管道內檢測數據比對分析軟件開發及應用研究

季壽宏，丁 楠，張國民，高安平

（1.浙江浙能天然氣運行有限公司，浙江 杭州310052；2.無錫華潤燃氣有限公司，江蘇無錫214000）

近年來，隨著中國油氣管道運行年限的增加，管道事故頻繁發生，由此推動了管道內檢測技術的發展。管道內檢測是目前管道檢測的主要手段，同時也是管道完整性管理的重要方法。目前，國內許多管道公司進行了管道內檢測，但在數據的利用方面，僅僅進行了強度校核的工作，尚未開展管道內檢測數據比對等數據挖掘工作[1]，更缺乏數據比對分析的軟件。

國外在內檢測數據比對方面，起步相對較早，已經有大量的數據比對案例。Gu Bill[2]利用數據比對的方法計算了腐蝕點長度和深度增長率，并根據增長率信息進行了預測，進而制訂了修復計劃。Desjardins Guy[3]分析比對了管道2個批次內檢測數據，提出了不同承包商檢測數據的比對辦法。國內在內檢測數據比對方面，近幾年發展迅速，提出了一些內檢測數據比對的展望和方法。王丹丹等[4]提出了缺陷匹配的位置信息特征；王良軍等[5]提出內檢測數據綜合利用和深度挖掘是發展的趨勢和方向。

1 內檢測數據比對方法

內檢測數據比對包含關鍵點對齊、缺陷匹配、計算缺陷增長率、缺陷活性判斷和統計分析幾個階段，其中關鍵點對齊和缺陷匹配的步驟不能顛倒。如果關鍵點對齊失敗，則后續的缺陷匹配可能產生較大錯誤，導致數據比對失敗。因此，只有在確保關鍵點完全對齊之后才能進行其余步驟。以下探討分析數據對齊的方法和注意事項。

1.1 內檢測數據參數

在管道內檢測數據中，數據類型通常包含焊縫參數、缺陷參數和表面位置參數[6-7]。具體參數信息見表1所列。

表1 內檢測數據參數信息

1.2 關鍵點對齊

管道內檢測數據比對的第一步是關鍵點對齊，關鍵點是管道具有的位置信息的特征點，包括環焊縫、彎頭、三通等特征，管道關鍵點對齊參數見表2所列。在進行關鍵點對齊時，應按以下幾個步驟進行：確定兩管線的起始位置和終點位置；確定首個焊縫的位置和編號，將位置對齊；確定最后一個環焊縫的位置，計算里程位置偏差，分析2次檢測的誤差信息；統計環焊縫數量，分析2次檢測環焊縫的偏差原因；依次對齊中間的關鍵點和環焊縫，對出現的偏差分析其原因，以便更新數據庫。關鍵點對齊之后，可以將環焊縫統一編號，以便后續的缺陷匹配。

表2 管道關鍵點對齊參數

管道關鍵點在對齊的過程中，由于受各種因素的影響，2次檢測的數據可能存在偏差，最常見的情況如起始點和終點位置不統一、焊縫漏報和誤報等幾種情況。在進行關鍵點對齊時，要充分分析出現的偏差，關鍵點完全對齊后，才能進行缺陷匹配。

1.3 缺陷匹配

在關鍵點全部對齊之后，可以根據位置信息將缺陷點進行對齊。缺陷的參考位置信息主要包含三個方面：相對關鍵點的距離、時鐘方位、表面位置[4]。相對關鍵點的位置，主要選擇相對環焊縫的距離，由于每節管段在12 m左右，因而相對距離的誤差在可以接受的范圍內；時鐘方位是缺陷點在管道的周向的位置，能夠很好地區分里程距離相近的缺陷點；表面位置表示缺陷點所處的管壁位置，在內檢測數據中，缺陷點所處的管壁位置能夠較準確的區分，因而可以作為缺陷匹配的位置參考點。缺陷匹配位置信息見表3所列。

表3 缺陷匹配位置信息

1.4 缺陷增長率及缺陷活性判斷

缺陷增長率可以使用半壽命和全壽命周期計算方法[8]，其中全壽命缺陷增長率計算方法結果比較保守，得到的缺陷增長率較大，而半壽命缺陷增長率計算方法計算的結果就不再保守，具體情況可以根據管道運行公司的準則選擇計算方法。

全壽命和半壽命缺陷增長率計算公式分別如式（1）和（2）所示：

式中：GRc——缺陷增長率，mm/a；d1——批次1缺陷深度，mm；d2——批次2缺陷深度，mm；T1——批次1檢測時間，a，如果是新增點，表示管道投產時間；T2——批次2檢測時間，a。

缺陷匹配完成之后，對已經匹配成功的點，計算其缺陷增長率。根據匹配的狀態和缺陷增長率的狀況，將缺陷分為活性、非活性、新增、漏檢和誤檢五類[9]。由于2個批次檢測的精度以及環境因素的影響，其內檢測數據必然會產生一定的誤差，因而在分類的過程中要設置合適分類閾值和誤差閾值，以避免產生分類錯誤的情況。

1.5 位移分析

位移分析是根據2個批次內檢測的管道中心線數據，對管道中心線的數據使用光滑算法進行光滑處理，然后間隔相同距離計算垂直偏差和水平偏差。根據偏差信息可以評估內檢測位置信息的準確性，同時，對于處在地質災害區域的管道，可以評估滑坡等地質條件使管道產生偏移的情況。

2 內檢測數據比對分析軟件開發

根據內檢測數據管理比對的原理，開發了管道內檢測數據比對分析軟件。該軟件通過建立管道內檢測數據管理和分析平臺，提供各種數據比對的技術支持，為推行管道完整性管理提供信息與決策支持，達到減少和預防管道事故的目的。

軟件包含2個子模塊11種功能，其中數據對齊子模塊包含數據對齊和缺陷匹配，位移分析子模塊包含管道平面偏差圖和管道高程偏差圖。軟件模塊各功能之間的關系如圖1所示。

圖1 管道內檢測數據比對分析軟件功能模塊示意

3 軟件應用分析

該案例是建立在內檢測數據比對分析軟件的基礎上，對某天然氣管道前3 k m的內檢測數據進行分析，對比分析后能夠將2批次內檢測數據進行正確的分類并計算缺陷增長率，經過軟件測試，取得了較好的效果。

3.1 管道信息

該天然氣管道于2007年正式投產使用，分別于2010年和2015年進行了管道內檢測，管道的基礎信息見表4所列。

表4 管道基礎信息

3.2 數據對齊

選取2010年和2015年2個批次的內檢測數據，在操作界面中加載環焊縫的信息，數據對齊界面如圖2所示。該天然氣管道前3 k m的2個檢測批次的內檢測參數及數據見表5所列。

表5 2個批次內檢測參數及數據

內檢測數據比對包括數據對齊和缺陷匹配兩部分，數據對齊選擇的關鍵點是環焊縫的里程信息。在進行關鍵點對齊之前，應首先確定2個批次檢測的起始位置一致，在對齊的過程中應從前往后依次對齊，對中間出現的漏檢和誤檢的情況應進行一一分析。該案例選用的關鍵點是環焊縫，由于環焊縫的數量相同，因而進行對齊即可。對齊的過程中，由于批次2的置信度更高，因而，以批次2的位置為準進行對齊。

該軟件設置一些快捷操作，以方便焊縫對齊。數據對齊界面包含2個批次環焊縫的里程位置展示，可以拖動1條環焊縫與另外批次的環焊縫進行手動對齊，也可以選擇2條焊縫中的任一位置進行自動對齊。在對齊的過程中可以選擇撤銷、檢查對齊、清除標記、存草稿、加載草稿、保存對齊結果的操作按鈕。數據對齊界面設置缺陷的位置展示，包括腐蝕、管體制造缺陷、凹陷、直焊縫、環焊縫、螺旋焊縫和外接金屬物等。對齊完成之后，選擇保存對齊結果，對齊結果中包括批次的信息、對齊時間、環焊縫數目、已對齊的環焊縫數目等，數據對齊界面如圖2所示。

在數據對齊界面選擇缺陷的復選框，可以在管道里程圖中按照相對里程位置、時鐘方位進行加載顯示，缺陷分布如圖3所示。根據加載的缺陷位置信息，可以從里程的角度進行初步分析，判斷新增和漏檢點的情況。

圖2 數據對齊界面示意

圖3 缺陷分布示意

3.3 缺陷匹配

缺陷匹配包含腐蝕、管體制造缺陷、凹陷、直焊縫異常、環焊縫異常、螺旋焊縫異常和外接金屬物七個方面的匹配內容。缺陷匹配中包含活性點閾值范圍選擇、里程誤差設置等。設置合理的參數，可以更準確地進行缺陷匹配、確定缺陷增長率。

匹配的信息包括：批次1環焊縫、批次2環焊縫和已對齊環焊縫數量信息；活性點、非活性點、新增點、漏檢點缺陷數量信息；缺陷長度增長率、深度增長率等信息。

腐蝕缺陷匹配是根據缺陷點的位置信息，對2個批次的缺陷進行匹配。位置信息包括相對里程位置、表面位置和時鐘方位三種參考信息，其中相對里程誤差和分類閾值，需要根據2個檢測批次的精度和置信度進行設置。該案例腐蝕缺陷點活性點的閾值設置為5%，里程誤差設置為0.1 m，加載后得到的結果是活性點48處、非活性點3處、新增點3處、漏檢點3處，腐蝕缺陷匹配界面如圖4所示。

圖4 腐蝕缺陷匹配界面示意

根據腐蝕缺陷匹配的結果，計算缺陷的長度增長率和深度增長率，從圖4中可以看到缺陷點的增長率情況，根據增長率的情況可以計算管道的腐蝕剩余壽命，從而對管道的安全運行提供了支持。

3.4 位移分析

位移分析包括管道平面偏差圖和管道高程變化圖。管道平面偏差圖根據管道經緯度等坐標信息，計算2個批次管道在水平方向上的偏差。管道高程變化圖根據管道高程和里程信息，計算2個批次管道高程在里程方向上的偏差。根據偏差圖可以方便找到2個批次管道水平面偏差和垂直面高程偏差的最大值，判斷管道內檢測位置信息的有效性，為管道應力計算分析提供支持。

選擇批次1和批次2管道中心線數據進行分析，得到2個批次檢測數據在平面的偏差在5 m以內，管道高程偏差在-0.6～0.6 m，位移分析曲線如圖5所示。2個批次檢測的管道中心線數據的偏差在相對較小的范圍內，可以初步判定2個檢測批次位置誤差在可以接受的范圍內。

圖5 位移分析曲線示意

4 結 論

1)分析了管道內檢測數據比對的方法，并根據精度和誤差的情況提出了關鍵點對齊的主要步驟；在分析缺陷數據的基礎上，只有在缺陷完全對齊之后，才能進行缺陷匹配，并提出關鍵點匹配的三個位置信息為相對里程、時鐘方位和表面位置；位移分析采用曲線光滑算法和插值算法進行處理，分析了管道2個批次位置偏差的情況，為管道位置校正提供了支持。

2)開發了管道內檢測數據比對分析軟件，具有關鍵點對齊、缺陷匹配和位移分析功能，能夠對2個批次的內檢測數據進行分析，并能根據缺陷增長率自動將缺陷進行分類。同時，位移分析功能能夠直觀地分析2個批次的位置偏差，找到位置偏差的最大值，為管道安全運行提供技術支持，保障管道本質安全。

3)管道內檢測數據比對分析軟件應用表明：該軟件能夠對2個批次的管道內檢測數據進行數據比對和位移分析，且分析結果可靠；能夠完成實際管道的數據比對工作，為內檢測數據處理與比對提供了分析工具。