動態閉環管道完整性智能分析決策系統*

崔凱燕，王曉霖，李 明，王 勇，齊先志

(中國石化大連石油化工研究院，遼寧大連 116045)

隨著GB 32167[1]和發改能源[2016]2197號文件[2]的發布，國內管道開始全面實施完整性管理，以提升管道的安全水平[3-5]。同時，隨著發改能源[2016]392 號文[6]的發布，石油天然氣行業積極推進與“中國制造2025”、“互聯網+”國家戰略的融合創新，探索智能化發展道路[7]。管道完整性管理的需求也從計算機輔助管理逐漸向智能分析決策方向發展。

國外在完整性管理信息化建設方面起步較早[8]，形成了一系列的專業軟件，如挪威船級社的Safeti風險評價軟件，GE PII的PipeView內檢測數據分析軟件等；國內也有如中石油的風險評價軟件和完整性管理系統PIS，中石化智能化管線系統的完整性數據管理模塊等，國內學者在2010年就基于C/S的完整性管理系統方面做出了成果[9]。目前，兼具管理和專業分析決策的成熟系統有DNV GL的Synergi Pipeline[10]和英國ATP的PIMSlider[11]，均為標準版或針對國外管道開發的系統，無法滿足我國的管道特點和企業需求。

1 現狀與需求

完整性管理是一項長周期性工作，隨著完整性管理的深化實施，管道運營企業問題頻發，包括線下管理、層層任務下達和上報，從而導致工作效率低下；數據采集工作重復，批量數據冗余且無法有效管理和利用；核心業務獨立分散、專業性強，必須依賴于專業人員；地方與企業評價標準不一致，導致重復性工作；專業評價結果無法直接指導管道運營管理等。

通過調研國內外研究現狀，結合國內長輸管道、集輸管網、城市燃氣管網的特點以及完整性管理實踐，開發了基于動態數據流的完整性閉環智能分析決策系統。通過線上方式，解決完整性管理工作效率低下、數據冗余且無法有效利用、業務管理分散等問題，以提高企業完整性管理的專業水平和信息化水平。

2 系統功能架構與技術路線

完整性智能分析決策系統一方面需滿足6步閉環循環的管理功能，另一方面需要具備數據分析和評價決策功能。此外，不同企業的評價方法存在差異，管理機構設置千差萬別，故系統數據庫應具備方法指標、組織層級的可配置功能，還應具備用戶與核心業務權限管理等功能。

基于上述分析，完整性智能分析決策系統包括完整性管理系統和完整性專業評價與決策系統。管理系統基于B/S架構，功能包括數據管理、高后果區識別與管理、風險評價與管理、完整性評價管理、維修管理及效能評價與管理、業務活動等；評價與決策系統包括基于C/S的完整性評價與維修決策軟件和管道內檢測數據校驗與對齊軟件。系統架構如圖1所示。

圖1 管道完整性智能分析決策系統架構

3 數據流設計

完整性智能分析決策系統數據庫基于Oracle與SQL server開發，通過數據端口實現B/S與C/S端的實時交互，數據流設計路線為：檢測數據進入對齊軟件數據庫，經對齊后，傳入B/S端Web主數據庫的完整性評價模塊，C/S端內檢測評價數據庫獲取主數據庫的基本數據和內檢測對齊數據，經過分析計算，將評價數據回寫至主數據庫。數據流設計如圖2所示。

圖2 完整性智能分析決策系統數據流示意

4 核心功能模塊

完整性智能分析決策系統包括6大核心業務模塊，3個輔助模塊和2個專業工具。6大核心模塊分為數據管理、高后果區管理、風險管理、完整性評價、維修管理和效能評價模塊；2個專業工具為管道內檢測評價與維修決策軟件和內檢測數據校驗與對齊軟件，具體如圖3所示。

4.1 數據管理模塊

數據管理模塊包括管線管理、管道基礎數據管理和數據字典管理。數據字典可實現系統的字典式管理，可直接維護管道固定屬性數據，供多條管道引用；可對高后果區識別準則、效能評價指標、風險評價指標等實現動態配置與更新，為評價提供標準。

4.2 高后果區管理模塊

系統內置了目前國標[1]要求的輸油管道和輸氣管道高后果區識別準則，用戶采集高后果區基礎信息、評估信息、登記卡和應急處置等數據后，后臺分析高后果區等級。

圖3 完整性智能分析決策系統功能模塊示意

4.3 風險評價模塊

開發基于指標評分法[12]的風險評價模塊，主要功能包括管道自動分段、動態風險評價、風險實時展示和敏感性分析。

a)管道自動分段。根據管道屬性和沿線周邊環境，選擇站場、閥室、敷設方式、高后果區、地區等級、防腐層類型等管道分段依據。分段依據與基礎數據、高后果區數據和業務活動數據動態關聯，后臺依據用戶所選分段依據將管道自動分為多個評價單元。

b)風險評價。將管道失效因素分為挖掘損傷、腐蝕、設計與施工、運行與維護、蓄意破壞和地質災害，建立輸油管道和輸氣管道失效概率指標評分細則。部分評分項參數與基礎數據動態關聯，部分需人為干預，系統后臺進行每個管段的風險評價，計算管道風險值并劃分風險級別。

c)結果展示與敏感性分析。風險展示模塊與評價結果動態關聯，展示管道失效概率與后果、風險等級及風險值。敏感性分析是篩選對管道風險值影響較大的二級評分項，以柱狀圖形式展現。用戶可通過結果展示與敏感性分析更加直觀地掌握管道風險水平，有針對性地開展管道風險防控工作。

4.4 完整性評價模塊與C/S軟件

4.4.1完整性評價管理模塊

完整性評價模塊包括內檢測管理、外檢測管理、水壓試驗管理和完整性評價結果展示。采用檢測數據管理、評價結果管理和數據分析的模式。

內檢測數據管理的對象是對齊軟件輸出的數據，內檢測評價數據管理的對象則是評價軟件輸出的結果。外檢測評價包括ECDA分段、外檢測數據管理和外檢測評價數據管理，可兼容10類檢測方法的數據，同時可對埋深檢測、占壓、開挖檢測等數據進行統計分析。

4.4.2內檢測數據對齊軟件

不同批次內檢測數據對齊，可識別活性缺陷、新增缺陷，計算腐蝕速率，評估缺陷控制措施的有效性及檢測器的檢測精度等；同批次數據對齊，可查找復合缺陷與焊縫相關缺陷，避免內檢測作業(漏磁與幾何變形檢測分批進行的情況)造成復合型缺陷的遺漏；管道地上與地下特征的對應，可幫助管道維護人員快速準確地定位管道的開挖位置。

通過開發管道不同批次內檢測數據對齊方法、同批次缺陷與環焊縫交互影響判斷算法、地面與地下特征對齊方法及缺陷對齊算法，集成開發了內檢測數據校驗與對齊軟件。

4.4.3內檢測評價與維修決策軟件

內檢測評價與維修決策軟件集成了開發的金屬損失缺陷快速圖解法[13]，該方法通過圖解法確定缺陷可接受水平，直觀給出缺陷計劃維修時間，可直接為現場操作人員所用；此外，軟件集成現有成熟的評價方法包括ASME B31G、BS7910、DNVRP-F101、SY/T 6151和Shannon方法[14]等剩余強度評價方法，NACE方法、線性法等管道剩余壽命預測方法，軟件采用自動分段方式求解管道腐蝕速率，采用現有定性標準分析凹陷和焊縫缺陷可接受性。

軟件可綜合考慮缺陷特征、評價結果、環境因素、高后果區及高風險影響，制定缺陷的維修決策判定準則，并實現維修決策指標的可配置。通過維修決策，軟件自動給出缺陷計劃維修時間、修復響應級別等。評價結果與維修決策結果分別自動回寫至系統的內檢測管理子模塊和維修管理模塊，直接指導管道的維修維護，如圖4所示。

圖4 內檢測評價與維修決策分析流程

5 應用

管道完整性智能分析決策系統以工程實用為目的，主要針對長輸管道，也可在集輸管網和城市燃氣管網上應用。該系統在國內某完整性管理數據較全面的成品油管道進行了工程實踐。

高后果區識別管理模塊中，系統自動獲取數據字典新建的識別準則，根據采集錄入的數據，共識別高后果區41處，占管道總長度14.2%，其中人口密集區占36%、重要設施區占50%、環境敏感區占14%。

在風險評價模塊，以站場、閥室、敷設方式和高后果區為分段依據，管道自動分段61段。通過危害因素識別、失效概率評估、失效后果評估，風險分級確定該管道低風險管段有55 段，占總長度的91.01%，中等風險管段有6 段，無較高和極高風險管段，如圖5所示。對風險值影響較大的敏感因素主要有內/外腐蝕、管體凹陷、焊縫異常、埋深不足、防腐層破損等。

對于數據對齊模塊，因管道僅開展了一次內檢測，因此無法進行不同批次數據對齊，只進行同批次缺陷關聯、地上與地下特征對齊，若今后開展第二次內檢測，可進一步分析。根據預設的偏差閾值，查找管道復合型缺陷。經分析，存在9處與凹陷組成的復合型缺陷；存在14處與環焊縫相交的缺陷。對于上述缺陷應進一步分析評價，提高維修響應等級。

圖5 某成品油管道沿線風險值分布

對于內檢測評價與維修決策軟件，通過從B/S端獲取數據后，軟件統計共計6 713 處缺陷，其中腐蝕缺陷6 325處，變形6處，制造缺陷29處，焊縫異常353處。對比腐蝕缺陷剩余強度評價方法，采用ASME B31G進行評價；對于制造缺陷，使用Shannon方法；對于凹陷和焊縫異常，依據維修判定準則對嚴重程度進行定性分級。經分析，管道需要立即修復的缺陷有4處，一年內計劃維修的缺陷為7處，腐蝕缺陷評價如圖6所示。

圖6 某成品油管道腐蝕缺陷在ERF曲線內的長度——深度分布

在維修管理模塊，建立維修工程，導入經評價需要維修的缺陷，系統根據缺陷特征，給出建議修復方案，用戶可進一步根據實際維修計劃在系統內完成計劃的提交與審核，在系統中維護缺陷維修信息及狀態。

在效能評價模塊，通過對各項效能指標進行評分，計算效能評價結果。

6 結論

a)開發的完整性智能分析決策系統，由6個核心業務模塊，3個輔助模塊和內檢測評價與維修決策、數據對齊2個專業軟件構成，可實現數據管理、風險管理、檢測數據對齊、完整性評價、維修管理、效能評價等管理和專業分析，評價結果可直接指導管道維修維護。經實際應用表明，系統穩定，訪問及響應速度快，可靠性高。

b)系統基于B/S與C/S結合的網絡模式，采用Web數據模式，核心業務數據實時動態交互，實現全流程動態完整性管理；數據字典可實現方法、指標及數據庫參數的可配置；采用專業評價軟件搭載管理系統的方式，既具備專業分析與評價功能，還可實現核心業務的數據、作業流程、審批流程的統一規范管理；基于現有國內外標準開發，結果可靠，可滿足不同企業完整性管理作業需求。

c)系統工程應用效果良好，具有較好的推廣價值，未來還可借助云平臺、搭載GIS，無人機在線傳輸等技術進一步提高智能化水平。