)注方式不同、改線或者換管、檢測(cè)數(shù)據(jù)丟失或者特征漏標(biāo)等。
(3) 由于檢測(cè)商對(duì)直焊縫或者螺旋焊縫與環(huán)焊縫的交點(diǎn)信息的定義方式不同,從而其鐘點(diǎn)方位不一致,不過可以通過相互校正調(diào)成一致。
(4) 由于檢測(cè)商設(shè)定的參考定位點(diǎn)不同,相對(duì)里程對(duì)環(huán)焊縫比對(duì)的參考意義不大。
內(nèi)檢測(cè)管道缺陷特征主要包括變形缺陷、金屬損失缺陷(腐蝕缺陷、機(jī)械劃傷或制造缺陷)和焊縫缺陷。依據(jù)缺陷的兩輪或多輪比對(duì)結(jié)果,能夠分析缺陷數(shù)量和程度的變化情況,從而評(píng)估其對(duì)管道危害的嚴(yán)重程度。
2.2.1 變形缺陷的比對(duì)
依據(jù)查閱公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料,筆者尚未發(fā)現(xiàn)變形缺陷被納入內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)的范疇,但是幾何變形檢測(cè)是油氣管道內(nèi)檢測(cè)中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié),且變形缺陷作為管道缺陷的一種常見形式,威脅著管道的安全運(yùn)行,甚至?xí)?dǎo)致管體失效,故很有必要對(duì)檢測(cè)兩次及以上的變形缺陷進(jìn)行比對(duì)。
變形缺陷主要包括凹陷、褶皺、屈曲等。在管道基礎(chǔ)特征對(duì)齊的基礎(chǔ)上,變形缺陷主要依據(jù)前后環(huán)焊縫的相對(duì)距離、鐘點(diǎn)方位等數(shù)據(jù)差別較小的特征來完成對(duì)齊。因?yàn)樽冃稳毕莸拈L(zhǎng)度、寬度和深度數(shù)值一般較大且其數(shù)量相對(duì)較少,所以實(shí)現(xiàn)比對(duì)較為容易。
針對(duì)對(duì)齊后變形增大的缺陷,可以參考腐蝕缺陷的全壽命增長(zhǎng)速率的計(jì)算方法來評(píng)估和預(yù)測(cè)變形缺陷的增長(zhǎng)速率和發(fā)展情況,計(jì)算方法如式(1)所示。
(1)
式中:RD為變形缺陷的增長(zhǎng)速率;r為管道外徑;D2為下一輪檢測(cè)的變形程度;D1為上一輪檢測(cè)的變形程度,若無,則為管道無變形;T2為下一輪檢測(cè)的年份;T1為上一輪檢測(cè)的年份。
由變形缺陷比對(duì)結(jié)果可得到以下結(jié)論。
(1) 變形缺陷數(shù)量或尺寸有差別是由變形檢測(cè)器的精度和置信度不同或作業(yè)環(huán)境不同導(dǎo)致的,整體對(duì)齊率較高。
(2) 能夠識(shí)別新增變形缺陷,通過計(jì)算增長(zhǎng)速率可以預(yù)測(cè)變形缺陷的發(fā)展情況,為制定修復(fù)計(jì)劃和下一輪檢測(cè)提供依據(jù)。
(3) 通過比對(duì)修復(fù)后的變形缺陷,尤其是去除約束后存在回彈或回圓的變形缺陷,能夠評(píng)估回彈后的變形情況和修復(fù)效果。
2.2.2 金屬損失缺陷的比對(duì)
金屬損失缺陷是影響管道安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵因素,主要包括腐蝕、機(jī)械劃傷、制造缺陷等。依據(jù)國(guó)內(nèi)外發(fā)表的文獻(xiàn)資料和工程經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)的工作主要是以金屬損失缺陷的增長(zhǎng)率及新增點(diǎn)為研究對(duì)象開展的。
在管道基礎(chǔ)特征對(duì)齊的基礎(chǔ)上,金屬損失缺陷主要根據(jù)前后環(huán)焊縫的相對(duì)距離、鐘點(diǎn)方位和表面位置等數(shù)據(jù)差別較小的特征來實(shí)現(xiàn)對(duì)齊。考慮到金屬損失缺陷的長(zhǎng)度、寬度和深度數(shù)值一般較小,其數(shù)量較多且有時(shí)分布較為密集,故不能把絕對(duì)里程、相對(duì)里程、深度、長(zhǎng)度及寬度等參數(shù)作為對(duì)齊的參考,加大對(duì)齊與比對(duì)的難度和工作量。
金屬損失缺陷對(duì)齊后的比對(duì)工作首先根據(jù)兩輪或者多輪檢測(cè)數(shù)據(jù)源的精度、置信度或已知缺陷數(shù)據(jù)的檢測(cè)誤差等來設(shè)置評(píng)定金屬損失缺陷變化的閾值,可將其分成活性缺陷(深度增加≥閾值)、非活性缺陷(深度增加<閾值)、新增缺陷(新增深度增加≥閾值)及其他缺陷4種類型。通過計(jì)算新增缺陷的增長(zhǎng)速率,可以評(píng)估管道腐蝕的剩余壽命,并制定合理的維護(hù)維修計(jì)劃和滿足管道完整性管理的需求。金屬損失增長(zhǎng)速率的計(jì)算方法如式(2)所示。
(2)
式中:RML為金屬損失的增長(zhǎng)速率;ΔMd為金屬損失深度在Δt時(shí)間內(nèi)的增量;WT為管道壁厚。
若采用全壽命法,則Δt為該次檢測(cè)日期與上一輪檢測(cè)日期的間隔;若采用半壽命法,則Δt為該次檢測(cè)日期與上一輪檢測(cè)日期間隔的一半。
管道腐蝕剩余壽命采用《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則 長(zhǎng)輸(油氣)管道》的方法進(jìn)行計(jì)算,具體方法如式(3)所示。
(3)
式中:RL為管道剩余壽命;C為校正系數(shù),C=0.85;GR為腐蝕速率;t為名義厚度;SM為安全裕量。
(4)
由金屬損失缺陷的比對(duì)結(jié)果可得到以下結(jié)論。
(1) 金屬損失缺陷數(shù)量或者部分缺陷長(zhǎng)度、寬度和深度數(shù)據(jù)相差較大,這是由于檢測(cè)器精度和置信度不同或作業(yè)環(huán)境不同,但是大部分缺陷都能夠?qū)崿F(xiàn)比對(duì)。
(2) 其他類型的缺陷是指最近一次內(nèi)檢測(cè)誤檢或者漏檢的缺陷。
(3) 通過比對(duì)修復(fù)后的金屬損失缺陷,能夠評(píng)估缺陷的修復(fù)效果,為后期的缺陷修復(fù)提供一定的指導(dǎo)。
2.2.3 焊縫缺陷的比對(duì)
近年來,國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了多起管道焊縫失效引起的事故,危害重大。焊縫缺陷是油氣管道的主要失效形式之一,已經(jīng)成為各大管道運(yùn)營(yíng)公司重點(diǎn)關(guān)注的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。
焊縫缺陷主要包括環(huán)焊縫缺陷、螺旋焊縫缺陷和直焊縫缺陷。盡管在缺陷識(shí)別和尺寸量化方面精度相對(duì)不高,但是管道內(nèi)檢測(cè)仍是埋地管道焊縫缺陷特征數(shù)據(jù)最主要的來源,也是管道運(yùn)行公司焊縫缺陷排查和管理的主要依據(jù)。目前,國(guó)內(nèi)外管道內(nèi)檢測(cè)公司正致力于攻關(guān)焊縫缺陷的內(nèi)檢測(cè)技術(shù),提高檢測(cè)精度[19]。
在管道基礎(chǔ)特征對(duì)齊的基礎(chǔ)上,焊縫缺陷可依據(jù)鐘點(diǎn)方位,表面位置等數(shù)據(jù)相差較小的特征來實(shí)現(xiàn)對(duì)齊。由于內(nèi)檢測(cè)能力的局限性,焊縫缺陷長(zhǎng)度、寬度和程度等數(shù)據(jù)誤差相對(duì)較大,所以焊縫缺陷的比對(duì)相對(duì)較為困難,尤其是不同檢測(cè)商的焊縫缺陷比對(duì)。
鑒于國(guó)內(nèi)目前尚無基于內(nèi)檢測(cè)方法的焊縫異常分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),中油管道檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司、中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院等根據(jù)管道運(yùn)行公司的需求,參照各自管體金屬損失評(píng)價(jià)方法,將焊縫異常分級(jí)為輕度、中度和重度,以作為焊縫缺陷的增長(zhǎng)速率和剩余壽命預(yù)測(cè)的計(jì)算和評(píng)價(jià)方法。由焊縫缺陷的比對(duì)結(jié)果可得到以下結(jié)論。
(1) 可以估算焊縫缺陷的生長(zhǎng)發(fā)展情況,分析焊縫缺陷產(chǎn)生的原因。
(2) 焊縫缺陷大多是在施工制造階段產(chǎn)生的,非活性缺陷較多。
(3) 建議管道運(yùn)行公司根據(jù)焊縫缺陷的程度進(jìn)行底片復(fù)評(píng)或選擇性開挖,并采用有效的無損檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)。
管道內(nèi)檢測(cè)器上加載IMU已成為國(guó)內(nèi)外油氣長(zhǎng)輸管道常用的測(cè)繪方法,將IMU數(shù)據(jù)與變形、漏磁、超聲等內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)匹配,可以獲取管道的全部特征和中心線的精確坐標(biāo)。管道基礎(chǔ)特征和缺陷特征的對(duì)齊,意味著坐標(biāo)數(shù)據(jù)也完成了對(duì)齊。由IMU內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)結(jié)果可得到以下結(jié)論。
(1) 通過相互驗(yàn)證不同檢測(cè)商的管道特征和中心線的坐標(biāo)精度,結(jié)合更多的管道精確坐標(biāo)數(shù)據(jù)源(修正點(diǎn))對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行修正,可以獲取更高精度的管線坐標(biāo)。
(2) 作為管道特征的新型定位手段,管道缺陷和基礎(chǔ)特征坐標(biāo)精度的提高,極大滿足了快速精確定位管道特征(比如焊縫、缺陷等)的需求,不但大大降低了開挖工作量和費(fèi)用,還有助于維修方案的制定和保證維修維護(hù)的及時(shí)性。
(3) 依據(jù)兩輪及多輪的IMU內(nèi)檢測(cè)中心線測(cè)繪數(shù)據(jù),能夠計(jì)算出管道全線的應(yīng)變和位移變化,從而識(shí)別位移變化較大或較快的缺陷或其他特征點(diǎn),便于管道缺陷的維修和維護(hù),同時(shí)有助于監(jiān)測(cè)和預(yù)警可能引起高風(fēng)險(xiǎn)和高后果區(qū)的管道位置。
(4) 內(nèi)檢測(cè)與IMU結(jié)合獲得的管線坐標(biāo)精度受IMU自身的精度、參考修正點(diǎn)的坐標(biāo)精度和數(shù)據(jù)結(jié)算及整合技術(shù)能力等的影響,這也是導(dǎo)致坐標(biāo)數(shù)據(jù)比對(duì)出現(xiàn)問題的原因。
管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)是目前各大管道公司檢測(cè)管道狀況和位置信息及支撐完整性管理的首選手段。在發(fā)展管道系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的道路上,如何應(yīng)用和管理管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)來保障管道的安全運(yùn)行是目前一項(xiàng)緊要的任務(wù)。筆者在管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)方面提出以下建議。
(1) 內(nèi)檢測(cè)和管道運(yùn)行公司等應(yīng)加大對(duì)內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)深度挖掘和綜合利用方面的研究,尤其是在多輪內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)方面,應(yīng)建立管道系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺(tái)和綜合分析機(jī)制。
(2) 管道運(yùn)營(yíng)公司在進(jìn)行下一輪內(nèi)檢測(cè)時(shí),應(yīng)明確檢測(cè)的起點(diǎn)和終點(diǎn)、參考定位點(diǎn)、統(tǒng)一的內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)列表等,這樣有利于后續(xù)內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)工作的開展。
(3) 國(guó)內(nèi)尚未有成熟應(yīng)用的管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)分析系統(tǒng)。只有少數(shù)單位開發(fā)了內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)分析軟件,但應(yīng)用效果有待驗(yàn)證。建議對(duì)內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)分析系統(tǒng)進(jìn)行深入研究,逐步實(shí)現(xiàn)手動(dòng)對(duì)齊到自動(dòng)對(duì)齊+手動(dòng)修正再到完全自動(dòng)對(duì)齊,以及多輪內(nèi)檢測(cè)海量數(shù)據(jù)比對(duì)的智能分析。
(4) 內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)方面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范很少,建議盡快制定有針對(duì)性的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,為內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)提供明確的指導(dǎo)。