數字孿生在長輸油氣管道無損檢測中的應用

安志彬

(中國石油天然氣管道科學研究院有限公司,河北 廊坊 065000)

0 引言

我國是能源消費大國,也是能源進口大國,油氣資源的輸送很大程度依賴于長輸油氣管道。由于油氣資源的特殊性和管道運營環境的多變性,長輸油氣管道運行的安全問題越來越受到人們的關注。傳統的管道無損檢測方法包括超聲波檢測、磁粉檢測、渦流檢測等。這些方法雖然可以檢測出管道的表面缺陷,但是不易檢測出微小及隱蔽缺陷,也無法進行缺陷預測。此外,這些方法需要人工解析缺陷的位置、大小、形狀等參數,對操作者的技能和專業知識要求較高。因此,對于管道安全運行評估,需要借助新型的檢測手段和技術。

數字孿生技術是近年來興起的一種新型技術,是從物理實體(如機器、系統或進程等)的設計、制造、操作等過程中實時獲得的大量數據,然后通過數字方法分析、處理和集成這些數據,形成與之相對應的虛擬實體的一種技術。數字孿生技術不僅可以在生產設計過程中進行優化預測,對于實體的運行維護也具有重要意義。由于數字孿生技術具有精度高、可重復性好、時效性強、成本低等優點,因此被廣泛應用于管道設計和生產中[1-2]。

1 數字孿生技術的基本概念和研究進展

1.1 數字孿生技術的基本概念

數字孿生技術是將實體的信息建模為數字信息,并利用這些數字信息來模擬實體的運作狀況、影響和結果的技術。數字孿生技術由數學模型、傳感器、機器學習和實時模擬等核心技術組成,與傳統的仿真技術相比[3],具有以下優勢:

數字孿生技術數據來源豐富。傳統仿真技術主要是設計師根據經驗和參數估算效果,而數字孿生技術可以利用生產過程中實時獲得的大量數據,實現數據的實時更新和數據共享。

數字孿生技術精度更高。數字孿生技術可以在數字模型中完整地反映物理實體的細節、結構和特征,可以在數字孿生中更加精確地模擬物理實體的運轉狀況和效果。

數字孿生技術可重復性更好。數字孿生技術的數學模型可以更新和迭代,更好保證預測結果的穩定性和可靠性。

1.2 數字孿生技術的研究進展

自從2003年微軟公司提出數字孿生的概念以來,數字孿生技術得到了廣泛關注和應用。在工業領域,數字孿生技術可以通過數字化物體來幫助企業在設計、生產和維護過程中優化生產效率和品質;在醫療領域,數字孿生技術可以模擬人體器官和疾病,幫助醫生準確診斷病癥,制定個性化治療方案;在教育領域,數字孿生技術可以模擬歷史事件、物理實驗和化學反應等,幫助學生更好地理解概念和現象;在市政和城市規劃領域,數字孿生技術可以模擬城市遷移、土地利用和交通流量等,幫助城市規劃者設計出更加合理的城市規劃方案。

2 數字孿生技術與管道無損檢測應用的結合

管道無損檢測是安全運營的必不可少的環節,如何引入數字孿生技術減少運行安全風險,降低管道維護成本,需要分析數字孿生技術能夠在哪些方面對目前傳統的檢測進行改進提升,并建立管道的數字孿生模型,發掘數字孿生技術與管道無損檢測技術的結合點,真正意義上打造數字管道、智慧管道。

2.1 數字孿生技術在管道無損檢測中的關鍵技術

數字孿生技術應用于長輸油氣管道的無損檢測過程,關鍵技術主要體現在以下3個方面。

2.1.1 數據融合和預處理

數字孿生技術可以對管道的實際情況進行數字化處理,并對管道的設計參數數據、各類傳感器數據、視頻圖像數據等進行融合和預處理。通過對管道的數字化處理,可以準確記錄管道的幾何形態和物理特性,生成管道運行的參數庫。

2.1.2 缺陷檢測與定位

基于建立的合適數學模型,數字孿生技術將管道運行數字信息與已知的管道缺陷、異常等數據進行比對和分析,可以準確地檢測管道的缺陷并定位其位置、尺寸和形態,減少管道發生事故的風險。

2.1.3 安全評估與預測

數字孿生技術可以對管道的安全性進行評估和預測,對不同工況下的管道運行安全性進行模擬,預測管道未來發生事故的可能性和風險程度,從而及時采取措施進行修復和維護,提高管道的安全性和可靠性。

2.2 數字孿生技術在管道無損檢測中的應用案例

下面從實際應用案例出發,探討數字孿生技術在長輸油氣管道無損檢測中的應用場景。

2.2.1 數字孿生技術在管壁厚度檢測中的應用

在長輸油氣管道中,管道壁厚是非常關鍵的參數之一。管壁增厚或者減薄都會對管道的安全運行產生重要影響。傳統的管壁厚度檢測方法主要依靠人工檢查,效率低、檢測精度有限。而數字孿生技術可以通過傳感器在線布局、建立數學模型對壁厚實施快速、精準地監測。一旦發現異常,數字孿生技術可以及時告警并提供管道維修建議。

2.2.2 數字孿生技術在管道泄漏檢測中的應用

長輸油氣管道泄漏是管道運行過程中的一大隱患,一旦發生泄漏就會對環境安全造成嚴重破壞。傳統的泄漏檢測方法往往需要人員長時間巡檢或運用成本高昂的設備進行監測,而數字孿生技術可以在管道建模時預設泄漏判定規律,通過實時采集管道的壓力流量等數據進行泄漏監測。一旦泄漏情況發生,數字孿生技術可以通過數學模型反演出泄漏口的位置、泄漏量等關鍵信息,從而實現準確的泄漏監測。

2.2.3 數字孿生技術在管道腐蝕檢測中的應用

長輸油氣管道的腐蝕問題一直是影響管道安全運營的重要問題。傳統的管道腐蝕檢測方法主要是人工巡檢或通過放射性同位素檢測腐蝕程度,而這些方法不僅效率低、檢測精度有限,同時放射性物質存儲和使用還存在著較大的安全隱患。數字孿生技術可以利用數學模型來建立管道的腐蝕規律,通過實時的數據采集和處理,準確預測管道腐蝕程度并提供修復建議。

2.3 數字孿生技術在長輸油氣管道無損檢測中的流程

數字孿生技術在長輸油氣管道無損檢測中的流程如圖1所示。

圖1 長輸油氣管道無損檢測中數字孿生技術應用流程

2.4 數字孿生技術在管道無損檢測中的優勢

在管道無損檢測中應用數字孿生技術,可以實現對管道運行狀況的預測,可以有效降低運行風險,顯著優點如下[4]。

2.4.1 提高檢測精度

數字孿生技術的應用可以對管道真實運行情況進行動態數字展示,提高管道無損檢測的實時性和準確性。建立數學模型,通過數字孿生技術可以對管道進行缺陷檢測和準確定位,同時可以對損傷的發展趨勢進行預測,為決策判斷提供參考依據。

2.4.2 增強管道運行安全性

在管道運行安全領域,數字孿生技術可以為管線運維提供全生命周期的智能化管理。通過對管道系統的日常運行狀態進行數據采集和監測,數字孿生技術可以實現對管道系統全面、實時的三維建模和數據分析,并且根據建模結果對管道運行狀態進行預測和優化。數字孿生技術還可以為管道系統的巡檢、維修、保養提供數據支持和決策參考,同時也能夠在發生安全事故時提供現場應急指導和救援支持。

2.4.3 提高管道經濟性

數字孿生技術的應用可以大大降低管道的維護成本和管理成本,提高管道的經濟性。通過對管道進行實時監測和數據分析,可以及時發現管道存在的問題并進行修復,避免管道出現大規模的損傷和事故,從而降低管道的維護成本和管理成本。

2.5 數字孿生技術在無損檢測中的挑戰

雖然數字孿生技術在長輸油氣管道無損檢測的應用中具有很大的優勢和潛力,但是也面臨一些挑戰和難點[5],主要表現在以下3個方面。

(1)數字孿生技術需要獲取高精確性和準確性的數據,否則會影響到評估預測的可靠性和有效性。數字孿生模型必須能夠真實復現待檢測管道的物理性質、材質、幾何形狀、缺陷特征等各個方面的細節。然而,在實際應用中,由于長輸管道的復雜性以及獲取數據的限制,數字孿生模型的建立和驗證難度較大。

(2)數字孿生技術在無損檢測中應用還面臨著數據獲取和存儲的挑戰[6]。模型構建和訓練需要大量的數據,涉及各類傳感器、計算機視覺以及無損檢測儀器設備等,需要投入大量的時間和資金成本以及專業人員。此外,數據的存儲和處理也需要專業人員操作,并考慮數據安全保密需求,否則可能會引發數據泄露等問題。

(3)在實際應用中,數字孿生技術還需要克服一些軟硬件的限制。例如,在硬件上,數字孿生技術需要使用高性能的數據采集設備和處理器,以處理大量的數據和復雜的算法。在軟件上,數字孿生技術需要應用先進的算法和技術,以實現精確度和可靠性。此外,數字孿生技術需要采集和分析大量的數據,才能得出準確的結果。因此,為了在無損檢測中更好地應用數字孿生技術,需要不斷進行技術創新和優化,以提高數字孿生技術的性能和可靠性。

3 數字孿生技術在無損檢測中的總結與展望

本文介紹了數字孿生技術的概念以及研究進展,并針對如何在長輸油氣管道無損檢測領域中引入數字孿生技術進行了探討,通過實際案例說明,在長輸油氣管道無損檢測方面,數字孿生技術有著非常大的應用前景。

未來隨著科技的不斷發展,數字孿生技術的應用可以對長輸管道進行數字化監測、預測和維護,降低管道的維護和管理成本,提高管道的安全和可靠性;數字孿生技術可以與人工智能技術進行深度融合,建立管道的智能安全預警系統,實現對管道的自動監測和預警,對潛在的安全風險進行及時告警和處理;數字孿生技術的應用可以通過云平臺的構建和應用,實現對管道數據的集中管理和共享,加強數據的安全和隱私保護,便于數據的全面分析和處理,從而提高管道的運行效率和安全性。數字孿生技術在長輸油氣管道無損檢測領域有著非常廣闊的應用前景。

隨著科技的不斷發展,數字孿生技術已經在很多行業得到了廣泛應用。在長輸油氣管道無損檢測方面,數字孿生技術也有著非常大的應用前景。數字孿生技術的應用可以對長輸管道進行數字化監測、預測和維護,降低管道的維護和管理成本,提高管道的安全和可靠性。數字孿生技術可以與人工智能技術進行深度融合,建立管道的智能安全預警系統,實現對管道的自動監測和預警,對潛在的安全風險進行及時告警和處理。數字孿生技術的應用可以通過云平臺的構建和應用,實現對管道數據的集中管理和共享,加強數據的安全和隱私保護,便于數據的全面分析和處理,從而提高管道的運行效率和安全性。因此,數字孿生技術在長輸油氣管道無損檢測領域的應用前景非常廣闊。