基于WEBGIS的數字化管道腐蝕數據綜合分析評價系統

盧涵宇 袁詠儀 張旭

摘 要：本文研究的系統采用了多次線性回歸統計法，綜合運用土壤腐蝕性分級評價機制、涂層檢測分級檢測機制、陰極保護有效性評價、剩余強度和剩余壽命預測等多項技術，建立一套科學的管道綜合監管電子系統，準確提煉出油氣管道的強度、壽命、負荷量等關鍵性指標，保障油氣管道的安全運行，最大限量減少腐蝕爆管事故的發生。

關鍵詞：WEBGIS；管道腐蝕；腐蝕檢測數據；多次線性回歸統計法；空間查詢

管道腐蝕與防護技術是一項多學科、前沿化、高科技的系統工程，隨著經濟的發展，不少老管線老設施已接近其壽命期，大量管道防腐層老化，腐蝕狀況嚴重，腐蝕事故有增長的趨勢，有的已進入事故的多發期。實踐證明，及早檢漏、利用在線檢測結果科學地管理和及時的維修是至關重要的。一旦問題暴露，則將造成不可估量的損失，如發生在2013年12月4日的青島市天臺一路發生燃氣爆炸事故，該事故造成62人死亡的重大災難。因此管道在線檢測對管線及時維護、管道壽命評價的必要性，會給企業帶來顯著的經濟效益和社會效益。

1 國內外管道內腐蝕檢測技術

國外使用較為廣泛的管道內腐蝕檢測方法是漏磁通法和超聲波檢測法。

1.1 漏磁通法

檢測的基本原理是建立在鐵磁材料的高磁導率這一特性之上。鋼管中因腐蝕產生缺陷處的磁導率遠小于鋼管的磁導率，鋼管在外磁場作用下被磁化，當鋼管中無缺陷時，磁力線絕大部分通過鋼管，此時磁力線均勻分布；當鋼管內部有缺陷時，磁力線發生彎曲，并且有一部分磁力線泄漏出鋼管表面。檢測被磁化鋼管表面逸出的漏磁通。就可判斷缺陷是否存在。漏磁通法適用與檢測中小型管道，可以對各種管壁缺陷進行檢驗，檢測時不需要耦合劑，也不容易發生漏檢?？墒且蚵┐磐ǚㄖ幌抻诓牧媳砻婧徒砻娴臋z測，被檢測的管壁不能太厚，干擾因素多，空間分辨力低。另外，小而深的管壁缺陷處的漏磁信號大得多，所以漏磁檢測數據往往需要經過校驗才能使用。檢測過程中當管道所用的材料混有雜質時，還會出現虛假數據。

1.2 超聲波法

超聲波檢測法主要是利用超聲波的脈沖反射原理來測量管壁受蝕后的厚度。這種檢測方法是管道腐蝕缺陷深度和位置的直接檢測方法，檢測原理簡單，對管道材料的敏感性小，檢測時不受管道材料雜質的影響，能夠實現對厚壁大管徑的管道進行精確檢測，使被檢管道不受壁厚的限制。能夠檢測出管道的變形和內外壁腐蝕。此外，超聲波法的檢測數據簡單準確，且無需校驗，檢測數據非常適合作為管道最大允許輸送壓力的計算，為檢測后確定管道的使用期限和維修方案提供了極大的方便，并能夠檢測出管道的應力腐蝕破裂和管壁內的缺陷如夾雜等。這種方法的不足之處就是超聲波在空氣中衰減很快，檢測時一般要有聲波的傳播介質，如油或水等。

2 系統設計的主要內容及功能特點

該系統的設計以WEBGIS為基礎平臺，集成陰極保護電位自動采集系統，全面管理來自土壤采樣分析、涂層檢測、陰極保護相關的防腐蝕數據，通過對這些數據的綜合分析和評價，逐步建立準確、穩定可靠的管道防腐蝕綜合判定標準，進而由此建立管道防腐蝕決策依據以及自動決策系統，最終達到準確分析和預測油氣管道的剩余強度和剩余壽命，對管道安全輸運和生產起到全面的監控和安全預警作用。

2.1 系統主要設計內容

（1）采用線性回歸對每個單一指標確定影響范圍（權重），根據排序結果和給出的影響范圍以及發現的規律和技術人員的經驗，采用多次線性回歸，提出的土壤腐蝕性綜合評價方法來實現不同土壤環境的埋地管道土壤腐蝕性分級，便于有效控制管道腐蝕，減少腐蝕爆管事故。

（2）運用涂層檢測分級評析。我們認為影響涂層失效的外部因素主要是土壤中的氧（含溶解氧）、水分及其他無機有機離子，由此而導致涂層組分組合關系發生變化，結構穩定性遭到破壞，材料逐漸老化是涂層失效的內在主要因素。對于現用管道涂層，可根據涂層。

失效系數AI結合對涂層/金屬界面的腐蝕反應發生情況及粘接力失去程度判斷涂層的失效程度。由涂層失效模型指數AI表達式，經代入相關數據實際所得結果表明，該模型對判斷埋地管道涂層失效狀況具有重要的指導意義。對于管道保護起到至關重要的作用。

（3）陰極保護性。系統解決了行業中沒有提供的極化電位測試方法，最大保護電位的取值，酸性環境電位控制問題，這在國內是首開先河。

（4）剩余強度，剩余壽命評價。通過對大量事故的分析、對數條在役含缺陷天然氣壓力管道剩余強度的評價和對多段含缺陷壓力管道全尺寸試驗，證明開發技術、評價結論是可靠的，同類缺陷各級評價之間的銜接是合理的。

2.2 系統主要功能特點

（1）建立一套能適應惡劣環境、溫度、滿足一定精度要求，對于環境惡劣長時間人力無法到達的地區實現陰極保護電位的自動監測軟硬件系統；

（2）根據防腐蝕數據的綜合評價以及評估模型的循環應用，建立更為精確的評價標準以及決策模型；

（3）該系統的建立的終極目的不是為管道輸運單位建立一個簡單的軟件系統，而是為管道的生產運行建立基于GIS（地理信息系統的）安全數據中心：包括各種腐蝕檢測數據（包括土壤、涂層、陰極保護、剩余強度和剩余壽命、檢測和維護決策，以及內腐蝕相關檢測數據，失效案例、知識庫以及外界異常報告等）、對這些檢測數據的評價分析以及相關的數據管理和報表功能；應用現代迅速發展的GIS可視化空間信息分析、顯示、表達技術，根據管道要素的分布、數量、相關性因素等，把涉及的信息以三維空間形式形象表達出來，建成個先進的管網電子沙盤信息系統，為日常工作管理、各種信息數據管理、戰略指揮提供決策功能；

（4）管道安全檢測涵蓋內腐蝕以及外腐蝕兩個方面，該系統的研制為這連個方面的腐蝕檢測都提供相應的數據管理，因此它是國內第一個全面涵蓋腐蝕控制各個方面的管道完整性評價分析系統；

（5）在軟件系統設計中兼顧了標準的行業標準，同時也采用國際先進的評價分析標注（比如用于評價剩余強度和剩余壽命的SY/T6151，ASME B31G以及API975），還置入了先進的數學分析模型（主成份分析法），真正實現了軟件的數據分析的智能升級，使系統的評價分析結果具備了更強的可靠性以及科學性；

（6）系統軟硬件結合，通過光纖通訊實現了陰極保護檢測樁電流電位數據的自動采集，減少了人工檢測采集的大量投入與工作，同時也增加了數據采集的密度，對陰極保護狀況的監測更加及時有效，實現陰極保護的實時報警和分析；

3 基于WEBGIS的數字化管道腐蝕數據綜合分析評價系統

系統設計全面采用了最新的軟件技術，包括Web2.0的Ajax技術、全新的.NET Framework2.0框架以及Microsoft Visual Studio 2005開發工具，系統的實施采用了微軟推薦的設計架構，并在此基礎上增加了工廠設計模式構成了功能更強的擴展性更強的8層軟件架構實現，這些技術的使用進一步加強了軟件的穩定性、嚴謹性和可擴展性，為以后數據庫系統的移植奠定良好基礎；同時提升了用戶感受，提升了軟件反應速度和性能，同時也增加了軟件使用的生命周期。

3.1 軟件設計及技術

（1）軟件中針對土壤腐蝕性分級評價機制、涂層檢測分級檢測機制、陰極保護有效性評價、剩余強度和剩余壽命預測等多項技術建立的子模塊因為數據采集渠道不到，數據記錄方式不同，評價分析方式體現也不同，因此要建立一套統一的基礎數據軟件導入模板。

（2）評價分析結果圖形化的展示將對軟件的要求更高，圖形在生成的之前要進行大量復雜的數據組織工作，強大的數據對比性的背后是不同批次數據的采集點的不一致性，因為不同評價分析圖表示的數據對象都是獨立的邏輯單位，柱狀圖和曲線圖的同時支持是必要的，也將加倍復雜的邏輯和編碼實現工作，多種圖形繪制選項同樣增加繪圖的控制的難度。

①AJAX技術；AJAX可使因特網應用程序更小、更快，更友好，在瀏覽器與Web服務器之間使用異步數據傳輸（HTTP請求），這樣就可使網頁從服務器請求少量的信息。

②WEBGIS技術；由多主機，多數據庫和多個客戶端以分布式連接在Internet上而組成，包括以下4個部分：WEB-GIS瀏覽器（browser），WEB-GIS服務器，WEB-GIS編輯器（Editor），WEB-GIS信息代理（imformation agent）。

③VR技術；虛擬現實技術，綜合了計算機圖形技術、計算機仿真技術、傳感器技術、顯示技術等多種科學技術，它在多維信息空間上創建一個虛擬信息環境，能使用戶具有身臨其境的沉浸感，具有與環境完善的交互作用能力，并有助于啟發構思。

3.2 系統設計的特點

（1）系統數據模版的統一制定

系統可以根據基礎數據自動生成包含管線信息，探坑編號等基礎數據的模板，并提供壓縮打包提供下載；在子模塊中管理相應的基礎數據和采集數據、進行報表等相關的所有操作。

（2）清晰明了系統數據組織和管理

系統的數據組織按照管道防腐蝕的土壤腐蝕、覆蓋層評價、陰極保護等作為獨立的子模塊為其設置獨立的操作菜單，每個子模塊建立單獨的基于總體管線結構的基礎數據、數據字典、評價標準、數據的輸入輸出管理，以及相應數據模版的生成和管理。

（3）獨立的公式計算模塊

系統設計了專門的公式計算模塊，例如埋片周期、質量損失、平均腐蝕速率、厚度損失、電流衰減、防腐層絕緣電阻值等等為系統所有涉及的專業公式計算提供自動的軟件實現接口，確保數據的準確性。

（4）強大直觀的評價圖形分析結果

對相應的防腐蝕數據提供圖形化的評價分析結果，還可以對不同時間的數據進行對比分析，從而準確的掌握管線不同時間的腐蝕狀況和腐蝕的變化趨勢。

（5）強大完善統計分析報表

系統每個子模塊提供單獨的報表功能，緊密集成到每個子模塊的操作菜單中。系統的相關報表統一劃分為3類：數據報表、評價分析結果報表、以及統計分析報表。

（6）靈活合理的基礎數據管理

系統除管線結構基礎數據單獨管理之外，還有和土壤腐蝕現成調查相關的探坑等基礎數據和數據字典，為系統數據管理提供邏輯清晰的管理支持。

參考文獻

[1]張超.地理信息系統實習教程[M].北京：高等教育出版社，2000.

[2]張明波，龔健雅.地理信息系統基礎[M].北京：科學出版社，2001.

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