構建新一代油氣管道智能完整性管理系統

崔萬祥 歐曙輝 劉嚴強

（1. 浙江省能源集團城市燃氣有限公司，浙江 杭州 310016；2. 浙江鈺烯腐蝕控制股份有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，油氣管道已成為我國必不可少的能源大動脈。截至2015年，我國油氣長輸管線總里程10.87萬公里，按照“十三五”規劃，至2020年年底，我國油氣長輸管道里程數將達到16.9萬公里。燃氣管道將覆蓋東部地區大部分鄉鎮。這些管道系統在運行中面臨多重威脅，外來破壞、腐蝕、地質災害都可能對管道系統造成嚴重影響。同時，由于油氣管道上的缺陷不可避免，且隨著時間的增長，逐步惡化；人類活動和自然環境變化都會對管道產生影響。油氣管道破壞會造成泄漏、燃燒、爆炸、環境污染等嚴重后果。因此，必須采用適宜的技術手段和管理措施，保障管道的安全性，延長管道的使用壽命。

管道完整性管理的概念就是在這種需求下產生的，其通過對油氣管道運行中面臨的風險因素進行識別和評價，通過監測、檢測、檢驗等各種方式，獲取管道完整性的信息，并制定相應的風險控制對策，不斷改善有害因素，從而將管道運行的風險水平控制在合理的、可接受的范圍內，并最終達到持續改進、減少和預防管道事故發生、經濟合理地保證管道安全運行的目的。

美國國會于2002年11月通過了專門的H.R.3 609號法案，該法案要求管道運營商在高風險地區實施管道完整性管理計劃。管道完整性管理正式以法律形式確定和提出，世界各國管道公司紛紛開始采用完整性管理模式進行運行管理。世界各國主要的管道公司都在近些年采用了這一管理理念，實施的管道的完整性管理。如美國Willams Gas、英國TRANSCO、加拿大TRANSCANADA等著名管道公司都率先實施了管道完整性管理，并建立了專門的完整性管理機構。我國也在2015年發布了《GB32167油氣輸送管道完整性管理規范》，并于2016年3月1日正式實施，管道企業實施管道完整性管理在我國正式進入一個新階段。國內中石油管道公司、中石化、中海油有關管道部門都已經開始實施管道完整性管理工作。

1 管道完整性管理

管道完整性管理包括：數據收集、高后果區識別、風險評價、完整性評價、維修與維護、效能評價六個環節（如圖1所示）[1]。管道企業要保證管道完整性管理的有效實施，需要進行完整性管理體系建設，這是實施完整性管理的基礎，管道完整性體系建設就是對涉及管道完整性管理的信息、技術、工作流程、組織機構及文件體系等要素進行集成，將其轉化為管理要素和經濟要素，經濟合理地保障管道安全可靠運行，是一項系統工程。

管道完整性數據的及時收集和處理，是實施管道完整性管理的基礎。收集的數據應屬于管道完整性管理相關，并充分滿足高后果區識別、風險評價、完整性評價、管道修復等管理環節對數據的要求，其涉及多個專業的繁雜數據，應具有統一的存儲邏輯，并形成管道完整性數據庫，滿足后續數據處理分析的需要。形成有效的管道完整性數據收集機制，對于保證有效的管道完整性管理是至關重要的。

圖1 管道完整性評價流程

高后果區是指如果管道發生泄漏或斷裂等事故，會對公眾安全、財產、環境、社會等造巨大損失的區域。依據相關的標準規范，收集管道沿線風險相關屬性數據為基礎，識別管道沿線的高后果區（HCA）。

風險評價是依據管道屬性數據和運行數據、相關環境數據，并依據HCA高后果區數據，對管道的破壞風險進行評價分級。以確定管道沿線各區段的風險值，并加以排序。定量風險評價需要較好的數據基礎，在數據質量差時可采用定型或半定量的方式。

完整性評價，是采用各種檢測、監測手段對管道進行檢測，已確定存在的影響管道完整性的風險因素，如管體缺陷、腐蝕、變形、應力集中等。對埋地油氣管道可采用內檢測、外檢測直接評價、試壓等方式。由于各種現有的檢測技術均有局限性，因此應根據管道實際情況選擇適宜的檢測和監測方法，以準確全面獲得管道完整性相關信息。

維護與維修是利用完整性檢測獲得的信息和風險評價結果，按照風險排序，采用適宜手段，如：換管、打磨、堆焊、套筒修復補強、防腐層大修等手段，通過修復管道完整性相關缺陷，實現管道風險的降低。

效能評價是針對管道完整性管理系統本身進行評價，評價其有效性，發現不足并加以改進。

經過多年的推廣發展，管道完整性管理已經成為我國主要管道企業的管理規范和標準，但是，由于各企業重視程度不同，加之管道完整性管理本身也還存在諸多與管道企業的適應問題，如數據采集困難、管道數字化程度不足等都影響了管道完整性實施的有效性，這些都需要充分利用現代技術和管理手段加以改進，以保證其有效實施。

2 物聯網、人工智能和大數據

隨著近些年信息技術的迅猛發展，新一代的信息技術噴薄而出，如物聯網、大數據及人工智能技術，這些技術已經開始深刻地改變工業生產和社會生活。

物聯網的英文名稱為“The Internet of Things” ,簡稱：IOT。由該名稱可見，物聯網就是“物物相連的互聯網”。其有兩層含義：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎之上的延伸和擴展的一種網絡；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。因此，物聯網的定義是通過物體傳感器和通信協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換、通信和控制，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。對于油氣管道系統而言，物聯網則是通過各種工業傳感器對管道沿線設備和環境進行測量、感知，并獲取數據。現代傳感器技術進步巨大，已出現多種可用于油氣管道監測的傳感器，如在線的管道位移、變形監測設備可監測管道由于滑坡、地震、塌方等造成的管道位移、變形，敷設在管道沿線的通信光纜，還可用于監測管道沿線可能的開挖、打孔盜油等。

大數據技術是隨著物聯網產業的發展、智能化硬件設備的普及而產生的，工業和社會活動產生的新信息數據已達海量級別，如此數量的數據傳統數據處理方式無法滿足實際需求，也無法發掘其價值。大數據技術即針對這些海量數據而產生的數據處理和分析技術，目的即為充分挖掘海量數據的價值，更好的服務于社會。對于管道系統，大量管道、環境監測工業傳感器和管理活動，都產生數據，如何有效整合、分析這些數據，進而充分發掘其價值，對于提高管道完整性管理的效率和水平有現實意義。

圖2 物聯網示意圖

人工智能技術在近些年獲得了快速發展，人工智能圍棋選手已經擊敗人類頂尖選手。現代人工智能以深度學習神經網絡為特征，可對多因素、非線性關聯的數據進行處理。針對影響管道完整性的因素，利用收集數據和專家經驗數據，可以在管道完整性有關決策環節，利用人工智能技術進行處理進而減少人為干預，可大大提高管道完整性管理系統的效率。

3 構建基于物聯網、大數據和人工智能的新一代管道完整性管理系統

隨著技術的進步，可用于獲取管道完整性狀態信息的傳感器種類增多，使得管道完整性狀態監測系統成為可能。可利用的針對管道完整性監測技術如表1所示，現有的傳感器可覆蓋管道完整性管理的大部分需求，可用于監測管道的完整性相關狀態，如外部干擾（第三方破壞、打孔盜油可利用光纖傳感器、管道壓力波傳感器）、腐蝕（陰極保護電位監測、關鍵部位無損監測、腐蝕監測）、地質災害（管道位移監測、管道變形監測）、誤操作可由自動控制系統邏輯加以控制。對于無法利用在線監測獲取的信息則可以通過管道檢測手段得到，管道內檢測、試壓可獲得有關管道本體制造、材料缺陷以及外來損傷造成的管體缺陷，試壓可以獲得有關影響管道承壓能力的一定程度的缺陷，外檢測直接評價可獲得有關管道防腐層劣化信息、陰極保護有效性以及存在的活性腐蝕信息（如表2所示）。

表1 管道完整性監測技術

表2 管道完整性檢測技術

國內新一代的全智能化新型陰極保護系統，包括全智能數字化恒電位儀、智能測試樁、特種柔性陽極地床。與現有的床頭陰極保護系統相比，具有全智能、可靠性高、兼容性好、施工簡便、壽命長的優勢。還可作為管道沿線的數據傳輸節點，可兼容接駁其他傳感器（為傳感器供電和提供通信通道），可作為管道沿線傳感器的通信節點，滿足管道沿線的傳感器安裝要求。

利用現代物聯網、大數據和人工智能技術，收集處理大量的管道系統完整性信息，利用大數據技術處理數據，并利用人工智能技術處理相關風險評價、效能評價、維護維修相關決策環節，可大幅度提高管道完整性管理系統的效率。

4 結論與建議

隨著技術的進步，可用于獲取管道完整性狀態信息的傳感器種類增多，使得管道完整性狀態監測系統成為可能。現代物聯網技術的快速進步使得管道完整性監測越來越完善，可大幅度提高管道完整性監測的時效性。大數據和人工智能技術的發展，使得建設真正意義上具備自我感知、自我威脅處理決策的智能數字管道成為可能。對于管道企業而言，建立適應于管道完整性管理的管理和責任體系，在此基礎上，充分利用現有的物聯網、大數據和人工智能技術，可構建出新一代高效、智能的管道完整性管理信息系統，進而有效保障管網的安全高效運行。