信息化技術(shù)在天然氣管道高后果區(qū)管理的應(yīng)用

延旭博

(河北省天然氣有限責(zé)任公司,河北 石家莊 050000)

長輸天然氣管道具有壓力等級高、途徑地區(qū)復(fù)雜、輸氣任務(wù)重要等特點(diǎn),一旦發(fā)生事故其影響范圍和經(jīng)濟(jì)、人員損失都較為嚴(yán)重[1]。高后果區(qū)、高風(fēng)險區(qū)域管道安全管理是預(yù)防和防范管道安全事故的重要區(qū)域。在管道高后果區(qū)的管理實踐中,要定期對管道的內(nèi)、外部風(fēng)險進(jìn)行識別、判斷,同時通過各類技術(shù)手段的應(yīng)用,實現(xiàn)管道安全管理模式從“被動應(yīng)對”轉(zhuǎn)向“事前預(yù)防”,最大限度的控制風(fēng)險、防范事故發(fā)生,保證管道的安全運(yùn)行。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,其在油氣儲運(yùn)領(lǐng)域已逐步開始應(yīng)用。特別是AI識別、GIS、4G/5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、邊緣計算、大數(shù)據(jù)、光纖預(yù)警等技術(shù)的成熟,很多企業(yè)也開展了應(yīng)用的探索。本文淺要地介紹了新一代信息技術(shù)在天然氣管道高后果區(qū)管理的應(yīng)用,同時介紹了現(xiàn)場應(yīng)用中的一些問題和對策。

1 高后果區(qū)的定義和特點(diǎn)

1.1 高后果區(qū)的定義

高后果區(qū)的概念由《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》(GB32167―2015)提出,其中對高后果區(qū)的定義是指管道泄漏后可能對公眾和環(huán)境造成較大不良影響的區(qū)域。該規(guī)范還明確了高后果區(qū)的判斷方法、分級、識別周期等管理的基本要求。

1.2 高后果區(qū)的特點(diǎn)

階段性變化是高后果區(qū)的主要特征之一。隨著管道周邊人口和環(huán)境的變化,高后果區(qū)的位置和范圍也會隨之改變。

如某管道A途徑市區(qū)段有大量的違章建筑,為汽車配件市場,人員密集,經(jīng)識別為Ⅲ級高后果區(qū)。近期政府大力進(jìn)行違建的拆除工作,拆除了管道周邊的違建和臨時建筑,經(jīng)過再次識別,其風(fēng)險等級降至Ⅰ級。而管道B途徑某經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū),在開發(fā)區(qū)剛成立時管道周邊幾乎全部為農(nóng)田,不屬于高后果區(qū),近年來隨著規(guī)劃的落實和企業(yè)入住,其周邊建筑、企業(yè)不斷增加,風(fēng)險等級不斷增加,為此,企業(yè)對該段管道進(jìn)行遷改以避免高風(fēng)險區(qū)的形成。

1.3 高后果區(qū)管理難點(diǎn)

第三方破壞是高后果區(qū)管道事故的主要原因。特別是近年來,隨著工程機(jī)械的普遍應(yīng)用,由第三方施工如頂管穿越、春耕、種樹、挖掘機(jī)開挖等造成管道破壞越來越高發(fā),占到了管道事故的70%以上。高后果區(qū)本身處于周邊企業(yè)、人員較為密集的區(qū)域,周邊各類施工的頻率也遠(yuǎn)高于一般地區(qū)。

高后果區(qū)的管道定期巡護(hù)是天然氣儲運(yùn)企業(yè)管理的重點(diǎn)之一,也是防范第三方施工破壞的重要措施。以往采用人工定期巡檢的方法,雖然起到了一定的效果,但人工巡檢存在工作量大、耗時長、可溯源性差,已不能滿足新時代對高后果區(qū)管理的要求。

此外,隨著管道運(yùn)行年限的增加,管道原有防腐材料老化、脫落,特別是早期環(huán)氧粉末防腐的管道,其內(nèi)外腐蝕的風(fēng)險不斷增加,需要進(jìn)行定期的監(jiān)測。

2 視頻監(jiān)控技術(shù)

2.1 視頻監(jiān)控簡介

視頻監(jiān)控是管道高后果區(qū)管理中常用的一種技術(shù),主要應(yīng)用有2種,一是通過在天然氣管道沿線布置高清攝像頭,對管道周邊情況進(jìn)行監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)問題及時處理,攝像頭可以配備喊話等功能,對進(jìn)入管道周邊的人員及時勸離;二是在高后果區(qū)周邊存在第三方施工時,在現(xiàn)場架設(shè)臨時攝像頭,進(jìn)行全程影像記錄。

圖1 管道高后果區(qū)視頻監(jiān)控

2.2 視頻監(jiān)控的問題及對策

1) 數(shù)據(jù)處理問題。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控雖然解決了對現(xiàn)場的監(jiān)控問題,但實際上只能在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)異常后再查詢錄像,或者通過集中監(jiān)控的方式對視頻進(jìn)行監(jiān)測。事后對錄像的查詢往往占用大量的時間和精力,獲取有效信息的效率很低[2]。隨著高后果區(qū)的增加,視頻監(jiān)控系統(tǒng)往往同時存在數(shù)十路乃至更高數(shù)量級別的視頻,其數(shù)據(jù)量巨大,監(jiān)控工作非常繁重,僅通過人工難以有效的識別其中的風(fēng)險,海量數(shù)據(jù)的有效利用成為新的問題。這種情況下,運(yùn)行人員的現(xiàn)場工作量并沒有得到減輕,還額外增加了對視頻的監(jiān)控工作。

2) 功耗問題。由于長輸天然氣管道的路由一般都在野外,接入220 V市電相對困難,設(shè)備需要采用太陽能供電。實現(xiàn)設(shè)備的24 h監(jiān)控,就必須保證太陽能供電系統(tǒng)的容量及可靠性。特別是在塵土較多的地區(qū),太陽能供電板污染會導(dǎo)致其供電能力大大下降。此外,還需要考慮其經(jīng)濟(jì)性和安全性問題。增加太陽能板及蓄電池容量可以增加設(shè)備在極端天氣下的工作時間,但是這會帶來更大重量、載荷,對桿體的穩(wěn)定性等都會有較大的影響,由此增加桿體的基礎(chǔ)施工,需要進(jìn)行詳細(xì)的核算和經(jīng)濟(jì)核算。

3) 安全問題。為了保證攝像頭良好的視角,保證監(jiān)控范圍,攝像頭往往要安裝在較高的監(jiān)控桿上。監(jiān)控桿在使用中,不可避免的要進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng),如果桿體高度超過2m,就會涉及高處作業(yè)問題,需要相應(yīng)的資質(zhì)才可以操作。此外,由于監(jiān)控桿本身較高,一般可達(dá)十米左右,其安裝基礎(chǔ)也是需要重視的問題,雖然監(jiān)控桿生產(chǎn)廠家都會提供設(shè)備的基礎(chǔ)圖和安裝圖紙,但是并不能保證其廣泛適用性,特別是長輸天然氣管道途徑的地形地貌往往較為復(fù)雜多變,其可靠性和穩(wěn)定性都存在風(fēng)險。

4) 網(wǎng)絡(luò)通訊問題。視頻監(jiān)控布置在野外現(xiàn)場,往往沒有專線網(wǎng)絡(luò),高清視頻回傳會消耗大量的流量,成本較高。

2.3 視頻監(jiān)控問題的對策

1) 邊緣計算技術(shù)的發(fā)展為解決上述問題提供了新路徑。通過將現(xiàn)場攝像頭接入邊緣計算設(shè)備,在邊緣計算設(shè)備中應(yīng)用AI分析技術(shù),對視頻進(jìn)行分析,提取目標(biāo),包括各類工程機(jī)械、可疑人員逗留、周界入侵等,并對提取出來的事件信息和視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,從而達(dá)到實時報警和有效視頻檢索的目的。在通訊方面只對存疑和報警的現(xiàn)場視頻、照片進(jìn)行推送傳輸,降低了運(yùn)行人員的工作量,節(jié)約了流量數(shù)據(jù)。

2) 在設(shè)計中應(yīng)對視頻監(jiān)控桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,盡量將配電、通訊模塊布置在桿體的下部方便人員檢修的高度,如確實無法滿足情況,應(yīng)考慮將桿體的附屬設(shè)備設(shè)計為可通過滑輪等整體下降的方法,或?qū)U體設(shè)計為可折疊式,方便人員檢修,避免高處作業(yè)風(fēng)險。在監(jiān)控桿安裝過程中,要注意周邊環(huán)境和車輛、人員安全,起吊作業(yè)要持證人員專人指揮,吊裝前確認(rèn)吊車及吊具、鎖扣均能滿足綜合監(jiān)控桿負(fù)荷。

3) 監(jiān)控桿桿體及其基礎(chǔ)應(yīng)由專業(yè)設(shè)計院結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況具體設(shè)計,除考慮桿體及附屬設(shè)備的自重外,還需要考慮桿體承受的風(fēng)載荷等。

3 陰極保護(hù)遠(yuǎn)傳技術(shù)

3.1 陰極保護(hù)技術(shù)簡介

陰極保護(hù)系統(tǒng)是長輸天然氣管道的重要組成和腐蝕控制的關(guān)鍵,其基本原理是通過電化學(xué)原理,向被保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)(鋼制管道)施加外加電流,使得其成為陰極,抑制腐蝕過程的電子遷移,從而控制腐蝕速率在較低的水平。陰極保護(hù)系統(tǒng)的缺陷將會增加管道腐蝕的風(fēng)險,特別是對于高后果區(qū)的管道,其腐蝕風(fēng)險控制尤為重要,為此,需要定期檢查陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù),即電位數(shù)據(jù),以判斷其是否在合格范圍內(nèi)。以往采用人工定期測量陰極保護(hù)系統(tǒng)的電位數(shù)據(jù),存在的弊端如下:

1) 因人工采集數(shù)據(jù)占用時間較長,往往以一個月為周期采集一次數(shù)據(jù),當(dāng)發(fā)現(xiàn)陰極保護(hù)數(shù)據(jù)異常時,往往無法判斷異常出現(xiàn)的時間,無法指導(dǎo)故障的排查。

2) 人工記錄的數(shù)據(jù)不便于電子化存檔和分析,無法對陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行趨勢做出預(yù)判。

人工測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度與操作人員的熟練度有很大關(guān)系,誤差較大。

3.2 陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳技術(shù)

陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳技術(shù)是將采用單片機(jī)控制的電路,配套各類試片,可同時采集陰極保護(hù)系統(tǒng)的通電、斷電(極化)電位及雜散電流干擾參數(shù),并通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端服務(wù)器。

圖2 陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳示意圖

通過陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳改造,可以節(jié)約大量的人力,同時數(shù)據(jù)的采集頻率可按需設(shè)置,特別是在發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)受各類雜散電流干擾的工況下,可及時提高采集頻率,實現(xiàn)對干擾的有效監(jiān)控,運(yùn)行人員可以將更多的精力投入到數(shù)據(jù)的分析和故障排查治理中,提高了陰極保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

3.3 陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的現(xiàn)狀和改進(jìn)

陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳技術(shù)解決了人工測量工作量大、周期長、精度低的問題,但是還存在一定的問題。

1) 不同廠家的陰極保護(hù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)的傳輸、存儲和協(xié)議不統(tǒng)一,數(shù)據(jù)往往存儲在廠家自己的服務(wù)器上,為后期數(shù)據(jù)的統(tǒng)一規(guī)劃利用造成困難。解決方法是由管道運(yùn)行單位統(tǒng)一建設(shè)數(shù)據(jù)中臺和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),提供標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)協(xié)議,實現(xiàn)不同廠家的陰極保護(hù)遠(yuǎn)傳設(shè)備的統(tǒng)一通訊和展示分析。

2) 遠(yuǎn)傳采集設(shè)備電路復(fù)雜,一旦發(fā)生故障只有報警提示,無法說明故障的具體原因,需要運(yùn)行人員現(xiàn)場排除。

3) 陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳大大增加了陰極保護(hù)數(shù)據(jù)的采集頻率,但國內(nèi)主流的系統(tǒng)仍然停留在簡單的閾值報警、折線圖展示等較為直觀的功能,無法真正實現(xiàn)智能分析的功能。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展,如何對數(shù)據(jù)合理的利用分析是未來的研究重點(diǎn)。

4 漏磁內(nèi)檢測技術(shù)

4.1 漏磁內(nèi)檢測

管道漏磁內(nèi)檢測技術(shù)(MFL,Magnetic Flux Leakage)的基本原理是給一個導(dǎo)磁被測件施加外部磁場后[3],由于被測件近表面幾何的不連續(xù)導(dǎo)致被測件外磁場局域性的擾動,該擾動的變化可以反過來判定缺陷的位置與尺寸信息。

圖3 漏磁檢測原理

檢測器在管內(nèi)運(yùn)行時,利用其上安裝的永久性磁鐵將管道管壁飽和磁化,當(dāng)管壁存在缺陷時,磁力線會穿出管壁產(chǎn)生漏磁[4]。主探頭拾取金屬損失處的漏磁信號,ID/OD探頭能夠區(qū)分管道內(nèi)壁和外壁金屬損失缺陷。里程輪系統(tǒng)實時記錄管道里程信息。內(nèi)檢測中的地面標(biāo)記系統(tǒng)記錄檢測器通過設(shè)標(biāo)點(diǎn)上方的準(zhǔn)確時間,結(jié)合所采集的管道里程信息,可以精確確定管道金屬缺陷所在管道的里程位置,方便進(jìn)行開挖和修復(fù)。

4.2 漏磁檢測在高后果區(qū)的應(yīng)用

漏磁內(nèi)檢測技術(shù)是唯一能夠采取非開挖方式檢測管道本體缺陷(如腐蝕、裂紋、機(jī)械破壞、焊縫異常、變形)的方法。這類缺陷無法通過外檢測的方法發(fā)現(xiàn),且如果采取措施控制,往往會造成如泄露、開裂等嚴(yán)重的損失。

通過對高后果區(qū)管道實施漏磁內(nèi)檢測,可以獲取管道本體狀況信息數(shù)據(jù),特別是金屬損失信息,這對于管道安全運(yùn)行尤為關(guān)鍵。結(jié)合材料與結(jié)構(gòu)可靠性等分析,可以對管道的安全狀態(tài)進(jìn)行全面評價,將嚴(yán)重的金屬損失找出并加以整治,運(yùn)用完整性管理將管道風(fēng)險控制在可接受范圍,就可以避免事故的發(fā)生。

4.3 漏磁內(nèi)檢測的難點(diǎn)

漏磁內(nèi)檢測技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)過了長期的現(xiàn)場應(yīng)用,但仍存在一定的難點(diǎn)。

1) 漏磁內(nèi)檢測技術(shù)對管道及工況均有一定的要求。首先,受檢管道的兩側(cè)要設(shè)有首發(fā)球筒,才能實現(xiàn)檢測器的放入和取出;其次,檢測器在管道內(nèi)依靠氣流推動,要保證檢測的精度,檢測器的運(yùn)行速度要在1～3 m/s之間,球速過快將導(dǎo)致精確度下降,球速過慢則容易發(fā)生卡球事故,作業(yè)風(fēng)險較高。這就要求檢測期間氣量平穩(wěn),壓差合理,對運(yùn)行調(diào)度人員的經(jīng)驗和理論技術(shù)要求較高。

2) 數(shù)據(jù)分析工作量大。漏磁檢測技術(shù)對數(shù)據(jù)分析人員的技能要求較高,如果分析人員經(jīng)驗不足或水平不夠,分析結(jié)果就會有較大誤差。同時,對一段管道的內(nèi)檢測往往有上萬條數(shù)據(jù),人工處理工作量較大。目前已有研究人員探索使用AI識別方法自動判斷缺陷的類型、大小、位置等信息,并取得了較好的成果。此外,漏磁檢測的數(shù)據(jù)因為含有管道里程、坐標(biāo)等敏感信息,需要進(jìn)行一定的加密處理。

3) 焊縫缺陷評價問題。長輸管道由鋼管通過焊接鏈接而成,焊縫的質(zhì)量是影響管道安全的重要因素。漏磁檢測雖然可以對焊接過程中的未焊透、過度打磨等金屬缺陷進(jìn)行識別,但由于焊縫的外觀本身具有不規(guī)則性,給數(shù)據(jù)分析帶來了極大的難度,導(dǎo)致焊縫的缺陷評價一直是業(yè)內(nèi)的難點(diǎn)。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)部分漏磁檢測技術(shù)評價為有缺陷的焊縫,經(jīng)過現(xiàn)場開挖和射線檢測質(zhì)量并無問題的現(xiàn)象。因此,對焊縫缺陷的檢測和評價是亟待解決的問題,目前國內(nèi)已開展了電磁超聲、電磁渦輪等技術(shù)在焊縫評價的試驗[5]。

5 光纖震動預(yù)警技術(shù)

5.1 光纖震動預(yù)警

光纖震動預(yù)警是在管道伴行敷設(shè)光纖,是利用光纜纖芯的震動產(chǎn)生的信號,通過技術(shù)分析,作為管道周邊機(jī)械施工、重車碾壓、地質(zhì)災(zāi)害、人工取土等危害行為的信源的報警系統(tǒng)。此外,伴行光纖還可以作為管道附屬設(shè)備的通訊通道使用。

5.2 光纖震動技術(shù)難點(diǎn)和對策

1) 誤報率較高。目前國內(nèi)已應(yīng)用的管道光纖震動預(yù)警普遍誤報率較高,這與其分析模型有關(guān),需要持續(xù)的對模型進(jìn)行訓(xùn)練和優(yōu)化。

2) 光纖定位較難。因光纖自身獨(dú)有的性質(zhì),管道常用的PCM、雷迪等金屬管道定位設(shè)備無法對其進(jìn)行定位,現(xiàn)場應(yīng)用中可采用人工制造特定信號的方法對其進(jìn)行定位,但其準(zhǔn)確度仍有待提高,且步驟較為繁瑣[6]。因此,研發(fā)針對光纖定位的專用設(shè)備對未來光纖震動預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)非常必要。

6 結(jié)語

隨著計算機(jī)技術(shù)、自動化監(jiān)控技術(shù)的飛速發(fā)展及“智慧管網(wǎng)”的發(fā)展需求,依靠數(shù)字通信、遠(yuǎn)傳監(jiān)測、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)對管道的高后果區(qū)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測、科學(xué)精確分析,減少第三方施工破壞和管道本體缺陷,降低事故發(fā)生概率,今后會成為天然氣運(yùn)輸企業(yè)埋地管網(wǎng)運(yùn)行及維護(hù)的重要管理工具。