天然氣管道完整性管理建設及關鍵技術

董志，齊釗

(1.浙江浙能燃氣股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.山東產研衛星信息技術研究院，山東 濟南 250098)

0 引言

2022年度中國天然氣消費量達到3663×108m3，長輸天然氣管線總里程達到了11.6×104km。

隨著管道里程快速增加，不可避免地會穿越地勢陡峭、環境多變的山區地段，這些區域地質災害頻發、交通運輸不便，給管道的安全管理帶來嚴峻挑戰。例如：2017年，貴州晴隆縣一輸氣管道因強降雨導致滑坡而發生泄漏事故，造成40多人死傷[1]；2021年，某天然氣公司管道附近由于強降雨發生地質災害超250次，對天然氣管道的安全造成了嚴重威脅。傳統的管理方式和方法與山區管道面臨的風險特征并不匹配，為了保證天然氣管道平穩運行、保證周邊人民生命財產安全，需要結合山區管道特點制定針對性的完整性管理措施，構建山區管道風險防控體系。

1 山區管道完整性管理流程

1.1 山區管道風險識別

準確識別山區管道面臨的風險是實現完整性管理的前提條件，結合山區管道的敷設環境，從“人、機、環境”三個角度開展山區管道風險識別。

(1)人為因素：誤操作、施工、蓄意破壞；

(2)管道本體：電腐蝕、應力腐蝕；

(3)地質災害：崩塌、滑坡、泥石流。

1.2 山區管道完整性管理流程

根據山區管道風險識別結果以及GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規范》中的完整性管理六個步驟，制定出山區管道完整性管理流程。

如圖1所示，山區天然氣管道管理流程主要分為七個步驟：(1)根據高后果區等級對山區管道進行分區；(2)從管道、人員、環境三方面收集數據，管道數據包括管道本體數據以及水工保護措施數據，人員數據包括員工操作數據以及第三方人員數據，環境數據包括可能引發地質災害的所有數據；(3)采用RBI、SIL等方法對管道、人員、地質災害開展風險分析，確定風險大小、后果，并進行風險等級排序；(4)基于相關標準，開展管道本體、地災易發性、水工保護措施有效性以及人員作業安全性的評價作業，確定管道以及保護措施的完整情況；(5)根據完整性評價結果，制定相應的處置方案，如地質災害監測、水工保護措施修復、管道檢測及維護等；(6)建立山區管道完整性管理數據庫，將各個環節聯系起來，打破信息孤島，實現完整性管理數據共享；(7)開展完整性管理效能評價，不斷改進、完善完整性管理各個環節。

圖1 山區管道完整性管理流程

1.3 管理難點

1.3.1 災害預測難

受到多方面因素影響，包括地形地貌、降水、植被、原生缺陷等，地質災害的發生(概率、規模、位置)具有很強的不可預測性，導致災害預測難度較大。

1.3.2 管道監測難

山區地形起伏劇烈、植被茂密，人工巡檢難度較大，當山區管道發生事故或附近存在施工作業時，很難在第一時間發現。

1.3.3 事故處理難

當山區管道發生事故需要進行維搶修作業時，由于管道沿線地形復雜、交通惡劣、社會依托差，導致管道維修設備、機具很難運輸至作業前線，增大了維搶修作業難度。

2 關鍵技術研究

從山區天然氣管道管理難點可以看出，對山區管道，應該建立主動式的防護措施，利用衛星、無人機、光纖、視頻行為分析系統等建立“空—天—地”的管道風險智能監測網絡，構筑“面—點”結合的第三方施工監測系統，可以實現山區管道全方位監控，做到“事前早發現”。

2.1 衛星監測技術

激光雷達技術的快速發展使得衛星在地質災害監測中的應用越來越普遍。目前常用的是利用衛星合成孔徑雷達監測管道周圍地面沉降情況，其原理是每隔一段時間(一般是12 d)利用合成孔徑雷達對同一位置進行拍攝，通過比較兩個時間段內的地表影像信息，可以獲取管道周圍地面的形變數據，識別管道沿線的地質災害風險，其優點是全天時、全天候、靈敏度高、分辨率高、識別范圍廣[2]。

2.2 光纖預警技術

光纖預警技術在管道安全監測領域的應用越來越廣泛，其原理是用管道同溝敷設的光纜作為傳輸媒介，從光纜一側的發射器中注入探測光脈沖，當光纜受到外界干擾時，光纜中的光纖折射率發生改變，引起探測光的相位差。通過檢測相位差的變化并解析，就能夠判斷受到干擾的位置以及干擾的類型。目前，光纖預警技術主要應用于天然氣管道周圍施工監測、泄漏監測以及周界安防等領域[3]。

2.3 無人機巡檢技術

為了降低一線巡線人員的作業強度，一些管道營運公司開始使用無人機開展管道線路巡查工作，這些無人機下端均會搭載一個高清攝像頭，用于拍攝管道沿線的影像信息，并將這些信息上傳至后臺服務器，后臺工作人員能夠根據這些信息判斷管道周圍是否存在危險源。

目前，無人機在長輸管道中主要有兩個工作：一種是日常巡檢，另一種是定點核查[4]。在日常巡檢工作模式下，無人機會從一個站場(閥室)飛向另一個站場(閥室)，將管道沿線的信息拍攝下來，傳回后方供作業人員查看；在定點核查工作模式下，無人機起飛前需要先設定一個坐標位置，無人機到達坐標位置后才開啟攝像頭，對預定目標進行全方位、多角度的拍攝、取證，將結果發送至后臺。

2.4 視頻行為監控技術

目前，一些管道營運單位會在管道周圍的施工區域放置視頻行為監控系統，防止可能出現的越界施工、違規作業等情況[5]。視頻監控系統的工作過程包括以下步驟：(1)攝像頭錄制管道周圍影像；(2)后臺計算機讀取這些影像資料，并采用均勻稀疏采樣的方式將其轉化為圖像；(3)讀取這些圖像中異物的特征，如挖掘機、作業人員等；(4)將提取到的信息與訓練出的樣本庫里的樣本進行對比，判斷圖像中的異物類型，若判斷結果是挖掘機等對管道有威脅的物體，會自動保存該結果并將其推送至客戶端，通知后臺作業人員趕赴現場。

2.5 管道露管檢測技術

盡管使用衛星系統可以大范圍地開展管道周圍地質災害監測工作，但是受到衛星拍攝時間等因素的影響，難以在第一時間發現地質災害發生的位置并做出報警，因此，管道運營單位在地質災害易發區域都會埋設一些檢測設備，這些設備的核心是光敏元件。當檢測設備在地質災害的作用下發生裸露時，光敏元件在陽光的照射下會觸動報警裝置，后者將這些信息發送至服務器，作業人員根據這些信息能知曉地質災害發生位置。

2.6 聯合防護體系建設

2.6.1 管道防護體系建設

搭建統一的山區管道防護平臺，統一管理管道風險監測設備，打破數據壁壘，實現監測設備聯合運作、管道風險智能識別、應急策略自動生成，可以起到事半功倍的作用。山區管道防護體系建設如圖2所示。

圖2 山區管道防護體系建設

整個體系分為三個層級，分別為感知層、數據處理層以及輔助決策層。其中，感知層由無人機、光纖、攝像頭等現場設備(設施)構成，用于獲取現場數據，并通過物聯網技術將這些數據發送至處理器；數據處理層由若干電腦處理器組成，用于分析處理現場感知設備傳回的數據。根據數據類型將其分類，判斷這些數據的有效性，篩選出對管道風險識別有用的信息，并將這些信息與歷史數據或設定的閾值進行對比，判斷是否存在威脅，并將可能造成風險的信息全部傳送至輔助決策層。輔助決策層收到數據處理層的信息后，針對風險的類型采取不同的措施。以第三方施工為例，說明本完整性管理平臺的用法。

2.6.2 第三方施工核查

當光纖系統監測到管道周圍存在施工活動時，會將施工信息發送給數據分析層，后者將危險事件類別和位置發送給輔助決策層。輔助決策層判斷出這是一個可能威脅管道安全的第三方活動，然后立即給距離最近的無人機發送飛行任務，無人機飛行到指定位置后會下降一定的高度，對可疑位置進行全方位的拍攝。若確實發現存在第三方施工，會立即開展取證工作，同時作業人員也可以通過無人機向對方喊話，制止違法施工活動。

2.6.3 管道應急搶修

當第三方施工已經造成管道損毀時，除了派遣無人機前往現場調查取證外，輔助決策層還會根據現場特點、已有的維修案例自動生成維修方案，包括維修方法、作業人員、需要的設備及庫存等，為管道應急搶修提供依據。

3 結論

本文以山區天然氣管道為研究對象，從“人、機、環境”三方面介紹了山區管道面臨的風險，提出了包含人、管道、環境的山區天然氣管道完整性管理流程，在此基礎上介紹了一些可以用于山區天然氣管道風險監測與識別的新技術，詳細敘述了每項技術的原理、實現方式和用途，得出以下結論：

(1)山區管道處于復雜的地形地貌中，面臨的威脅和管理上的困難與其他管道存在明顯不同，在制定管理方案時一定要考慮環境因素，重點關注地質災害對管道的影響。

(2)介紹了衛星監測技術、光纖預警技術、無人機巡檢技術、視頻行為監控技術、管道露管檢測技術的原理和用途，建立了包含感知層、數據分析層、輔助決策層的山區管道防護平臺，并以第三方施工為例，說明不同情況下應急響應措施的區別。