大數(shù)據(jù)背景下石油管道腐蝕監(jiān)測(cè)與防護(hù)系統(tǒng)的研究

侯世中，林杰勇

大數(shù)據(jù)背景下石油管道腐蝕監(jiān)測(cè)與防護(hù)系統(tǒng)的研究

侯世中1，林杰勇2

（1. 青島理工大學(xué) 琴島學(xué)院，山東 青島 266106；2. 青島金茂智慧能源科技有限公司 工程技術(shù)部， 山東 青島 266111）

借助Python大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)管道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，構(gòu)建了石油管道腐蝕監(jiān)測(cè)與安全防護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、安全預(yù)警、視頻監(jiān)控和安全防護(hù)，為煉油廠的安全生產(chǎn)提供幫助，減少管道事故的發(fā)生。

Python；腐蝕監(jiān)測(cè)；大數(shù)據(jù)；安全防護(hù)

近年來(lái)，石油管道監(jiān)測(cè)水平有了提高，但采集到的數(shù)據(jù)比較散亂，很難根據(jù)數(shù)據(jù)研究出規(guī)律并預(yù)測(cè)管道未來(lái)的可能的情況。本文采用Python和大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建石油管道腐蝕監(jiān)測(cè)與防護(hù)系統(tǒng)，旨在超前預(yù)測(cè)可能發(fā)生的管道事故，幫助企業(yè)提早采取應(yīng)對(duì)措施，降低管道事故風(fēng)險(xiǎn)。

1 基礎(chǔ)理論

1.1 管道大數(shù)據(jù)

管道大數(shù)據(jù)來(lái)源于煉油廠和石油管道維護(hù)企業(yè)收集到的數(shù)據(jù)，包括管道內(nèi)部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、管道外部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、管道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、管道施工數(shù)據(jù)、歷史運(yùn)行維護(hù)資料、管理維護(hù)日志等，這些數(shù)據(jù)量很大，而且數(shù)據(jù)雜而亂。大數(shù)據(jù)技術(shù)就是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)從這些多而亂、看似毫無(wú)規(guī)律的數(shù)據(jù)中挖掘處有用的信息，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、校驗(yàn)、分類匯總，采用Python技術(shù)對(duì)管道大數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，找出有安全風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)據(jù)，為管道維護(hù)和維修提供依據(jù)[1]。

1.2 管道監(jiān)測(cè)技術(shù)

管道監(jiān)測(cè)分為管道內(nèi)部監(jiān)測(cè)和管道外部監(jiān)測(cè)[2]，管道內(nèi)部監(jiān)測(cè)主要采用探針和超聲波等方式來(lái)監(jiān)測(cè)，其中，探針監(jiān)測(cè)包括電感探針、電阻探針、電化學(xué)探針，主要監(jiān)測(cè)管道內(nèi)部的石油溫度、壓力、管道壁厚等參數(shù)。超聲波監(jiān)測(cè)的特征為透聲率較大、安裝簡(jiǎn)單方便、成本比較低。管道外部監(jiān)測(cè)主要采用人工現(xiàn)場(chǎng)檢修和視頻監(jiān)控相結(jié)合的方式。歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)分析統(tǒng)計(jì)后，也分類匯總存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，以備日后使用。

2 管道內(nèi)部數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)中管道數(shù)據(jù)采用了電阻探針[3]、電化學(xué)探針和PH計(jì)探針來(lái)采集數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)匯總到對(duì)應(yīng)的采集器中。

2.1 安裝采集器和探針

圖1 采集器與探針連接圖

以某一段石油管道為例，在管道上安裝采集器和對(duì)應(yīng)的探針，這里采用了3個(gè)采集器，編號(hào)分別是采集器A、采集器B和采集器C。其中，采集器A可以讀取A1、A2和A3三個(gè)電阻探針的數(shù)據(jù)。采集器B可以讀取B1、B2、B3和B4四個(gè)電化學(xué)探針的數(shù)據(jù)。采集器C可以讀取C1和C2兩個(gè)PH計(jì)探針的數(shù)據(jù)，采集器跟探針連接關(guān)系如圖1所示。

2.2 定時(shí)讀取采集器中的數(shù)據(jù)

電阻探針每隔1 h采集數(shù)據(jù)一次，電化學(xué)探針每隔0.5 h采集數(shù)據(jù)一次，PH計(jì)探針每隔2 h采集數(shù)據(jù)一次。那么，在規(guī)定的一條管道上，一天之內(nèi)采集器可以采集數(shù)據(jù)量如下：

采集器A讀取的記錄數(shù)：

=3×24×1=72條。

采集器B讀取的記錄數(shù)：

=4×24×2=192條。

采集器C讀取的記錄數(shù)：

=2×24×0.5=24條。

100天后，采集器的數(shù)據(jù)量為：

100×(++) =28 800條

通過(guò)采集器采集到的數(shù)據(jù)不間斷地存儲(chǔ)到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中[4]，為日后的分析、評(píng)估和決策提供基礎(chǔ)依據(jù)。

3 腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)模型研究

3.1 電阻探針數(shù)據(jù)建模

電阻探針采集到的數(shù)據(jù)是探針元件在石油中浸泡腐蝕后電阻值，探針元件本身有兩個(gè)已知的物理量，分別是探針元件原始半徑和探針元件腐蝕前的電阻值，需要計(jì)算腐蝕深度才有意義，具體計(jì)算模型采用如下公式：

計(jì)算出電阻元件的腐蝕深度后，可以通過(guò)年腐蝕率d的計(jì)算公式，計(jì)算出年腐蝕率，公式如下：

式中：2-1為兩次測(cè)量時(shí)間的差值，2-1為兩次腐蝕深度測(cè)量值的差值。

3.2 電化學(xué)探針數(shù)據(jù)建模

通過(guò)以下公式計(jì)算極化電阻：

j=h×j/4

式中：j表示極化電阻；h表示探針數(shù)據(jù)；j表示電極面積（已知）。

年腐蝕率通過(guò)以下公式計(jì)算：

V=d×4/A

式中：V表示年腐蝕率；d表示采集到的數(shù)據(jù)；A表示電極面積。

計(jì)算出管道的年腐蝕率后，再結(jié)合管道的厚度，考慮管道的外部環(huán)境，就可以初步計(jì)算出管道的壽命。當(dāng)然，也可以根據(jù)這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，判定管道的腐蝕程度，及時(shí)提醒煉油廠采取有效的措施，降低管道事故風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 pH計(jì)探針原理分析

pH計(jì)探針是以兩個(gè)不同的電極作為主要測(cè)量構(gòu)件，其中，一個(gè)電極是玻璃材質(zhì)，另外一個(gè)電極是標(biāo)準(zhǔn)電極。把兩個(gè)電極放到石油溶液中，石油的pH只跟玻璃材質(zhì)的電極發(fā)生反應(yīng)，玻璃電極的電位體現(xiàn)在石油pH計(jì)的變化，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電極和玻璃電極的電位差公式計(jì)算其pH值。

4 管道系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

圖2 主要功能模塊圖

如圖2所示。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方式使用COM串口通信和藍(lán)牙通信相結(jié)合。布線容易的區(qū)域采用COM串口通信，布線不容易的區(qū)域采用藍(lán)牙無(wú)線通信，遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)采用GPRS通信。數(shù)據(jù)采集主要是通過(guò)探針上安裝的采集器來(lái)完成數(shù)據(jù)收集，采用實(shí)時(shí)方式，確保24小時(shí)不間斷采集，保證數(shù)據(jù)的有效性。采集到的數(shù)據(jù)要及時(shí)存儲(chǔ)到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。數(shù)據(jù)分析基于Python大數(shù)據(jù)分析，處理方式簡(jiǎn)潔高效，而且可以生成報(bào)表，針對(duì)分析的結(jié)果，預(yù)測(cè)未來(lái)的趨勢(shì)。視頻監(jiān)控主要針對(duì)一些高風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域，安裝實(shí)時(shí)高清監(jiān)控。這些視頻數(shù)據(jù)比較直觀，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。安全預(yù)警主要針對(duì)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，借助一定的技術(shù)手段，對(duì)設(shè)備和石油腐蝕情況作出有效的判斷并做出一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)提示。

5 關(guān)鍵模塊分析與實(shí)現(xiàn)

使用Python[5]提供的三個(gè)模塊numpy、scipy、statsmodels，分別負(fù)責(zé)快速處理數(shù)據(jù)、數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)分析實(shí)時(shí)曲線如圖3所示。從圖3可以大致判斷不同時(shí)刻腐蝕數(shù)據(jù)變化的規(guī)律，總體上符合管道設(shè)備特征和腐蝕規(guī)律，腐蝕快慢和天氣、濕度等因素有關(guān)。

圖3 電化學(xué)探針數(shù)據(jù)分析曲線圖

6 系統(tǒng)腐蝕防護(hù)

管道腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反映當(dāng)前石油對(duì)管道設(shè)備的腐蝕情況，如果腐蝕程度不嚴(yán)重，可以采取一定的防腐措施，比如給管道設(shè)備增加一些入水、氨、緩蝕劑等。歷史數(shù)據(jù)反映過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)管道設(shè)備的腐蝕情況，重點(diǎn)關(guān)注腐蝕深度分析圖、年腐蝕率分析圖、pH值變化分析圖，研究石油管道腐蝕跟溫度、濕度、季節(jié)、油品、緩蝕劑等關(guān)系，為企業(yè)管道維護(hù)和維修提供必要的經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)。

一般的管道是鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，根據(jù)大數(shù)據(jù)分析，得出以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）管道設(shè)備在常溫和干燥天氣下不容易腐蝕，由于夏季雨水比較多、濕度比較大，屬于重點(diǎn)管道防護(hù)季節(jié)。

（2）管道內(nèi)油品含有的雜質(zhì)越多越容易腐蝕，在管道設(shè)備或者管道壁中適當(dāng)增加防腐涂層，從而提高管道的壽命。

（3）因石油中存在二氧化硫等腐蝕劑，管道容易發(fā)生化學(xué)腐蝕，可以適當(dāng)增加一些緩蝕劑減少管道腐蝕。

[1] 王涵.大數(shù)據(jù)時(shí)代下企業(yè)人力資源管理創(chuàng)新研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化,2018,8(12):77-78.

[2] 魏長(zhǎng)軍,侯世中.煉油廠管道腐蝕防護(hù)專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008, 23(6):5-8.

[3] 陳鳳琴,付冬梅.電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2017,29(11):669-674.

[4] 董春娟.油氣管道大數(shù)據(jù)應(yīng)用淺析[J].石油和化工設(shè)備, 2018,21(8):57-59.

[5] 丁曉陽(yáng).基于Python情報(bào)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息與電腦(理論版),2018,12(24):133-134.

Research on Oil Pipeline Monitoring and Protection System under the Background of Big Data

HOU Shi-zhong1, LIN Jie-yong2

(1. Qindao College, Qingdao Technological University, Qingdao 266106, China; 2.Department of Engineering and Technics, Qingdao Jinmao Smart Energy Technology Co., Ltd, Qingdao 266111, China)

Over the years, the frequent occurrence of oil pipeline safety accidents has brought great economic losses to refineries. Under this background, with the help of Python big data technology, the pipeline detection data are analyzed, and an efficient pipeline corrosion monitoring and safety protection system is constructed. The system includes data monitoring, data acquisition, data analysis, safety early warning, video surveillance and safety protection, which can help refinery safety production and reduce pipeline accidents.

Python; Corrosion monitoring; Big Data; Safety Protection

TP273.5

A

1009-9115(2019)06-0068-03

10.3969/j.issn.1009-9115.2019.06.017

2019-03-21

2019-04-05

侯世中（1980-），男，山東青州人，碩士，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。

（責(zé)任編輯、校對(duì)：田敬軍）