基于數據聚合的海底油氣管道完整性管理系統的研究與實踐

李艷麗 胡 軍 郝 林 申得濟

（中海油安全技術服務有限公司）

近年來，中海油不斷探索海上平臺的智能化改造和無人化管理， 充分利用現代的自動化、通信和計算機網絡技術，實現全方位監測、遙控生產、遠程操作。 海底油氣管道作為海上油氣田開發生產系統的主要組成部分，其施工、檢測及維修等難度大，因此，保障海底油氣管道安全運行至關重要。 隨著海底管道的數量持續增長，中海油所轄的海底管道總長已達到6 200km， 在管理實踐中，暴露出如下技術難點［1］：

a.海底管道信息系統不夠完善。 目前中海油針對海底管道已經開發了數據庫和信息應用平臺， 但是普遍尚未全面構建數字化的3D系統，無法直觀地掌握管道和各管段的具體情況；海底管道SCADA系統的生產運行數據、泄漏監測系統等沒有納入到管道整體數據模型中，也不利于海底管道生產操作風險的決策。

b.海上通航風險無法明確。 由于海上通航頻繁，過往船只的噸級變化很大，且部分海底管道臨近錨地， 船只對管道的影響和風險無法明確。因此應掌握航道來往船只及其航跡情況、海底管道各管段的結構、埋深等數據，以明確各管段的通航風險。

c.海底泥面運動與管道懸空的預測。 受波浪、海流及潮汐等沖刷影響，很多海底管道存在裸露、甚至懸空的情況。 根據海底管道外勘調查結果， 依據DNV F101、DNV F105等規范標準，對管道懸空和振動的風險進行判斷和決策。

d.海底管道內檢測實施難度大。 海底管道內檢測的通過性要求高、 檢測操作及定位難度大、風險高，且費用高昂，全面實施內檢測的可能性不高，因此應當針對有內檢測數據和沒有內檢測數據的管道分別制定完整性評估方法，如內腐蝕直接評價、外腐蝕直接評價等。

e.泄漏預警與維搶修困難。 由于海洋環境復雜，漁業、通航等活動頻繁，海底管道搶修作業施工困難，海底管道的泄漏預警和維修不僅需要依靠自身力量，還應充分結合社會、政府及相關企業等的應急資源。

綜上，海底管道需要建立一個完整的海底管道數據系統，并能夠與現有生產運行系統、船載自動識別系統 （Automatic Identification System，AIS）及泄漏監測系統等實現數據交換，以實現對海底管道完整性管理的決策支持。

1 陸上管道相關技術發展現狀

美國于2002年11月通過了H.R.3609號法案，即“增進管道安全性法案”。 在此背景下，美國石油協會推出API RP 1160 《Managing System Integrity for Hazardous Liquid Pipelines》； 美國機械工程師協會制定了ASME B31.8S 《Managing System Integrity of Gas Pipelines》， 目前國際大型管道運營商均參考這些規范開展管道完整性管理。我國在2015年發布了GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規范》， 陸上管道全面實施完整性管理。

自動化技術、遙感（RS）、地理信息技術（GIS）及數據庫等技術的發展，為陸地油氣管道完整性管理提供了助力。 油氣管道的數據管理系統，是用戶了解管道狀況的關鍵交流媒介，在油氣管道完整性管理中至關重要。 國內的三大石油公司——中石油、中石化和中海油，在2004~2007年期間均陸續開始了數字化管道建設的探索和實踐，并逐步實現試點應用和全面推廣；目前這三大石油公司在數字管道方面已經掌握了相關技術， 并建立了數字管道系統建設的相關企業標準，管道數字建設逐漸步入成熟階段。 2016年，國家發展改革委和國家能源局提出以加強 “互聯網+”為手段，以智能化為基礎，促進能源和信息的深度融合。 在陸上油氣管道中引用了物聯網、大數據及人工智能等技術，逐漸步入智慧管道建設階段［2~6］。

陸上管道的完整性管理信息系統充分利用自動化控制、 遙感、 數據采集與監視控制系統（SCADA）、GIS及互聯網通信技術等，將管道設計建造、日常維護、監測檢測及維修搶險等各項數據進行整合，實現了管道巡線、陰極保護、事件及搶維修等業務的規范化。 通過應用物聯網、大數據分析等技術， 開展智慧管道系統建設與實踐，構建管道數據中心，多系統共享實時信息，數字化管道系統與SCADA、視頻監控、泄漏報警及智能陰保等專業系統集成，通過多系統融合，深入發掘數據價值，不斷強化系統的自學習、自適應、自決策能力，并建設成為具有全面感知、自動預判、智能優化的智慧管道［7~9］。

2 海底管道完整性管理系統和應用實踐

引入物聯網、大數據分析等先進技術，建立智慧管道系統， 已成為陸上油氣管道完整性管理的發展趨勢，也將成為海底管道未來的發展趨勢。

海底管道運營過程中，SCADA系統、 泄漏監測系統及AIS等均產生了大量數據， 但是由于各監測系統都相對獨立，無法在一個系統上同時呈現所有的監測量，不利于對海底管道狀況進行更加系統和全面的分析。 建設智慧海底管道的基礎是實現數字化和信息化，整合分散的數據、技術力量及監測系統等，對來自不同信息源的信息或數據進行組合、合并，形成統一的數據聚合平臺，進而促進有效決策的形成。

2.1系統功能設計

基于數據聚合的海底管道完整性管理系統（圖1）可實現：海底管道各類歷史數據、內外檢測數據和維修維護數據的信息化表達；依據國內外相關技術規范，對管道內外缺陷和危害因素的發展規律進行預測， 并進行量化的可視風險表達；根據海底管道生產運行的安全管理和應急處置的需求，從檢測計劃、隱患管理和管道事件應急處置方面支持海底管道的安全生產決策。

圖1 海底管道完整性管理系統功能結構

2.1.1管道數據平臺

管道數據平臺是海底管道完整性管理的基礎，為所有數據提供儲存庫，包括管道特征數據（管徑、壁厚、材料、防腐層及配重層等）、管道狀態數據（運行溫度、壓力、介質、內檢測數據、外勘數據、腐蝕掛片及緩蝕劑等）和外接數據（環境參數、船只活動數據（歷史統計數據）、AIS、雷達及應急資源等）。

基于中海油已經開發的海底管道信息應用平臺， 通過數據接口融合SCADA生產運行數據、環境數據、AIS數據及雷達數據等，形成完整統一的海底管道數據平臺。

2.1.2通航風險分析模塊

通過AIS和雷達數據接口， 結合海底管道所在海域年度船只活動數據和海底管道特征數據與狀態數據，依據DNV RP F107［10］等規范，計算分析各管段船只落錨、拖錨等風險。

2.1.3管道懸跨風險評估模塊

根據管道外勘數據，結合管道特征數據和狀態數據，依據DNV RP F101、DNV RP F105規范的要求，對管道懸空和振動的風險進行評估。

2.1.4管道完整性評價模塊

管道完整性評價模塊從兩個方面考慮：針對有詳細內檢測數據的管道，依據管道缺陷評價相關的標準規范 （API RP 1160、ASME B31.G及BS 7910等）進行；對于沒有詳細內檢測數據的管道，選擇相應的替代方法進行評估，如內腐蝕直接評價（NACE 0206、NACE 0208等）。

2.1.5應急支持模塊

應急支持模塊主要是收集、匯總海底管道的應急預案、 處置方案等信息和相關的經驗報告，使得在應急狀態下，能夠迅速反應、快速決策、正確處置，以減少事故帶來的損失。

2.2通航風險分析模塊的應用實踐

通過危害辨識可知，通航活動對海底管道潛在的危害包括： 船只在管道上方未經許可拋錨、沉船事故和船舶擱淺撞擊管道；其中未經許可拋錨對海底管道的主要破壞模式為錨撞擊管道和錨拖拽管道，文中僅對拋錨撞擊管道的風險進行分析。

2.2.1通航風險分析方法

在管道運行過程中發生的損傷事故可分為：小損傷（D1），損傷既不要求修理也不會產生介質泄漏；中等損傷（D2），損傷要求維修，但不會導致介質泄漏；主要損傷（D3），損傷導致介質泄漏。

落錨撞擊管道的概率EHit由下式計算：

式中 FDrift——漂移的頻率；

Nship——可能拋錨的船只數量；

PHit——拋錨撞擊到管道的概率；

PHuman——沒有在管道附近緊急拋錨的概率；

PLoss——進行拋錨操作時全體人員失去對錨的控制的概率。

2.2.2管道保護能力分析

根據DNV RP F107， 落錨的有效沖擊能量EE可由下式計算：

式中 EA——水動力增加質量對應的能量，kJ；

ET——落錨的終端速度對應的動能，kJ；

m——落錨的質量，kg；

ma——附連水質量，kg；

vT——錨在水中的最終速度，m/s。

穿越航道或漁業活動頻繁區域的海底管道，一般要進行埋深設計，回填土、堆石等以吸收落錨沖擊能量，保護管道安全；部分海底管道設計了混凝土配重層，也可以吸收落錨沖擊能量。 根據DNV RP F107，可以計算出回填材料、混凝土配重層及管道變形等吸收的落錨沖擊能量，其中回填材料吸收落錨沖擊能量Ep的計算式為：

式中 Ap——墜落物體的投影面積，m2；

D——墜落物體的直徑，m；

Nq、Nγ——承載力系數；

z——穿透深度，m；

γ′——回填物的單位有效重力，kN/m3。

最后， 落錨對管道的沖擊能=落錨的有效沖擊能量-（混凝土配重層吸收的能量+沙土層吸收的能量）， 由此可以判定管道是否會受到落錨沖擊的影響和管道可能受損傷的類型。

2.2.3應用實踐

為了細化海底管道不同區域的風險，首先對海底管道進行分段，按照管道特征數據（如壁厚）變化、環境（如海床類型）變化及管道配件（如閥）等對管道進行分段。 海底管道完整性管理系統可根據設定的屬性對管道進行分段。 針對海底管道某一管段，通過分析該管段海域的船只活動情況歷史數據，結合管道的特征數據，可計算得到該管段落錨撞擊的風險概率。 圖2為某管道各里程位置落錨撞擊管道的概率。

圖2 海底管道落錨撞擊管道的概率分分布

如上所述的落錨撞擊管道的概率是通過分析該海底管道所在海域的船只活動情況歷史數據計算得到的，這些歷史數據由AIS數據獲得。 但是由于大量噸位較小的船只或者漁船都沒有裝配AIS設備，或者有些船只人為關閉AIS設備、AIS設備出現故障或未安裝標準AIS設備， 因此AIS設備將無法接收到這些船只的位置信息，這將導致AIS記錄的歷史數據與實際的數據存在一定的差距。

基于數據聚合的海底管道完整性管理系統的通航風險分析模塊中， 集成AIS設備收集的船只信息和雷達設備掃描的信息生成船只動態信息圖，結合海底管線的位置信息，可實時監控潛在影響區域內的船只，并存儲相關的歷史信息數據。 通過分析AIS設備收集和雷達設備掃描的船只歷史信息數據，得到海底管道所在海域實際的船只活動數據，既能實現對上述落錨撞擊管道概率的修正，又能形成各海底管道海域船只活動的數據庫。

通航風險分析模塊可實時監控潛在影響區域內的船只，根據通航船只的基本信息，可以計算得到船舶的舾裝數，并初步估計船只上配備的錨的數量和重量， 計算得出落錨的有效沖擊能量；根據管道的特征數據和狀態數據，可知具體管段的管徑、壁厚、混凝土配重厚度及埋深情況等，可計算得出回填材料、混凝土配重層及管道變形等吸收的落錨沖擊能量；進而可以計算得出管道保護能力， 并判定管道可能發生的損傷等級。 對海底管道潛在損傷等級為D2或D3的船只，將及時進行預警，與船只進行溝通或干預，防止落錨損傷管道的情況發生。

3 結論

3.1構建了海底管道數據平臺，包含了管道特征數據、管道狀態數據及外接數據等。 數據平臺集成了海底管道的各類有效信息，提高了數據的利用水平， 為海底管道的完整性管理提供數據基礎。

3.2該系統包括通航風險分析模塊、管道懸跨風險評估模塊、管道完整性評價模塊和應急支持模塊，分別從第三方活動、外部環境、管道本體和突發事件應急方面提供分析和決策支持。

3.3該系統依據國內外相關技術規范，對管道的缺陷進行識別與評價， 明確缺陷風險的來源、 等級和失效機理， 并進行量化的可視風險表達。

3.4該系統對海底管道基礎數據、 日常維護數據、檢測維修數據及外部實時數據等進行有效整合，同時也可以實現管道全生命周期中的數據總結，為管道日常維護管理提供有效支持，也為新建管道提供了經驗和借鑒。

3.5通航風險分析模塊可實時監控潛在影響區域內的船只，依據相關規范，結合海底管道的特征數據和狀態數據，可詳細計算明確船只與各管段交叉風險，判斷管道的保護能力和可能發生的損傷等級，實現提前干預，防止船只在管道周圍落錨，保護管道。

3.6該系統能夠整合海底管道完整性與安全運營相關數據，有利于建立海底管道各數據之間的相關性，為將來引入專家診斷、大數據分析等提供了基礎，可實現降低海底管道風險、提高運營效率的目標。