大數(shù)據(jù)下的油氣管道腐蝕預(yù)警策略

閻紅巧 田 琨 冒亞明 樊志強(qiáng) 余 飛

（中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司）

油氣田集輸管道主要包括采油、注水及注汽井等的井場(chǎng)工藝管道、井口、計(jì)量站、聯(lián)合站之間的原油輸送管道［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中石油油氣田地面各類管道總長(zhǎng)度為30萬(wàn)公里，隨著油氣田開發(fā)時(shí)間延長(zhǎng)， 部分油區(qū)采出液的物性發(fā)生了較大變化，采出液含水量不斷升高， 腐蝕條件不斷惡化，導(dǎo)致地面集輸管網(wǎng)腐蝕加劇，泄漏風(fēng)險(xiǎn)形勢(shì)嚴(yán)峻［2］。

經(jīng)過(guò)多年積累，國(guó)內(nèi)外在管道腐蝕監(jiān)測(cè)研究與應(yīng)用方面有了一定的技術(shù)進(jìn)步，主要的研究方向?yàn)椋阂皇腔谥苯痈g評(píng)價(jià)ICDA、ECDA的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用［3］，這種評(píng)價(jià)方法較為成熟，但因集輸管道腐蝕的復(fù)雜性而難于開展內(nèi)檢，故存在一定的瓶頸［4］；二是基于監(jiān)測(cè)技術(shù)的腐蝕預(yù)警技術(shù)，如腐蝕掛片、電阻探針、線性極化探針及FSM等監(jiān)測(cè)技術(shù)， 這些技術(shù)在管道腐蝕預(yù)警方面取得了一定應(yīng)用效果［5，6］。 但總體來(lái)看，就國(guó)內(nèi)陸上油田的實(shí)際情況而言，盡管腐蝕控制方面的相關(guān)研究與技術(shù)應(yīng)用已開展多年，但在管道腐蝕預(yù)警方面仍面臨巨大挑戰(zhàn)［7］。 大數(shù)據(jù)是網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)發(fā)展至今所催生的一項(xiàng)革命性的理念和技術(shù)，創(chuàng)新安全環(huán)保監(jiān)督管理需要借助于大數(shù)據(jù)這一技術(shù)利器。 筆者基于管道完整性管理的全生命周期管理數(shù)據(jù)，挖掘管道腐蝕規(guī)律，提出基于大數(shù)據(jù)的管道腐蝕預(yù)警策略，實(shí)現(xiàn)管道腐蝕管理關(guān)口前移的目的。

1 大數(shù)據(jù)思維模式的轉(zhuǎn)變

大數(shù)據(jù)技術(shù)帶動(dòng)了思維模式的轉(zhuǎn)變，具體表現(xiàn)為：

a. 由因果關(guān)系向關(guān)聯(lián)關(guān)系轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)思維模式是基于因果關(guān)系的，在因果關(guān)系中，原因和結(jié)果都會(huì)被明確定義，且通常由業(yè)務(wù)專家基于具體的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，結(jié)合專業(yè)理論知識(shí)確定原因自變量和結(jié)果因變量。 而大數(shù)據(jù)思維模式的關(guān)鍵是發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，因果關(guān)系僅是一種特定的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

b. 由“為什么”向“是什么”的轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的思維是首先思考“為什么”，并且在思考的基礎(chǔ)上建立基于因果關(guān)系的數(shù)據(jù)模型。 然而，大數(shù)據(jù)思維則是直接從數(shù)據(jù)中挖掘變量之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，在得到關(guān)系后再解釋數(shù)學(xué)關(guān)系的物理含義。 例如經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)分析， 美國(guó)Target超市的蛋撻銷量與颶風(fēng)用品間有強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系， 因此當(dāng)颶風(fēng)來(lái)臨之際，Target超市將蛋撻和颶風(fēng)用品一起打包出購(gòu)，但是蛋撻和颶風(fēng)產(chǎn)品之間為什么強(qiáng)關(guān)聯(lián)至今無(wú)法被解釋，但是這一關(guān)系的確能為超市提高銷售業(yè)績(jī)。

c. 由“專家經(jīng)驗(yàn)”向“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域依賴于專家經(jīng)驗(yàn)，盡管專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)有科學(xué)理論作為支撐， 但是專家經(jīng)驗(yàn)主觀性強(qiáng)，缺乏客觀性，例如管道完整性管理中的肯特打分法。 而大數(shù)據(jù)思維則化數(shù)為據(jù)，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)量化、客觀的特點(diǎn)，為領(lǐng)導(dǎo)制定決策提供依據(jù)和支持。

2 油氣田集輸管道數(shù)據(jù)

Q/SY 1180—2009《管道完整性管理規(guī)范》規(guī)定了管道在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和竣工階段，為了滿足管道運(yùn)營(yíng)期完整性管理需要應(yīng)收集的數(shù)據(jù)內(nèi)容與格式， 這些數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、管道專業(yè)數(shù)據(jù)、 管道運(yùn)行數(shù)據(jù)和管道檢維修數(shù)據(jù)，詳述如下：

a. 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)至少包含行政區(qū)劃、 公路、鐵路、水系、居民地、等高線及數(shù)字高程模型等基礎(chǔ)信息。 此外，針對(duì)不同人口密度地區(qū)，應(yīng)收集高后果區(qū)和環(huán)境敏感區(qū)的建筑物、人口及河流等數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)是管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。

b. 管道專業(yè)數(shù)據(jù)包括管道區(qū)域等級(jí)、 套管、封堵物、防腐層、等高線、控制點(diǎn)、穿跨越、陰保電纜、裂紋、排流裝置、彎頭、地表高程、高后果區(qū)、收發(fā)球筒、閥、焊縫、管道材料、管道直徑及厚度等數(shù)據(jù)。

c. 管道運(yùn)行數(shù)據(jù)主要包括管道運(yùn)行壓力、溫度、流量、輸送介質(zhì)及陰極保護(hù)點(diǎn)位等數(shù)據(jù)。

d. 管道檢維修數(shù)據(jù)主要包括管道泄漏位置、泄漏量和泄漏原因，對(duì)于配有腐蝕掛片、電阻探針等管道腐蝕監(jiān)測(cè)裝置的管道，還應(yīng)記錄其腐蝕速度數(shù)據(jù)、緩蝕劑加注數(shù)據(jù)等信息［8］。

以上數(shù)據(jù)貫穿管道的全生命周期，是開展基于大數(shù)據(jù)的管道腐蝕預(yù)警應(yīng)用的基礎(chǔ)。

3 基于大數(shù)據(jù)的油氣管道腐蝕預(yù)警策略

基于大數(shù)據(jù)的油氣管道腐蝕預(yù)警策略的架構(gòu)如圖1所示，具體步驟有：

a. 收集歸納油氣管道腐蝕泄漏數(shù)據(jù)；

b. 對(duì)收集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如缺失值和偏差值處理［9］，從而保證數(shù)據(jù)分析結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性；

c. 基于隨機(jī)森林模型、樸素貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型及FP-growth算法等挖掘管道腐蝕影響因素頻繁組合模式；

d. 選擇時(shí)間窗口長(zhǎng)度，將固定時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)的管道數(shù)據(jù)看作一個(gè)數(shù)據(jù)流，通過(guò)數(shù)據(jù)流與管道腐蝕影響因素組合模式之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系構(gòu)建管道腐蝕預(yù)警模型；

e. 當(dāng)數(shù)據(jù)流與管道腐蝕影響因素組合模式存在一定關(guān)聯(lián)關(guān)系時(shí)給出管道腐蝕預(yù)警模型。

圖1 基于大數(shù)據(jù)的油氣管道腐蝕預(yù)警策略架構(gòu)簡(jiǎn)圖

4 油氣管道腐蝕影響因素組合模式

油氣管道腐蝕分為外腐蝕和內(nèi)腐蝕，不同的腐蝕類型下管道的腐蝕影響因素各異。 管道本體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、管道材質(zhì)數(shù)據(jù)及焊縫等是影響管道內(nèi)外腐蝕的共有因素。 管道外腐蝕主要影響因素包括土壤濕度、pH值、微生物、陰極保護(hù)裝置及防腐層等［10］；管道的內(nèi)腐蝕主要影響因素包括管道輸送介質(zhì)的pH值、水分、微生物、運(yùn)行溫度、運(yùn)行壓力及緩蝕劑等［11］。 依據(jù)管道腐蝕機(jī)理，對(duì)油氣管道腐蝕影響因素進(jìn)行分類歸納總結(jié)并基于分類建立管道腐蝕影響因素?cái)?shù)據(jù)集。

實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中管道腐蝕泄漏是由多個(gè)影響因素組合誘發(fā)的，影響因素組合模型更為復(fù)雜， 管道腐蝕影響因素組合的數(shù)據(jù)緯度高，數(shù)據(jù)量大， 難以通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析手段獲取。 根據(jù)管道腐蝕影響因素的分布規(guī)律， 利用Apriori關(guān)聯(lián)規(guī)則、 樸素貝葉斯分類等大數(shù)據(jù)分析算法挖掘管道腐蝕影響因素的頻繁項(xiàng)集組合（圖2），從得到的組合模式中進(jìn)一步提取易引發(fā)管道泄漏的關(guān)鍵影響因素組合模式。

圖2 管道腐蝕影響因素頻繁項(xiàng)集挖掘原理示意圖

5 基于滑動(dòng)窗口的管道腐蝕預(yù)警模型

在大部分?jǐn)?shù)據(jù)流的應(yīng)用分析中，用戶往往關(guān)心最近的數(shù)據(jù)，因此基于基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、管道專業(yè)數(shù)據(jù)、管道運(yùn)行數(shù)據(jù)和管道檢維修數(shù)據(jù)構(gòu)建管道生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流是一系列連續(xù)而有序的二元組組成的序列［12］，其中T為元素的時(shí)間點(diǎn)，I=｛I1，I2，I3，…｝表示管道腐蝕影響因素。設(shè)T為一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度， 如1個(gè)季度、1年等；t為觀測(cè)時(shí)刻；則稱W［t-T：t］為數(shù)據(jù)流S上的1個(gè)時(shí)間間隔為T的窗口，其中t和T的單位相同；W［t-T：t］隨t的變化而滑動(dòng)，故稱之為滑動(dòng)窗口［10］。

6 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)油氣管道的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、管道專業(yè)數(shù)據(jù)、管道運(yùn)行數(shù)據(jù)和管道檢維修數(shù)據(jù)，提出了基于大數(shù)據(jù)的油氣管道腐蝕預(yù)警策略，目前尚處于理論研究階段，歷史數(shù)據(jù)的完整性和數(shù)據(jù)質(zhì)量在一定程度上制約著創(chuàng)新應(yīng)用研究的進(jìn)程。

傳統(tǒng)的管道腐蝕預(yù)警方法大部分是基于管道缺陷和管道腐蝕速度的直接檢測(cè)或間接檢測(cè)技術(shù)，側(cè)重于對(duì)管道腐蝕結(jié)果的測(cè)量，而基于大數(shù)據(jù)的管道腐蝕預(yù)警策略則依據(jù)管道腐蝕影響因素和腐蝕速度之間的量化關(guān)聯(lián)關(guān)系推斷管道腐蝕演變規(guī)律，后者考慮的因素更全面，對(duì)提高管道腐蝕預(yù)警的準(zhǔn)確率有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)鮮有利用大數(shù)據(jù)算法構(gòu)建基于滑動(dòng)窗口的油氣管道腐蝕預(yù)警模型的研究，該模型構(gòu)建方法具有典型的創(chuàng)新思維，為基于油氣管道腐蝕預(yù)警模型的研究提供了方法指導(dǎo)，對(duì)于提升油氣管道腐蝕泄漏防控水平具有重要意義。