大數(shù)據(jù)時代油氣管道的安全與防護

袁鵬斌，劉鳳艷，舒 江，劉乃勇，姜文寬

（1.上海海隆石油管材研究所，上海 200949；2.盛隆石油管檢測技術有限公司，上海 200941）

隨著管道服役時間的增長，多種原因將導致管壁腐蝕增多，使管道的承壓能力降低而帶來安全隱患［1］。為了保證管道的安全高效運行，必須采用多種方法對管道進行檢測以及安全評價。目前廣泛使用的管道檢測方法主要有以陰極保護為主的管道外檢測技術和以漏磁檢測、超聲檢測為主的在役長輸油氣管道內檢測技術［2－4］。根據(jù)管道檢測結果，采用ASME B31G、DNV RP－F101 等標準對被測管道進行完整性評價［5－6］，確定管道是否需要進行維修、降壓運行或者更換。

每種檢測技術、評價方法均有優(yōu)缺點，不能完全解決管道安全問題，只有對多種檢測數(shù)據(jù)進行綜合分析，才能全面掌握管道安全現(xiàn)狀；所以，對由管道基本數(shù)據(jù)、外檢測數(shù)據(jù)、內檢測數(shù)據(jù)、管道評價數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)組成的管道大數(shù)據(jù)的研究和分析，將成為管道安全高效運行新的發(fā)展方向。

1 大數(shù)據(jù)概述

隨著互聯(lián)網技術的迅猛發(fā)展，各行業(yè)和領域所產生的數(shù)據(jù)種類與數(shù)量飛速增長，以油氣管道為例，管道的生產、運營、維護都將產生大量數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)整合處理并應用于管道管理必將是未來的發(fā)展趨勢，一個大規(guī)模生產、分享和應用數(shù)據(jù)的管道大數(shù)據(jù)時代正在開啟。

1.1 大數(shù)據(jù)的概念

世界上最早洞見大數(shù)據(jù)時代發(fā)展趨勢的數(shù)據(jù)科學家維克托·邁爾舍恩伯格指出，大數(shù)據(jù)是指某個現(xiàn)象的全部數(shù)據(jù)，而不是部分抽樣數(shù)據(jù)［7］。

以管道安全為例，在信息處理能力受限的小數(shù)據(jù)時代，為提高數(shù)據(jù)分析效率，降低工作量，只對某一種檢測方法中部分超過報告閾值的缺陷進行分析和處理，希望通過最少的數(shù)據(jù)獲得最多的管道安全信息。而在大數(shù)據(jù)時代，隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)處理能力的增強，管道大數(shù)據(jù)不是來源于某一種檢測方法，而是制管、焊接、鋪管等管道基本數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、多種檢測數(shù)據(jù)、完整性評價數(shù)據(jù)、風險評價數(shù)據(jù)等與管道安全相關的所有數(shù)據(jù)的總和。

對大數(shù)據(jù)的深入探討，能夠將影響管道安全的各類因素相結合，更準確地分析管道的安全狀況，并避免了因忽略細節(jié)信息，不能對某些問題深入研究的情況。

1.2 大數(shù)據(jù)的混雜性

大數(shù)據(jù)時代更注重數(shù)據(jù)的混雜性而不是精確性。小數(shù)據(jù)時代，信息量較少，任何數(shù)據(jù)都會影響結果，必須確保數(shù)據(jù)的精確性。大數(shù)據(jù)時代隨著數(shù)據(jù)量攀升，錯誤數(shù)據(jù)不可避免，但大量數(shù)據(jù)可以彌補數(shù)據(jù)中的誤差和錯誤；研究表明，對同一問題的分析，基于大量數(shù)據(jù)的簡單算法比基于小數(shù)據(jù)的復雜算法更高效，此外，大數(shù)據(jù)可以分析更多的研究對象。

以管道內檢測器的里程輪裝置為例；如果內檢測器只安裝一個里程輪，為保證里程信息的精確性，必須確保該里程輪在檢測過程中不發(fā)生磨損等周長變化和打滑現(xiàn)象；如果內檢測器中安裝多個里程輪，當某個里程輪脈沖出錯時，可以切換信號通道，將正確的里程信息記錄到測量數(shù)據(jù)中。同時，對里程輪信號與管道中的實際情況進行綜合分析，還可以分析出里程輪磨損和打滑的原因。

1.3 大數(shù)據(jù)的相關性分析

大數(shù)據(jù)的核心是通過數(shù)據(jù)的相關關系預測事物的發(fā)展規(guī)律。大數(shù)據(jù)能夠預測未來的關鍵在于能夠準確找到關聯(lián)物，通過監(jiān)測關聯(lián)物的變化，預測目標可能發(fā)生的變化。

小數(shù)據(jù)時代，關聯(lián)物的選擇主要根據(jù)理想情況下的理論分析，將主要因素或是公眾普遍認為的因素作為關聯(lián)物，再收集數(shù)據(jù)對理論和關聯(lián)物進行驗證，通常存在理論驗證困難及對實際情況考慮不周等問題。大數(shù)據(jù)時代，關聯(lián)物是通過數(shù)學和統(tǒng)計學方法對大量實際數(shù)據(jù)進行相關關系分析的結果，可以分析出主要因素和不受公眾重視的或理論分析范圍外的非主要因素對被監(jiān)測目標的影響，該方法更加準確、快捷、貼合實際，不受傳統(tǒng)思維的影響，分析結果可以為理論研究提供參考依據(jù)。

以陰極保護為例，理論研究表明高壓輸電線路、交流電氣化鐵路會使管道產生交流干擾，但根據(jù)對多處管道維護經驗，地面運行的地鐵對管道的影響較小，而地鐵維修基地因鐵軌絕緣不良、接地不良、觸網絕緣不良等問題，附近管道交流干擾腐蝕嚴重［9］。大數(shù)據(jù)的相關性分析找到了導致管道交流干擾腐蝕的主要原因是管道與地鐵平行或就近敷設，也找到了不受公眾重視的鐵軌絕緣不良、接地不良、觸網絕緣不良等非主要因素，根據(jù)分析結果，可以對受交流干擾的管段進行風險排序，預測其他受交流干擾管段的腐蝕情況，同時也為研究鐵軌絕緣不良、接地不良、觸網絕緣不良會導致交流干擾的原因奠定基礎。

明確大數(shù)據(jù)的應用價值，需要根據(jù)管道運行的實際情況，分析建立管道大數(shù)據(jù)的可行性。

2 建立管道大數(shù)據(jù)的可行性分析

管道大數(shù)據(jù)主要包括管道基本數(shù)據(jù)、外檢測數(shù)據(jù)、內檢測數(shù)據(jù)、管道評價數(shù)據(jù)等。

2.1 管道基本數(shù)據(jù)

管道基本數(shù)據(jù)包括管道材質、生產工藝、連接方式、渡涂特征、內／外徑、壁厚等管道制造參數(shù)，輸送介質、設計壓力、最大允許操作壓力、工作壓力／溫度范圍、彎頭、三通、閥門等管道設計參數(shù)，焊接方法、埋深、管道穿／跨越情況等鋪設數(shù)據(jù)，管道是否進行過清管／檢測、檢測設備、檢測時間、是否進行維修、維修情況等管道歷史數(shù)據(jù)以及其他與管道安全相關的基礎數(shù)據(jù)。

筆者目前已開展鋼管生產和海底管道鋪設業(yè)務，可以提供管道制造和鋪設數(shù)據(jù)，管道設計參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)可以在開展管道內檢測的基本信息調查時獲取，因此，管道基本數(shù)據(jù)可以收集。

2.2 管道外檢測數(shù)據(jù)

管道外檢測主要包括防腐層檢測、陰極保護效果檢測及管道附近環(huán)境監(jiān)控。外檢測技術可應用于長輸油氣管道和城市管網等多種類型管線的檢測。

2.2.1 防腐層檢測

防腐層地面檢漏包括電流衰減法、電位梯度法，其中電流衰減法的原理是：對管道施加交流信號，在管道周圍形成感應電磁場，通過接收機測量管道中的等效電流大??；當管道防腐層存在破損或缺陷時，電流因從破損或缺陷處流失而衰減，磁場強度急劇減小，接收機信號發(fā)生變化，實現(xiàn)對破損點的定位。電位梯度法原理是向管道施加特定檢測信號，當管道防腐層存在破損或缺陷時，破損點與土壤之間會形成電壓差，且在接近破損點時電壓差最大。

防腐層破損易造成管體腐蝕，對防腐層進行檢測、維修可有效防止腐蝕繼續(xù)發(fā)展，對防腐層破損處進行土壤腐蝕性檢測，可以監(jiān)測管道附近環(huán)境情況，為管道評價提供參考。

2.2.2 管道陰極保護

陰極保護是防止管道在電解質中發(fā)生腐蝕的電化學保護技術，主要分為犧牲陽極陰極保護和強制電流陰極保護，犧牲陽極陰極保護輸出電流較小，只適用于保護電流在1A 以下、土壤電阻率小于100Ω·m 的埋地管道；強制電流陰極保護輸出電流可調，有效保護范圍大，保護裝置壽命長，是油田管線和長輸干線電化學保護的主要選擇，管道的陰極保護系統(tǒng)還能有效彌補防腐層存在的缺陷。

管道防腐層和陰極保護系統(tǒng)會受到復雜干擾因素的影響，降低管道防護的能力。

2.2.3 雜散電流排流技術

油氣管道與高壓輸電線路、交流電氣化鐵路平行或接近敷設時，管道上會因為靜電場、地電場、磁感應耦合的存在產生交流雜散電流干擾，使管道發(fā)生交流腐蝕，增加陰極保護難度［8］。

雜散電流可通過檢測交流干擾電壓進行測量，其中遠程遙測技術可實現(xiàn)24h實時連續(xù)監(jiān)測，可及時、有效地發(fā)現(xiàn)管線中受到雜散電流干擾等電位異常情況，并根據(jù)雜散電流的運行規(guī)律查找雜散電流干擾源。當交流干擾電壓超過4V 時，必須采取干擾防護措施。筆者采用角鋼接地、屏蔽線、犧牲陽極帶、固態(tài)去耦合器聯(lián)合使用的方法對上海某天然氣管道進行雜散電流排流保護，排流效果按正電位平均值下降程度進行評定。

式中：ηv為正電位平均值比，表征排流前后正電位平均值下降的程度，ηv越大，排流保護的效果越好；V1、V2為排流前后的正電位平均值。

管道排流前后電位圖如圖1所示。1號排流點排流前正電位平均值為0.115V，排流后正電位平均值為0V，正電位平均值比為100%，2號排流點排流前正電位平均值為0.140V，排流后正電位平均值為0.002V，正電位平均值比為98.6%。說明該排流方法排流效果顯著，達到標準要求。目前遠程遙測技術和排流技術已應用于上海城市管網的外檢測項目中，每年進行660kM 的高壓天然氣管線檢測。

圖1 排流前后電位分布

管道外檢測可以得出土壤腐蝕性數(shù)據(jù)、管道防腐層數(shù)據(jù)、陰極保護數(shù)據(jù)、第三方破壞情況及管道周邊的干擾情況等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是影響管道安全的非主要因素的重要來源。

2.3 管道內檢測數(shù)據(jù)

2.3.1 漏磁檢測技術

漏磁檢測技術根據(jù)磁感線在存在缺陷的管壁分界面上會發(fā)生“折射”產生漏磁通的原理，采用霍爾元件測量軸向、徑向、周向漏磁通的大小，判斷管壁缺陷的類型及尺寸。漏磁檢測器采用里程輪跟蹤系統(tǒng)和地面標記對缺陷進行定位。管道漏磁內檢測器如圖2所示。

圖2 漏磁內檢測器

圖2所示為筆者與德國NDT 公司合作的高精度管道漏磁內檢測器，適用管道外徑為76.2～1 066.8mm，適用溫度為－20～80℃，適用速度為0～6.2m／s，最大運行壓力為10.342～22.408MPa，可運行時間為30～400 h，可檢測距離為24～1 046km，可檢測壁厚為2.08～25.4 mm，最大曲率為1.5D～10D，D為管道外徑。

通過對檢測數(shù)據(jù)的分析，可以得出管道的焊縫編號、里程等焊縫數(shù)據(jù)［9］，三通、彎頭、閥門等管道附件數(shù)據(jù)，腐蝕長度、深度、寬度、里程、周向鐘點、內／外壁分布等缺陷數(shù)據(jù)，腐蝕缺陷沿里程的分布數(shù)據(jù)，以及缺陷按照類型、深度等參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。內檢測之前，需要對管道進行變形檢測，可以得出凹陷和橢圓度變形數(shù)據(jù)。

2.3.2 超聲波檢測技術

超聲波檢測技術可以分為金屬損失檢測和裂紋檢測。金屬損失檢測是根據(jù)超聲波測厚原理，通過測量管道壁厚的變化，判斷管壁中是否存在缺陷的方法。超聲波裂紋檢測是采用45°斜入射的剪切波對管壁進行檢測，避免了因垂直入射導致軸向裂紋反射面小的問題。管道超聲波內檢測器如圖3所示。

圖3 超聲波內檢測器

圖3所示為筆者與德國NDT 公司合作的管道超聲波內檢測器，該檢測器可檢測管徑為152.4～1 219.2mm的管道，同時可定制特殊管徑的超聲波檢測器。該檢測器環(huán)向分辨率可分為7.5，5.5，4mm的標準分辨率、高分辨率和超高分辨率，不同分辨率探頭組如圖4所示。

圖4 不同分辨率探頭

如圖4所示，標準分辨率、高分辨率、超高分辨率檢測器中每個探頭組分別包含8個、12個、16個傳感器。超聲波檢測器通過增加傳感器數(shù)量和改變傳感器排列方式來提高檢測分辨率。與市場其他產品相比，該檢測器檢測速度更快，可在檢測過程中減少產品損失；檢測器長度更短，可減少收發(fā)球筒的改造，能夠同時檢測腐蝕和裂紋，提高檢測性價比，檢測后數(shù)據(jù)處理速度快，可縮短出具報告時間。

管道漏磁檢測與超聲波檢測相比具有檢測速度快，不限制介質種類，對管道內清潔度要求低等優(yōu)點。與漏磁內檢測相比，超聲波檢測具有檢測精度高，可靠度高，機械靈活性好，適用壁厚范圍大等優(yōu)點，可以彌補漏磁檢測不能識別裂紋、軸向溝槽缺陷及管壁中存在的缺陷等缺點，可以避免因漏磁檢測精度低造成的誤開挖問題。管道漏磁內檢測器與超聲波檢測器配合使用，可以為管道大數(shù)據(jù)提供更加精確的腐蝕缺陷數(shù)據(jù)和裂紋數(shù)據(jù)。管道基本數(shù)據(jù)、變形檢測數(shù)據(jù)、內檢測數(shù)據(jù)共同構成了管道大數(shù)據(jù)的主體。

2.4 管道評價數(shù)據(jù)

管道評價主要包括完整性評價和風險評價。完整性評價主要根據(jù)管道的腐蝕缺陷參數(shù)及管道參數(shù)，采用某種評價標準，計算出被檢測管道的剩余強度、金屬腐蝕生長率、剩余壽命、再檢測周期等參數(shù)，并根據(jù)評價結果確定管道是否需要維修以及采用何種維修方法［10］。管道完整性評價可以確定管道是否可以繼續(xù)使用，做出運行、修補及更換的決定，從而確保含有缺陷的管道能繼續(xù)安全運行。風險評價是根據(jù)管道的運行情況，分析管道中可能出現(xiàn)的問題、出現(xiàn)問題的概率、出現(xiàn)問題的后果及風險水平，是石油天然氣管線安全管理、檢測技術選擇的前提，是確定檢測重點的基本方法。

對管道進行評價需要收集的管道數(shù)據(jù)種類繁多，數(shù)量龐大，評價結果對管道的安全高效運行意義重大，目前管道評價技術已經廣泛應用于我國油氣管道的安全管理中。

3 管道大數(shù)據(jù)應用

（1）克服完整性評價標準的保守性。完整性評價標準的評價結果與爆破試驗相比更加保守，造成管道輸送效率降低，維修成本增大。管道大數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)的相關性分析，找出完整性評價結果與管道安全狀況之間的關系，以及影響評價標準保守性的因素。根據(jù)相關性分析結果，修正評價結果，調整維修策略，節(jié)約維修成本。通過對影響因素進行理論分析，對評價標準進行修正，從理論上克服評價標準的保守性。

（2）提高風險評價準確度。管道風險評價常采用專家打分和失效風險樹等方法，這些方法可以在一定程度上預測管道存在的風險情況，但在評價過程中將部分風險項理想化，評價結果在一定程度上依賴于評價人員的主觀意識和經驗?；诠艿来髷?shù)據(jù)的風險評價建立在實際數(shù)據(jù)基礎上，能夠克服理想情況與實際情況之間的誤差，克服主觀意識對評價結果的影響。

（3）預測管道未來安全狀況。管道大數(shù)據(jù)可以準確分析影響管道安全的主要因素及次要因素，通過對管線中各類影響因素的分布情況進行分析，可以實現(xiàn)對整條管線安全狀況的預測和排序。

管道大數(shù)據(jù)的應用可以克服完整性評價標準的保守性，修正管道評價標準，提高風險評價準確度、預測管道未來安全狀況，為管道的安全與防護開啟新的篇章。未來管道安全防護方面思維的轉變、商業(yè)價值的推動、管道數(shù)據(jù)的公開以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析技術的發(fā)展將是管道大數(shù)據(jù)應用過程中亟待解決的關鍵問題。

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