無人機技術在管道維護方面的應用

金 博，鄧寶剛，王衛華，汪 超

（渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司，江蘇南京 210061）

0 引言

據估算，世界范圍內的油氣管道大約有124 萬英里（200 萬千米），比如歐洲就有8.7 萬英里（14 萬千米）。傳統的管道維修方式已不能適應時代的需要，目前使用遠程控制的機器人或清管器巡邏管道并進行內部檢查已成為司空見慣的事情。

當前，管道行業可以購買各種各樣的自動化、管理、監控、維修和提高管道基礎設施和運營安全的技術。現代管線技術包括空中和海底無人機、機器人、傳感器網、人工智能、軟件、云計算等。包括北美、亞太、歐洲、中東、非洲和南美在內的全球油氣管線和運輸自動化市場，預計在2021 年至2025 年間增加約7.424 億美元。

1 外部監控

在全球范圍內，管道開發商和運營商，包括英國石油（BP）、殼牌（Shell）和埃克森（Exxon）都在利用軌道衛星、空中和海底無人機，實時監控管道的狀況。空中監測非常適合探測地質災害，例如山體滑坡、地震或河流侵蝕，不僅可以探測特定管道走廊沿線的某些地理區域，還可以探測意想不到的地方。移動平臺這種帶有熱成像技術和傳感器的有效載荷的空中無人機可以探測和監控地面微小的移動，即使每個月只有幾毫米的移動也能探測到。雖然它需要地面人員掌握大量地質和技術知識才能監測這些災害，但衛星和無人機技術可以迅速定位和識別這些威脅，因此對于確保管道安全運營至關重要。領先的管道無人機監控供應商有英國的Telespazio 公司，芬蘭的ICEYE 公司和荷蘭的Orbital Eye 公司。格拉斯哥的Balmore 公司，馬薩諸塞州的Sky X 公司和紐約的ULC 機器人公司也提供無人機監控的相關服務項目。此外，根據巴黎協議，移動平臺供應商正在采用替代燃料，包括為無人機提供液化天然氣和氫燃料電池，以及各種混合技術，以延長無人機在空中飛行的時間和距離。

2 維修機器人

傳統的管道維修方式是先讓技術人員定位并確認需要修補的位置，然后再派出維修隊進行修補作業。在過去的10 年左右，使用遠程控制的機器人或清管器巡邏管道并進行內部檢查已成為司空見慣的事情，遠程控制機器人檢查管線內部情況如圖1 所示。

圖1 遠程控制機器人檢查管線內部情況

目前第一代清管器的性能有所增強，配備有一系列傳感器、攝像機和工具以便根據需要對維修項目進行定位、識別并進行修補作業。通常，這種清管器可以清理管道、修補并密封管道內的裂紋，從而切斷潛在的泄漏。這樣就省得派人去挖管道了。使用最先進的清管器定期檢查和維修管道節省時間和資金。在某些情況下，使用機器清管器可以避免管道停工修理的巨大費用和破壞。

總的來說，使用機器人挖管道比施工人員更安全，它還能讓員工遠離管道中的有害物質。

3 HDS 技術

HDS（High frequency Dynamic Sensing，高頻動態傳感）技術將成為管道監控的新的全球標準。HDS 使用專門的光纖（不要與電信光纖混淆）沿管道全面布置，以便檢測潛在和實際的泄漏，甚至微小的針孔漏點都能檢測到。HDS 技術適合應用在原油、瀝青、天然氣、提煉產品和廢水管線中。在實踐中，傳感器沿著有通行證的管線，在自給自足的傳輸站收集和分析數據。

“事件數據”有時是通過無線方式，安全地傳輸到操作員的控制中心。被確認的警報，如完成了精準定位的音頻文件和相關的應變和溫度測量，將在幾秒鐘內到達控制中心。這些技術可以識別管道泄漏的特征，如山體滑坡、地震或洪水等地質工程事件，以及附近的挖掘、干擾活動和森林火災等安全侵入事件。加拿大領先的管道運營商Enbridge 管道，是HDS 技術的領先使用者。

4 云計算

越來越多的石油和天然氣管道運營商正在利用云計算作為處理和分析海量數據的手段，以提高管理生產力和安全性，從而降低成本和降低風險。比如傳統的計算需要幾個月的時間來開發和分析一個“如果”情景，云計算的威力使運營商能夠在幾天內研究多組“如果”情景。通過云計算進行數據分析更加快捷、廉價，并且有助于改進管理決策，機器人檢查管線外焊縫的缺陷如圖2 所示。

圖2 機器人檢查管線外焊縫的缺陷

此外，現在可以使用基于云的處理和分析將動態實時數據與靜態基礎設施數據相關聯。一個高價值、高影響的案例是地震期間地震數據到管道位置的映射。這在俄克拉荷馬州尤其有價值，該州有超過70 000 km 的國家管理的管道，而且最近地震活動越來越頻繁。現在，俄克拉荷馬州的管道運營商可以立即實時評估地震的嚴重性和深度，如果有必要，通知監管人員，監管人員可以反過來警告和通知管道完整性專家，需要迅速檢查和修理以防止泄漏或破裂的地點。

云計算還可以降低勒索軟件攻擊的有效性，比如最近發生的侵入殖民地管道的事件，該管道不得不暫時關閉。向管道運營商提供基于云計算的服務的供應商包括總部位于西雅圖的亞馬遜子公司AWS 云服務、微軟子公司Azure 和總部位于倫敦的OMS 公司。

5 地理空間解決方案

管道開發人員經常使用地理空間管道路由軟件來確定新的或更換基礎設施的替代管道路線。這項技術對于通過分析管轄權、環境和土地所有權數據來評估許可要求是無價的。

此外，確定管道建設方法、所需材料和土地購置費用估計數的穿越和影響報告的詳細內容可以下載。這種專業軟件有助于識別和減輕環境、政治、考古和社會風險的重新安排和維護項目。評估管轄區內的挖掘或管道更換許可要求、土地所有權和地質特征（如洪泛平原）的能力，只需按一下按鈕就可以徹底改變管道路線的規劃、建設和維護。

提供管道路由軟件的公司包括Terracon 子公司、總部位于密蘇里州的Pivvot、總部位于不列顛哥倫比亞省的Trimble TILOS 管道管理軟件以及總部位于挪威的DNV。客戶包括奧杜邦、管道完整性工程師有限公司和金利·霍恩等工程咨詢公司。

現代技術減少了外地工作的時間，便利了桌面站點評估、綜合外地數據收集備選辦法和獲取專家專題說明的能力，這些技術將幫助各國升級、修復或更換其老化的管道。

隨著新的管道項目變得越來越復雜，這套新技術將被證明對于降低成本、提高生產效率和滿足更嚴格的環境法規的努力是無價的。

6 機器人在鋼管檢測中的安裝及布置

機器人在鋼管檢測中的安裝及布置主要是通過全景攝像機為4 個攝像頭，按360°均布結構，尾端按攝像機安裝接口制作帶有3 組照明燈帶的攝像機安裝支架，支架的另一端與檢測懸桿安裝連接，攝像機及燈帶線纜由相機支架出線后，順檢測懸桿穿桿布置到尾座接入。機器人自帶攝像頭及燈帶在鋼管檢測的安裝布置如圖3 所示，機器人的全景攝像機及燈帶支架在鋼管檢測如圖4 所示。

圖3 機器人自帶攝像頭及燈帶在鋼管檢測的安裝布置

圖4 機器人的全景攝像機及燈帶支架在鋼管檢測示意

7 機器人的視覺檢測傳感器

機器人的視覺檢測傳感器是采用一個相機同時實現面成像與深度測量，由面成像相機和深度測量相機組成；面成像器件是由面陣相機及相應的照明裝置或線陣掃描相機及相應的照明裝置組成；深度測量器件由結構光組成，機器人的視覺檢測傳感器如圖5 所示。

圖5 機器人的視覺檢測傳感器

8 結束語

HDS 技術將成為管道監控新的全球標準，它使用專門的光纖沿管道全面布置，能檢測到微小針孔型的漏點。云計算能夠在幾天內研究多組“如果”情景。且通過云計算進行數據分析更加快捷、廉價，并且有助于改進管理決策。地理空間管道由軟件用來確定新的或更換基礎設施的替代管道路線。該項技術對于通過分析管理、環境保護等數據來評估許可要求是無價的。