構(gòu)建新一代油氣管道智能完整性管理系統(tǒng)

崔萬祥 歐曙輝 劉嚴(yán)強

（1. 浙江省能源集團城市燃?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

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，油氣管道已成為我國必不可少的能源大動脈。截至2015年，我國油氣長輸管線總里程10.87萬公里，按照“十三五”規(guī)劃，至2020年年底，我國油氣長輸管道里程數(shù)將達(dá)到16.9萬公里。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)在運行中面臨多重威脅，外來破壞、腐蝕、地質(zhì)災(zāi)害都可能對管道系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。同時，由于油氣管道上的缺陷不可避免，且隨著時間的增長，逐步惡化；人類活動和自然環(huán)境變化都會對管道產(chǎn)生影響。油氣管道破壞會造成泄漏、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，其通過對油氣管道運行中面臨的風(fēng)險因素進行識別和評價，通過監(jiān)測、檢測、檢驗等各種方式，獲取管道完整性的信息，并制定相應(yīng)的風(fēng)險控制對策，不斷改善有害因素，從而將管道運行的風(fēng)險水平控制在合理的、可接受的范圍內(nèi)，并最終達(dá)到持續(xù)改進、減少和預(yù)防管道事故發(fā)生、經(jīng)濟合理地保證管道安全運行的目的。

美國國會于2002年11月通過了專門的H.R.3 609號法案，該法案要求管道運營商在高風(fēng)險地區(qū)實施管道完整性管理計劃。管道完整性管理正式以法律形式確定和提出，世界各國管道公司紛紛開始采用完整性管理模式進行運行管理。世界各國主要的管道公司都在近些年采用了這一管理理念，實施的管道的完整性管理。如美國Willams Gas、英國TRANSCO、加拿大TRANSCANADA等著名管道公司都率先實施了管道完整性管理，并建立了專門的完整性管理機構(gòu)。我國也在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日正式實施，管道企業(yè)實施管道完整性管理在我國正式進入一個新階段。國內(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)識別、風(fēng)險評價、完整性評價、維修與維護、效能評價六個環(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施，需要進行完整性管理體系建設(shè)，這是實施完整性管理的基礎(chǔ)，管道完整性體系建設(shè)就是對涉及管道完整性管理的信息、技術(shù)、工作流程、組織機構(gòu)及文件體系等要素進行集成，將其轉(zhuǎn)化為管理要素和經(jīng)濟要素，經(jīng)濟合理地保障管道安全可靠運行，是一項系統(tǒng)工程。

管道完整性數(shù)據(jù)的及時收集和處理，是實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)識別、風(fēng)險評價、完整性評價、管道修復(fù)等管理環(huán)節(jié)對數(shù)據(jù)的要求，其涉及多個專業(yè)的繁雜數(shù)據(jù)，應(yīng)具有統(tǒng)一的存儲邏輯，并形成管道完整性數(shù)據(jù)庫，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)收集機制，對于保證有效的管道完整性管理是至關(guān)重要的。

圖1 管道完整性評價流程

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

風(fēng)險評價是依據(jù)管道屬性數(shù)據(jù)和運行數(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)，對管道的破壞風(fēng)險進行評價分級。以確定管道沿線各區(qū)段的風(fēng)險值，并加以排序。定量風(fēng)險評價需要較好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在數(shù)據(jù)質(zhì)量差時可采用定型或半定量的方式。

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

維護與維修是利用完整性檢測獲得的信息和風(fēng)險評價結(jié)果，按照風(fēng)險排序，采用適宜手段，如：換管、打磨、堆焊、套筒修復(fù)補強、防腐層大修等手段，通過修復(fù)管道完整性相關(guān)缺陷，實現(xiàn)管道風(fēng)險的降低。

效能評價是針對管道完整性管理系統(tǒng)本身進行評價，評價其有效性，發(fā)現(xiàn)不足并加以改進。

經(jīng)過多年的推廣發(fā)展，管道完整性管理已經(jīng)成為我國主要管道企業(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，以保證其有效實施。

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)和社會生活。

物聯(lián)網(wǎng)的英文名稱為“The Internet of Things” ,簡稱：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)之上的延伸和擴展的一種網(wǎng)絡(luò)；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。因此，物聯(lián)網(wǎng)的定義是通過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，進行信息交換、通信和控制，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。對于油氣管道系統(tǒng)而言，物聯(lián)網(wǎng)則是通過各種工業(yè)傳感器對管道沿線設(shè)備和環(huán)境進行測量、感知，并獲取數(shù)據(jù)。現(xiàn)代傳感器技術(shù)進步巨大，已出現(xiàn)多種可用于油氣管道監(jiān)測的傳感器，如在線的管道位移、變形監(jiān)測設(shè)備可監(jiān)測管道由于滑坡、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)和社會活動產(chǎn)生的新信息數(shù)據(jù)已達(dá)海量級別，如此數(shù)量的數(shù)據(jù)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方式無法滿足實際需求，也無法發(fā)掘其價值。大數(shù)據(jù)技術(shù)即針對這些海量數(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)的價值，更好的服務(wù)于社會。對于管道系統(tǒng)，大量管道、環(huán)境監(jiān)測工業(yè)傳感器和管理活動，都產(chǎn)生數(shù)據(jù)，如何有效整合、分析這些數(shù)據(jù)，進而充分發(fā)掘其價值，對于提高管道完整性管理的效率和水平有現(xiàn)實意義。

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。現(xiàn)代人工智能以深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為特征，可對多因素、非線性關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)進行處理。針對影響管道完整性的因素，利用收集數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗數(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)進行處理進而減少人為干預(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)測系統(tǒng)成為可能。可利用的針對管道完整性監(jiān)測技術(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（陰極保護電位監(jiān)測、關(guān)鍵部位無損監(jiān)測、腐蝕監(jiān)測）、地質(zhì)災(zāi)害（管道位移監(jiān)測、管道變形監(jiān)測）、誤操作可由自動控制系統(tǒng)邏輯加以控制。對于無法利用在線監(jiān)測獲取的信息則可以通過管道檢測手段得到，管道內(nèi)檢測、試壓可獲得有關(guān)管道本體制造、材料缺陷以及外來損傷造成的管體缺陷，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，外檢測直接評價可獲得有關(guān)管道防腐層劣化信息、陰極保護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)測技術(shù)

表2 管道完整性檢測技術(shù)

國內(nèi)新一代的全智能化新型陰極保護系統(tǒng)，包括全智能數(shù)字化恒電位儀、智能測試樁、特種柔性陽極地床。與現(xiàn)有的床頭陰極保護系統(tǒng)相比，具有全智能、可靠性高、兼容性好、施工簡便、壽命長的優(yōu)勢。還可作為管道沿線的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，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，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)險評價、效能評價、維護維修相關(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)測系統(tǒng)成為可能。現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速進步使得管道完整性監(jiān)測越來越完善，可大幅度提高管道完整性監(jiān)測的時效性。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)，進而有效保障管網(wǎng)的安全高效運行。