管道數(shù)據(jù)整合分析技術(shù)在管道運維管理中的應(yīng)用

黃知坤，董華清，盛安全，曾 奕

(1. 中石化川氣東送天然氣管道有限公司 湖北 武漢 430000； 2. 中國石化銷售有限公司華中分公司 湖北 武漢 430200)

0 引 言

數(shù)字化管道是集空間化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化為一體的技術(shù)系統(tǒng)[1]，西氣東輸冀寧聯(lián)絡(luò)段管道拉開了我國長輸管道全面采用數(shù)字化技術(shù)的序幕，數(shù)字化管道理念在國內(nèi)蓬勃發(fā)展，數(shù)字化管道已覆蓋到管道勘探設(shè)計、管道施工建設(shè)和管道運營管理環(huán)節(jié)[2]。目前挖掘管道數(shù)據(jù)深度價值的應(yīng)用案例相對較少，僅限于在管道風(fēng)險分析、內(nèi)檢測等方面的初步探索，尚無實質(zhì)性應(yīng)用，將管道各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、信息等集成于一體，有待攻關(guān)[3]。

管道數(shù)據(jù)整合技術(shù)是通過數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)對齊將管道全生命周期數(shù)據(jù)整合在統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)中，使管道數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)和管道里程可以相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)管道相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的整合分析。

1 管道數(shù)字化數(shù)據(jù)使用現(xiàn)狀

管道在運營過程中會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，由于這些數(shù)據(jù)采集是在管道建設(shè)及管道運營管理的不同時期，其管理、采集、存儲的內(nèi)容及方式不一致，同時按照多種不同的組織方式將不同類型的數(shù)據(jù)分別存放在不同的數(shù)據(jù)庫中，使得這些數(shù)據(jù)在利用過程中存在許多問題[4]。

1)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition，SCADA)、地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)、陰極保護遠傳、地質(zhì)災(zāi)害管理、內(nèi)檢測數(shù)據(jù)管理、巡線、設(shè)備管理等系統(tǒng)實現(xiàn)了管道大部分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字化。但是部分系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為獨立建設(shè)，數(shù)據(jù)庫之間缺少數(shù)據(jù)交互與共享機制，數(shù)據(jù)分散關(guān)聯(lián)性差，形成數(shù)據(jù)孤島[5]，不能滿足管道系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析的要求。

2)管理人員對油氣管道的預(yù)測和判斷只根據(jù)有限數(shù)據(jù)進行決策。雖然建立了各種專業(yè)化的系統(tǒng)，搜集和整理了各種專業(yè)數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)利用方面多屬于事務(wù)型，較多為數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計，較少參與管道數(shù)據(jù)綜合分析與風(fēng)險預(yù)測，對數(shù)據(jù)再挖掘較少。

所以需要應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)手段建立數(shù)據(jù)分析模型將各種管道數(shù)據(jù)統(tǒng)一起來，通過管道多類數(shù)據(jù)完整性整合分析，實現(xiàn)從隨機樣本向全體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變，從精確性向混雜性轉(zhuǎn)變，從因果關(guān)系向相關(guān)關(guān)系轉(zhuǎn)變[6]。

2 數(shù)據(jù)要求

2.1 數(shù)據(jù)范圍

為實現(xiàn)管道數(shù)據(jù)由無序到有序、由繁瑣到簡潔、由分散到集中、由孤立到關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)變，管道數(shù)據(jù)需實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化管理。將管道設(shè)計、建設(shè)期數(shù)據(jù)和運行期數(shù)據(jù)分別整理到標(biāo)準(zhǔn)化表單中，包括但不限于以下數(shù)據(jù)。

1)設(shè)計、建設(shè)期數(shù)據(jù) 按管道整理設(shè)計壓力、輸送介質(zhì)、管節(jié)長度、爐批號、焊口號、焊工號、焊接材料、熱處理方法以及溫度曲線、無損檢測方法與結(jié)果、無損檢測數(shù)字化底片、割口、返修口、連頭口、金口以及管道竣工測量成果等數(shù)據(jù)。

2)內(nèi)檢測數(shù)據(jù) 包含管道基本信息、環(huán)焊縫、管道附件、參考點、壁厚變化、焊縫異常、金屬損失、凹陷以及空間坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。

3)外檢測數(shù)據(jù) 包含高后果區(qū)數(shù)據(jù)、陰極保護檢測數(shù)據(jù)、涂層檢測數(shù)據(jù)、土壤腐蝕性數(shù)據(jù)、交直流干擾數(shù)據(jù)等。

2.2 數(shù)據(jù)復(fù)核

管道數(shù)據(jù)對齊整合前，需對數(shù)據(jù)進行復(fù)核，復(fù)核內(nèi)容包含但不限于以下內(nèi)容。

1)內(nèi)容完整性 管道主要數(shù)據(jù)類型無缺失；數(shù)據(jù)的特征信息無缺失；數(shù)據(jù)數(shù)量及范圍無缺失。

2)邏輯關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確性 檢測數(shù)據(jù)與設(shè)備、設(shè)備與管道對應(yīng)準(zhǔn)確，如陰極保護檢測數(shù)據(jù)對應(yīng)測試樁、測試樁對應(yīng)管道。

3)時效合規(guī)性 不同專業(yè)的檢測數(shù)據(jù)在同一個檢測周期內(nèi)，例如內(nèi)檢測數(shù)據(jù)與外檢測數(shù)據(jù)對齊整合時，檢測時間間隔不能超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

4)空間坐標(biāo)的一致性 管道特征坐標(biāo)值是否準(zhǔn)確，相對位置關(guān)系是否準(zhǔn)確，坐標(biāo)系統(tǒng)是否統(tǒng)一，例如管道數(shù)據(jù)是否統(tǒng)一采用國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)及1985國家高程基準(zhǔn)。

3 管道數(shù)據(jù)整合思路及方法

3.1 管道數(shù)據(jù)整合思路

管道數(shù)據(jù)整合以內(nèi)檢測數(shù)字化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。內(nèi)檢測數(shù)字化數(shù)據(jù)是具有空間坐標(biāo)的數(shù)據(jù)，可以與運營期的管道檢測、地理環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害、第三方施工等數(shù)據(jù)通過空間坐標(biāo)進行整合。此外，內(nèi)檢測數(shù)字化數(shù)據(jù)還可以通過內(nèi)檢測管節(jié)與建設(shè)期管節(jié)對齊，建設(shè)期管節(jié)可以關(guān)聯(lián)建設(shè)期數(shù)據(jù)信息。由此建立以內(nèi)檢測數(shù)字化數(shù)據(jù)、建設(shè)期數(shù)據(jù)、運營期數(shù)據(jù)組成的整合模型，實現(xiàn)以管節(jié)為最小分析單元的管道數(shù)據(jù)整合分析。管道數(shù)據(jù)整合模型如圖1所示。

圖1 管道數(shù)據(jù)整合模型

3.2 管道數(shù)據(jù)整合方法

3.2.1 內(nèi)檢測數(shù)據(jù)數(shù)字化

管道數(shù)據(jù)整合方法中內(nèi)檢測數(shù)字化數(shù)據(jù)是核心數(shù)據(jù)，是鏈接設(shè)計、建設(shè)期和運行期數(shù)據(jù)的紐帶。國內(nèi)多條管道已采用油氣管道慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)內(nèi)檢測技術(shù)實現(xiàn)管道數(shù)字化。IMU檢測技術(shù)以三維正交的陀螺儀與加速度計組成的慣性測量單元為主要測量設(shè)備，以地面參考點與里程計數(shù)據(jù)進行位置與速度修正，能夠精確測繪管道環(huán)焊縫、閥門、三通、彎頭等管道本體特征以及管道缺陷的三維空間坐標(biāo)[7]。

非IMU檢測的管道采用內(nèi)檢測數(shù)字化技術(shù)，利用管道地面測繪的三維中線坐標(biāo)數(shù)據(jù)與內(nèi)檢測一維里程數(shù)據(jù)對齊和拉伸，管道三維中線坐標(biāo)數(shù)據(jù)擬合出管道環(huán)焊縫、閥門、三通、彎頭等管道本體特征以及管道缺陷的三維空間坐標(biāo)，實現(xiàn)內(nèi)檢測一維里程數(shù)據(jù)向三維空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換[8]。

3.2.2 建設(shè)期與運營期數(shù)據(jù)整合

內(nèi)檢測管節(jié)與建設(shè)期數(shù)據(jù)對齊關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)管道建設(shè)期數(shù)據(jù)與運行期內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的對齊整合，同時建設(shè)期數(shù)據(jù)通過內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的數(shù)字化坐標(biāo)實現(xiàn)數(shù)字化。王波[9]等已提出通過內(nèi)檢測數(shù)據(jù)與施工數(shù)據(jù)的管節(jié)分布規(guī)律進行比對，結(jié)合相似算法評估與人工干預(yù)的方法，實現(xiàn)了內(nèi)檢測數(shù)據(jù)與施工數(shù)據(jù)的對齊。

管道存在多輪內(nèi)檢測時，采用內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對齊方法實現(xiàn)多輪內(nèi)檢測數(shù)據(jù)管節(jié)、管道缺陷對齊，通過分析管節(jié)上缺陷數(shù)量、缺陷尺寸的變化情況對分析和預(yù)測管道腐蝕狀態(tài)有重要意義。楊賀[10]等對管道多輪內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對齊算法展開研究，建立相關(guān)模型以提高數(shù)據(jù)對齊工作效率，實現(xiàn)了球閥、管件、彎頭、環(huán)焊縫、缺陷等特征向基線的對齊。

3.2.3 外檢測數(shù)據(jù)坐標(biāo)化采集

外檢測數(shù)據(jù)坐標(biāo)化采集使用實時動態(tài)(real-time kinematic，RTK)載波相位差分技術(shù)結(jié)合外檢測的聯(lián)合作業(yè)方式，采集管道高后果區(qū)起止點、陰極保護測試點、涂層破損點、交直流干擾點、地質(zhì)災(zāi)害等數(shù)據(jù)的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)。由于RTK是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，將提高管道數(shù)據(jù)整合的可靠性、準(zhǔn)確性。為保障管道數(shù)據(jù)采集的精度，應(yīng)對控制點設(shè)置、采集點設(shè)置、采集精度、數(shù)據(jù)字典、數(shù)據(jù)格式，以及數(shù)據(jù)的錄入、校驗、入庫等進行質(zhì)量控制。

4 數(shù)據(jù)對齊整合應(yīng)用

管道數(shù)據(jù)對齊整合涉及海量數(shù)據(jù)整理、恢復(fù)及標(biāo)準(zhǔn)化入庫，數(shù)據(jù)采集坐標(biāo)化以及管道信息化系統(tǒng)開發(fā)等工作，各管道公司應(yīng)綜合考慮管道狀態(tài)、人員、技術(shù)、資源以及管道風(fēng)險態(tài)勢，開展1項或多項數(shù)據(jù)對齊整合應(yīng)用。

1)單項多輪數(shù)據(jù)對齊分析，如多輪內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對齊分析、多輪陰極保護檢測數(shù)據(jù)對齊分析、多輪涂層檢測數(shù)據(jù)對齊分析等。

2)多維數(shù)據(jù)疊加對齊整合，如內(nèi)腐蝕綜合分析、土壤腐蝕性綜合分析、地質(zhì)災(zāi)害綜合分析、外腐蝕綜合分析、焊縫異常缺陷綜合分析等。

3)數(shù)據(jù)可視化，將管道數(shù)字化數(shù)據(jù)與遙感影像地圖等數(shù)據(jù)結(jié)合起來，利用RTK技術(shù)或其他地圖展示技術(shù)實現(xiàn)管道全生命周期數(shù)據(jù)的可視化。

5 案 例

某管道長180 km，陰極保護方式為強制電流保護，管道首站及末站均設(shè)置恒電位儀，管道涂層為3PE。該管道2018年完成IMU檢測，根據(jù)檢測結(jié)果，其外腐蝕嚴(yán)重。為探查管道外腐蝕原因，2019年開展了管道外檢測，主要包括管道外防腐層缺陷點檢測、陰極保護有效性評價、土壤腐蝕性檢查等，管道數(shù)據(jù)采集均使用RTK對外檢測數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)化采集，且已完成內(nèi)檢測管節(jié)與建設(shè)期數(shù)據(jù)對齊關(guān)聯(lián)，滿足數(shù)據(jù)對齊整合條件。以下基于數(shù)據(jù)對齊整合對管道外腐蝕、焊縫缺陷進行綜合分析。

5.1 外腐蝕綜合分析

由于埋地管線所處地區(qū)的不同，土壤腐蝕環(huán)境、管道防腐層的狀況、陰極保護有效性、管道運行條件差異等的原因，導(dǎo)致了管體面對的腐蝕威脅狀況不同[11]。所以對涂層破損點、外部金屬損失、陰極保護欠保管段、土壤腐蝕性4個腐蝕相關(guān)數(shù)據(jù)進行對齊整合，分析腐蝕原因。涂層破損點、外部金屬損失、陰極保護欠保管段相關(guān)數(shù)據(jù)在管道里程上的對齊整合如圖2所示，管道涂層破損點與外部金屬損失在管道里程上的聚集趨勢相同，陰極保護欠保管段外部金屬損失缺陷數(shù)量多、深度大。管體發(fā)生腐蝕往往會伴有外防腐層破損，分析涂層破損點與外部金屬損失缺陷相關(guān)性的信息如表1所示，可見陰極保護欠保管段的涂層破損點與外部金屬損失缺陷存在相關(guān)性。

圖2 涂層破損點、外部金屬損失、陰極保護欠保管段相關(guān)數(shù)據(jù)在管道里程上的對齊整合

表1 涂層破損點與外部金屬損失缺陷相關(guān)性信息

在其他條件相同的情況下，土壤腐蝕性的強弱與管道外腐蝕成正相關(guān)。涂層破損點與外部金屬損失缺陷數(shù)據(jù)在管道里程上的對齊整合如圖3所示，可知管道土壤腐蝕性強弱與外部金屬損失在管道里程上的聚集趨勢不同，所以土壤的腐蝕性強弱與管道外腐蝕的相關(guān)性不明顯。

綜合以上腐蝕相關(guān)數(shù)據(jù)對齊整合分析，結(jié)合外檢測未發(fā)現(xiàn)直流干擾和交流干擾，判斷管道涂層破損點處管道陰極保護電流流失，導(dǎo)致陰極保護欠保，管道在涂層破損點處產(chǎn)生腐蝕。針對腐蝕原因，整改策略是調(diào)整陰極保護系統(tǒng)電流的輸出，再測試管道陰極保護的有效性，進而判斷防腐層破損點維修的必要性，避免防腐層的盲目維修。

圖3 涂層破損點與外部金屬損失缺陷數(shù)據(jù)在管道里程上的對齊整合

5.2 焊縫缺陷綜合分析

國內(nèi)油氣管道腐蝕、施工缺陷、外力干擾及材料缺陷是造成管道事故的主要因素。施工缺陷導(dǎo)致的焊縫異常是管道的薄弱環(huán)節(jié)，溫度變化、壓力變化、施工裝配以及焊接等產(chǎn)生的殘余應(yīng)力在管道高程變化、壁厚改變處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中[12]。返修口經(jīng)過二次焊接，焊接質(zhì)量難以保障；金口不參與管道試壓，金口焊縫易發(fā)生泄漏和開裂。焊縫相關(guān)影響因素疊加將增加焊縫的風(fēng)險系數(shù)，高后果區(qū)與焊縫相關(guān)影響因素的對齊整合如圖4所示。

圖4 高后果區(qū)與焊縫相關(guān)影響因素的對齊整合

焊縫相關(guān)對齊整合數(shù)據(jù)在管道中線及地理環(huán)境的可視化展示如圖5所示，為管道焊縫缺陷排查、風(fēng)險監(jiān)控、評價及焊縫開挖驗證評估等工作提供了依據(jù)，如地質(zhì)災(zāi)害點焊縫異常管道應(yīng)力監(jiān)控、高后果區(qū)高風(fēng)險焊縫異常的監(jiān)控與維修維護等，利于維修計劃的制定以及缺陷的定位，提高了維修效率，節(jié)省了維修費用。

圖5 焊縫相關(guān)對齊整合可視化展示圖

6 結(jié)束語

本文研究管道數(shù)據(jù)整合分析技術(shù)的思路和方法，采用管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)數(shù)字化、建設(shè)期與運營期數(shù)據(jù)整合、外檢測數(shù)據(jù)坐標(biāo)化采集的方法實現(xiàn)管道全生命周期數(shù)據(jù)綜合分析。并運用于管道外腐蝕綜合分析、焊縫缺陷綜合分析，提高了風(fēng)險預(yù)測準(zhǔn)確性，完善了運維管理措施，確保了管道安全運行。

隨著管道大數(shù)據(jù)時代的來臨，管道數(shù)據(jù)價值挖掘?qū)⑹顷P(guān)鍵環(huán)節(jié)和重點，而管道數(shù)據(jù)整合分析是研究方向之一。當(dāng)前應(yīng)重點考慮如何在已有數(shù)據(jù)平臺的基礎(chǔ)上，通過資源整合，利用各管道系統(tǒng)平臺的優(yōu)點，研究各平臺之間管道數(shù)據(jù)交互、整合、應(yīng)用方式，建立數(shù)據(jù)對齊整合應(yīng)用的管道完整性大數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)平臺，采用多維統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘等打破不同類型數(shù)據(jù)之間的壁壘，實現(xiàn)管道數(shù)據(jù)對齊整合分析。