基于多源數(shù)據(jù)對齊的成品油管道管體缺陷綜合分析

李 菲, 孫 偉,胡 朋,王俊強

(1.國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司華中分公司, 武漢 430023;2.中國特種設(shè)備檢測研究院 , 北京 100029)

油氣管道是國家重要能源基礎(chǔ)設(shè)施,近年來由于管道總里程的快速上升以及各類管道事故的頻發(fā)[1-3],油氣管道的風(fēng)險管控和完整性管理愈發(fā)得到政府和社會的高度重視。如何利用多種檢測手段,通過定期檢測和多源數(shù)據(jù)融合分析,充分了解管道的真實狀態(tài),準(zhǔn)確識別出潛在的管體高風(fēng)險點,避免管道失效,成為國內(nèi)管道企業(yè)的研究重點。

陳金忠等[4-6]對管道檢測與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀進行了總結(jié),認為發(fā)展組合檢測,積極探索內(nèi)檢測信號識別、對齊和多維數(shù)據(jù)綜合分析,是提高管道內(nèi)檢測質(zhì)量的重要發(fā)展方向。在數(shù)據(jù)對齊方法方面,孫浩等[7-10]針對長輸管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的對齊方法進行了研究,提出了基于關(guān)鍵點的數(shù)據(jù)對齊方法和算法模型。在數(shù)據(jù)對齊和綜合應(yīng)用方面,張曼杰等[11-12]對內(nèi)檢測數(shù)據(jù)進行深度分析,并用于管道的剩余強度和剩余壽命評價;于航等[13]開展了管道腐蝕數(shù)據(jù)綜合分析研究,并識別出了20處潛在腐蝕風(fēng)險點;滕延平等[14]對高溫原油管道的內(nèi)外檢測數(shù)據(jù)進行比對,并評價了管道防腐層的剝離情況。

以華中地區(qū)某段在役成品油管道為例,通過整合內(nèi)外檢測、開挖驗證、地面標(biāo)志樁牌、高后果區(qū)等多源管道數(shù)據(jù),開展了數(shù)據(jù)對齊及綜合分析,得到了該段管道的總體完整性情況,識別出了潛在高風(fēng)險點,并為修復(fù)或下一輪檢測提出了針對性建議,有效保障了該管道的安全運行。

1 多源數(shù)據(jù)對齊方法

1.1 對齊方法及流程

數(shù)據(jù)對齊是數(shù)據(jù)綜合分析的前提條件,數(shù)據(jù)對齊的質(zhì)量好壞直接影響后續(xù)數(shù)據(jù)綜合分析工作的準(zhǔn)確性。祝明等[15]認為管道內(nèi)外檢測的數(shù)據(jù)對齊應(yīng)以內(nèi)檢測數(shù)據(jù)為準(zhǔn),可采用管段劃分、外檢測數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、插值方法和結(jié)果驗證的步驟實現(xiàn)對齊,且對齊結(jié)果精度相對較高。由于內(nèi)外檢測數(shù)據(jù)采集方式、對象以及精度要求不同,對齊方式直接關(guān)系到結(jié)果的準(zhǔn)確性,同時數(shù)據(jù)對齊后還應(yīng)便于拆分,以實現(xiàn)不同年限同類數(shù)據(jù)的獨立分析。

筆者推薦采用以GPS(全球定位系統(tǒng))為基準(zhǔn),采用圖層疊加式的對齊方式進行對齊(見圖1)。對于不同年限完成的內(nèi)外檢測,可在圖層基礎(chǔ)上設(shè)子圖層加以區(qū)分。底圖層以管道的焊縫、閥門、測試樁等作為基本特征,以基線檢測得到的管道基本特征GPS定位(經(jīng)緯度和高程坐標(biāo))數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的高斯平面坐標(biāo)作為底圖層的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)對齊過程中,應(yīng)根據(jù)不同特征進行多次對齊調(diào)整,先粗略對齊,再精細對齊。

圖1 管道數(shù)據(jù)對齊方式及圖層疊加示意

焊縫對齊是缺陷對齊的前提條件,由于焊縫數(shù)據(jù)量大,在對齊過程中最容易出現(xiàn)錯誤。一旦對齊發(fā)生錯誤,會對后續(xù)數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果造成較大影響。焊縫對齊環(huán)境應(yīng)以基準(zhǔn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn),進行分段對齊。針對多次內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對齊過程中出現(xiàn)的錯誤,應(yīng)及時進行核查和修正。

1.2 數(shù)據(jù)對齊實例

利用上述對齊方法,對表1所示的某管道不同年限數(shù)據(jù)進行對齊。因為該管道首次基線檢測未在新建投產(chǎn)前開展,所以數(shù)據(jù)對齊以2015年檢測的中心線數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù),檢測出的基本特征為6個閥門、164個彎頭和6 776個環(huán)焊縫。

表1 某管道對齊數(shù)據(jù)信息

在數(shù)據(jù)對齊過程中,多次內(nèi)外檢測數(shù)據(jù)分別以基準(zhǔn)數(shù)據(jù)為參考進行對齊。數(shù)據(jù)對齊驗證環(huán)節(jié),首先進行閥門對齊,驗證對齊完成后,再進行彎頭對齊驗證,最后進行焊縫對齊。經(jīng)過多次驗證,最終實現(xiàn)該管道的數(shù)據(jù)對齊。

2015年內(nèi)檢測報告焊縫6 760個,2021年內(nèi)檢測報告焊縫6 559個。經(jīng)比對分析發(fā)現(xiàn),兩輪焊縫數(shù)量及部分焊縫未能對齊的原因有3個,具體如表2所示。

表2 焊縫對齊不一致原因

通過分析兩輪內(nèi)檢測的焊縫對齊數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)2015年檢測數(shù)據(jù)中有多處管長超標(biāo)問題,管節(jié)長度超過正常管長的統(tǒng)計結(jié)果如表3所示(管線是由數(shù)節(jié)鋼管通過焊接組成,每節(jié)鋼管的長度不超過12 m,此處是超過正常管長的數(shù)據(jù)),經(jīng)分析該問題主要是焊縫漏標(biāo)或誤標(biāo)、里程輪打滑、特征標(biāo)注方式不一致等因素造成。

表3 管節(jié)長度超過正常管長統(tǒng)計 m

2 基于對齊數(shù)據(jù)的綜合分析

基于多次內(nèi)外檢測等多源數(shù)據(jù)的獨立分析評價,僅能分析缺陷的位置和嚴重性,無法跟蹤活性缺陷隨時間的發(fā)展趨勢,從而導(dǎo)致不能夠精細指導(dǎo)未來的維修計劃,基于數(shù)據(jù)對齊的油氣管道綜合評價可解決上述問題。

最新國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 42033-2022《油氣管道完整性評價技術(shù)規(guī)范》 第5章中,明確要求在開展評價前應(yīng)對不同來源數(shù)據(jù)進行整合對齊、質(zhì)量和統(tǒng)計分析,以及確定缺陷的影響程度、分布規(guī)律、致因因素等,這已成為油氣管道適用性評價前不可缺少的環(huán)節(jié),也是綜合分析評價最重要的部分之一。

正如1.2節(jié)所述,在完成數(shù)據(jù)對齊后,應(yīng)開展數(shù)據(jù)對齊效果和質(zhì)量的分析,了解數(shù)據(jù)對齊偏差原因,如焊縫等管道特征漏標(biāo)或漏報、管長超標(biāo)等信息,并在此基礎(chǔ)上修正部分已確認的數(shù)據(jù)偏差,以達到最佳對齊效果。確認數(shù)據(jù)對齊工作完成后,可進一步開展綜合分析,包括統(tǒng)計對比、可視化展示、不同區(qū)段管道質(zhì)量分布及缺陷增長情況等。

2.1 缺陷統(tǒng)計及對比

根據(jù)兩輪內(nèi)檢測對齊數(shù)據(jù)中的缺陷與焊縫位置關(guān)系,統(tǒng)計對比了質(zhì)量百分數(shù)不小于5%的內(nèi)外金屬損失缺陷以及幾何變形,其結(jié)果如表4所示?？梢妰奢唭?nèi)檢測缺陷點數(shù)量的差異較大,主要原因為:①檢測器性能的提升,如兩軸變?nèi)S、通道間隔縮小、采樣頻率更高等;②數(shù)據(jù)信號分析人員技能提升;③腐蝕發(fā)生了增長。

表4 管道內(nèi)檢測缺陷數(shù)量統(tǒng)計

2.2 金屬損失缺陷分析

2.2.1 內(nèi)部金屬損失致因分析

對兩輪內(nèi)檢測數(shù)據(jù)中內(nèi)部金屬損失(質(zhì)量百分數(shù)≥5%)的里程和時鐘方位分布進行分析,其結(jié)果如圖2所示。發(fā)現(xiàn)兩次檢測得到的內(nèi)部金屬損失主要分布在10～20 k m 和40～50 k m 里程,且80%集中在4～7點鐘方位。結(jié)合管道的高程走勢,低洼處積水導(dǎo)致的管道內(nèi)腐蝕數(shù)量相對較多,管道里程為40～50 k m 的高程走勢以及對應(yīng)的缺陷分布關(guān)系如圖3所示。建議下一輪內(nèi)檢測重點應(yīng)關(guān)注內(nèi)腐蝕較嚴重位置的發(fā)展趨勢,針對腐蝕增長較快的點進行開挖驗證,必要時對其進行監(jiān)測,掌握腐蝕的增長情況并評估缺陷點的剩余強度,同時要進行致因分析,從而保障管道的安全運行。

圖2 管道內(nèi)部金屬損失分布

圖3 管道里程為40～50 k m的高程走勢以及對應(yīng)的缺陷分布關(guān)系

2.2.2 外部金屬損失致因分析

通過分析兩輪內(nèi)檢測數(shù)據(jù)中外部金屬損失(質(zhì)量百分數(shù)≥5%)缺陷的管道里程和時鐘方位分布(見圖4),發(fā)現(xiàn)外部金屬損失位于30 k m 和70 k m附近的數(shù)量相對較多,但在時鐘方位上無明顯聚集。該段管道穿越農(nóng)田和魚塘,缺陷較多原因不明,應(yīng)作為下次檢測重點對比分析區(qū)段。管道外部金屬損失與環(huán)焊縫關(guān)系如圖5所示,可見距環(huán)焊縫±0.2 m 范圍內(nèi)的外部金屬損失點達19.8%,分布在環(huán)焊縫及熱影響區(qū)范圍內(nèi)的外部金屬損失缺陷相對比較密集。結(jié)合2021年內(nèi)檢測開挖驗證,最深的3處外部金屬損失均為環(huán)焊縫周圍補口帶下外部腐蝕缺陷,原因為環(huán)焊縫處補口帶現(xiàn)場施工質(zhì)量較差,土壤中的水、微生物等接觸管體引起外部金屬腐蝕,應(yīng)加強關(guān)注。

圖4 管道外部金屬損失缺陷分布

圖5 管道外部金屬損失與環(huán)焊縫關(guān)系(±0.2 m以內(nèi))

2.3 環(huán)焊縫異常綜合分析

2021年內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫異常53處,其中2處環(huán)焊縫嚴重異常,對其進行開挖驗證,確認為焊縫未焊滿。由此可知,基于內(nèi)檢測數(shù)據(jù),結(jié)合所處位置、承載情況等信息,定性或定量分析識別環(huán)焊縫異常,有助于減少環(huán)焊縫失效事故的發(fā)生。同時,針對高鋼級管道,應(yīng)結(jié)合焊縫底片復(fù)評、環(huán)境調(diào)查、承載預(yù)判等危害因素識別方式,對較為嚴重的環(huán)焊縫異常進行常風(fēng)險評估,并對高風(fēng)險的環(huán)焊縫異常進行開挖檢測,驗證其安全性。

2.4 河流穿越等高后果區(qū)管段缺陷情況

經(jīng)管道內(nèi)外檢測數(shù)據(jù)的綜合分析,確定高后果區(qū)內(nèi)的管道本體缺陷62處,其中4處建議開挖驗證,6處建議重點關(guān)注。結(jié)合管道路由、穿越河流和魚塘的影像信息,發(fā)現(xiàn)位于河流穿越段的管道本體缺陷30處,其中管體損傷質(zhì)量百分數(shù)大于20%的缺陷7處,是下一輪內(nèi)檢測的重點關(guān)注對象。

2.5 缺陷增長顯著性分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0087-2016《鋼質(zhì)管道及儲罐腐蝕評價標(biāo)準(zhǔn) 第5部分:油氣管道腐蝕數(shù)據(jù)綜合分析》,可對管道內(nèi)外金屬損失缺陷進行增長顯著性分析,判斷缺陷是否為活性腐蝕點。判斷方法為:①得到前后兩次內(nèi)檢測的缺陷真實尺寸;②計算缺陷尺寸分布概率密度函數(shù)的重合系數(shù)ρ,見式(1);③ρ≤0.5,判定缺陷已增長,為活性腐蝕;反之,ρ＞0.5,可認為缺陷未增長,為非活性腐蝕。

式中:ρ為重合系數(shù),代表兩個概率密度函數(shù)分布之間的重合程度;f1(x)和f2(x)分別為前后兩次內(nèi)檢測得到的缺陷真實尺寸分布的概率密度函數(shù),可由返回指定平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的正態(tài)分布函數(shù)(NORMDIST函數(shù))確定,即NORMDIST(x,m,s,c),其中x為內(nèi)檢測缺陷真實尺寸分布的數(shù)值;m為分布均值;s為分布標(biāo)準(zhǔn)偏差;c為函數(shù)形式邏輯值,如果c為TRUE(真),則NORMDIST 返回累積分布函數(shù);如果為FALSE(誤),則返回概率密度函數(shù)。

根據(jù)式(1)對該實例管道檢測發(fā)現(xiàn)的金屬損失缺陷(質(zhì)量百分數(shù)≥15%)進行缺陷增長顯著性分析,共發(fā)現(xiàn)活性腐蝕點150處,其中內(nèi)部金屬損失活性腐蝕點15處,外部金屬損失活性腐蝕點135處,建議將上述活性腐蝕點作為下一輪檢測的重點關(guān)注對象,且根據(jù)腐蝕嚴重性進行針對性抽檢驗證。

3 結(jié)語

結(jié)合工程實例,研究了成品油管道多源數(shù)據(jù)對齊和綜合分析方法,掌握了管道的真實狀況,識別出了管道存在的活性缺陷點、異常焊縫、關(guān)鍵位置缺陷等高風(fēng)險點,并為下一輪內(nèi)檢測和風(fēng)險消減提出了針對性建議。

隨著油氣管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的不斷積累,基于數(shù)據(jù)對齊的管道綜合分析將成為未來管道完整性狀況評價的重點。