天然氣長輸管道搶修作業數字化展望

王志方

[摘 ? ?要] 隨著國內天然氣需求量的快速增長，天然氣長輸管道的運行保供任務越來越重，對管道搶修作業的時效性也提出了越來越高的要求，實現搶修作業數字化越來越迫切。作業數字化不僅縮短搶修時間且大幅提高作業質量和作業安全。文章以管道換管搶修作業為例，在分析目前作業過程的基礎上提出了各工序實現數字化的可行性和方向，為搶修作業信息化、自動化、數字化的研究提供了指導。

[關鍵詞] 天然氣管道;搶修;換管作業;數字化

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 19. 043

[中圖分類號] F270.7 ? ?[文獻標識碼] ?A ? ? ?[文章編號] ?1673 - 0194（2020）19- 0103- 02

1 ? ? ?引 ? ?言

隨著我國經濟的發展，國內天然氣需求量快速增長，長輸天然氣管道建設步伐加快。隨著管線鋼技術不斷進步，采用大口徑高鋼級管道進行高壓輸送，在有效增加了天然氣輸量的同時，也給管道搶修帶來了更多的挑戰。管道由于腐蝕、第三方、施工質量、管道材質等問題發生失效[1]，為了快速恢復生產需用最短的時間高質量完成修復，一旦發生泄漏往往采用換管的方式[2]。為了降低搶修對管道輸量的影響，對搶修作業的時效性提出了更高的要求。傳統手工操作為主的作業越來越不能滿足需求，特別是對于大口徑、高鋼級管道的換管搶修作業。隨著大數據、云計算、物聯網、人工智能的應用，以及智能管道、智慧管網的建設，搶修作業數字化的需求越來越迫切。

搶修作業數字化包括搶修作業方案的確定、搶修物資、人員的調撥和作業工序等復雜多變的信息轉變為可以度量數據，通過數字化模型進行統一處理后給出最優的解決方案[3]。以換管作業為例，某處管道發生失效后，通過搶修作業數字化平臺給出搶修作業方案并確定搶修需要的物資、人員以最快的速度到達現場，針對換管作業的各個工序[4-5]，作業坑開挖、斷管吊離、測量、下料、組對、焊接、檢測全過程通過數據的自動采集上傳至數字化平臺進行處理，數字化平臺給出具體方案反饋到作業現場，作業現場接到指令后進行作業，作業過程通過數字化平臺進行數據的收集、現場可視化監控和糾偏，最后實現用最短的時間高質量的完成作業過程。

2 ? ? ?搶修作業數字化平臺建設

搭建搶修作業數字化平臺的目的是發生突發事件后可以快速確定搶修方案及物資、人員調撥的最優方案[6]，對作業過程信息和數據進行采集，通過數據庫進行儲存，通過數據的統計分析，對作業工藝及設備參數進行處理、整合、分析，反饋并優化施工工藝和設備參數，達到作業過程的整體優化。通過人機交互界面遠程操作和監控作業過程，使作業過程安全受控。

3 ? ? ?換管作業過程數字化

3.1 ? 作業準備

當管線發生泄漏等突發事件并啟動應急響應后，換管搶修作業順利進行的前提是搶修方案的確定、物資和人員的及時到位、現場作業環境滿足要求。根據搶修方案通過數字化平臺快速調撥所需搶修物資和人員，并實時跟蹤動態進展。在物資和人員調撥過程中，同時進行現場作業坑的開挖、供電和夜間照明、指揮部的搭設等工作，通過無線通信將現場畫面實時傳遞到搶修作業平臺，同時搶修作業平臺監控的畫面和數據在應急通訊車設置監視終端，為現場指揮提供輔助決策。

3.2 ? 斷管吊離

管線完成放空和氮氣置換后，現場開始進行受損管段的斷管吊離，斷管的方式目前有冷切割和火焰切割，使用火焰切割必須確認管道內無凝析油以防發生爆燃，冷切割的方式目前有銑刀、鉆銑、金剛石繩鋸、水刀等，切管機通過控制器都可以實現數字化。受管道應力的影響，怎么能夠快速安全地把受損管段切掉并順利吊出，目前一般采用人工抽條的方式，即在切割兩道口后管段受到應力作用無法取出則增加切割一道進行抽條，實現抽條和切割的一體化。數字化控制既可以提高作業效率，又可以降低管道斷開瞬間應力釋放期間的風險。同時對管道應力的準確測量和斷開后釋放的預測，也是目前斷管作業迫切需要解決的安全問題。

3.3 ? 測量下料

精準測量是換管搶修作業順利完成的關鍵工序之一，目前普遍還是采用人工拉線、尺子測量和互相測量驗證的方式，測量準確度取決管工的技能水平和責任心。如果遇到彎管和彎頭的情況，精準的測量計算和下料耗時長、易出錯。當前有些搶修隊已嘗試使用三維激光掃描測量，通過三維激光掃描儀對斷管后的管口進行整體掃描，通過軟件進行處理得到管口及管口間的三維數據，再通過軟件進行計算得到需要下料的數據和尺寸，測量和計算快速準備，將測量計算軟件與搶修作業平臺關聯就可以遠程監控作業過程，是實現測量計算數字化的方向。

準確的測量計算數據是下料的依據，目前下料作業普遍使用火焰切割機在新管材和管件上進行切割，且利用爬管式數控管相貫線火焰切割機可實現數字化操作，但是切割后管工的打磨量比較大。將測量后計算的數據通過控制系統與機械切管機聯動實現數字化快速機械切割，則是實現下料自動化、數字化的研究方向之一。將數控機床搬運到搶修現場受大口徑管道尺寸的影響，實現起來較困難，利用鉆銑和銑刀切管機進行數字化改進再應用到搶修作業現場會更快捷。

3.4 ? 組對

搶修期間管口的組對質量直接影響焊接成功率和焊接時長，但又受管道應力、管口橢圓、壁厚差等各種因素的影響，目前搶修作業的組對往往借助于外對口器、挖掘機等設備來解決，再通過管工的反復打磨和調節，組對時間長、質量差，由此實現組對的自動化、數字化是非常迫切的，但是實現組對的數字化技術難點多，以更換管道短節為例，將切割后的短節放入自動升降和自動軸向移動的平臺上，兩端通過自動液壓外對口器進行組對，組對管口間隙、錯邊量及橢圓度要通過激光三維掃描儀進行確認，掃描后的數據通過搶修作業平臺控制系統再反饋到自動液壓外對口器，反復自動調整將可實現組對數字化，當然這需要現場的大量實踐才能真正地達到組對精度要求。

3.5 ? 焊接

實現焊接過程的數字化首先想到的是全自動焊，目前大口徑、高鋼級長輸管道施工已普及適用全自動焊，但是由于全自動焊對焊口組對質量要求高，在實際搶修作業過程中比較難實現，由此目前的換管搶修作業焊接工藝一般采用氬弧焊打底、半自動焊填充的方式。針對氬弧焊和半自動焊工藝可以通過焊接參數的采集與焊評的對比分析進行作業過程監控，監控平臺發現問題及時反饋到現場作業指揮人員和作業人員，從而實現質量監控，但是無法直接反饋到焊機進行焊接參數的自動調整和優化。如果應用全自動焊就可以實現焊接過程的數據采集、反饋和自動調整優化，不僅提高焊接質量和成功率，更是縮短了焊接時間。由此，搶修作業采用全自動焊工藝是實現數字化的發展方向，同時全自動焊還需進一步提高數字化程度，如焊口組對質量適應性、焊弧的跟蹤和微調等。

焊接前的預熱目前已經普遍推廣使用中頻加熱器，不管是進口的還是國產的中頻加熱器都已實現數字控制加熱速率和加熱溫度，通過溫度傳感器與中頻加熱器的連接，已實現自動加熱，將中頻加熱器的數據上傳至搶修作業平臺即可實現遠程監控。

焊接前的消磁目前已推廣使用大功率消磁機，利用高斯計進行磁場強度測量，通過操作人員反復調節消磁機進行消除，但耗時長且有時無法全部消除。對組對后管口間磁場規律的研究是實現消磁自動化、數字化的基礎，掌握了磁場規律后利用搶修作業平臺將數據反饋至消磁機實現數字化調節。

3.6 ? 檢測

焊接完成后焊道的無損檢測是確定搶修后能否及時恢復生產的關鍵。目前搶修作業已經推廣使用DR檢測，但是數字化影像還得通過評片員反復地觀看才能找到缺陷點，再依據標準進行評價，評片的速度取決于評片員的能力和經驗，將數字化影像底片上傳到搶修作業數字化平臺，通過專家決策系統進行自動評價是檢測數字化的發展方向，既可縮短檢測時間，又減少了人員的誤判。

4 ? ? ?小 ? ?結

目前的搶修作業還是以手工操作為主，一些信息的采集只是獨立地存放在計算機系統內，缺乏專業系統進行融合和處理。通過近幾年智能管道和智慧管網建設的發展，搶修作業正逐漸向數字化邁進，搭建數字化平臺，對數據和信息進行集成和整合，對作業過程進行自動控制。但是受搶修作業環境的復雜性和設備自動化程度的影響，距離數字化、智能化還有大量的技術難題需要攻關，如數據、知識、經驗與自動控制相融合，專家經驗輔助管理和決策指揮系統，作業過程自動感知、預測、控制和處理，系統自我改進與過程的持續優化等。

主要參考文獻

[1]曹根苗.關于長輸油氣管道應急搶修技術的研究[J].化工管理，2020（3）：87-88.

[2]寇振東. 石油天然氣管道泄漏搶修技術研究[J].中國石油和化工，2016（10）：56.

[3]譚偉業.淺談管道數字化與智能化[J].中國管理信息化，2014（18）：45-48.

[4]徐蔥蔥，姚學軍.中俄天然氣管道搶修關鍵點標準對比分析[J].石油工業技術監督，2018（1）：31-33.

[5]呂文全.長輸管道換管搶修作業工藝研究[J].化工管理，2017（3）：83.

[6]吳昀.天然氣長輸管線應急搶修決策支持系統的構建[J].現代工業經濟和信息化，2017（14）：23-25.