基于WEBGIS的數(shù)字化管道腐蝕數(shù)據(jù)綜合分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)

盧涵宇 袁詠儀 張旭

摘 要：本文研究的系統(tǒng)采用了多次線性回歸統(tǒng)計(jì)法，綜合運(yùn)用土壤腐蝕性分級(jí)評(píng)價(jià)機(jī)制、涂層檢測(cè)分級(jí)檢測(cè)機(jī)制、陰極保護(hù)有效性評(píng)價(jià)、剩余強(qiáng)度和剩余壽命預(yù)測(cè)等多項(xiàng)技術(shù)，建立一套科學(xué)的管道綜合監(jiān)管電子系統(tǒng)，準(zhǔn)確提煉出油氣管道的強(qiáng)度、壽命、負(fù)荷量等關(guān)鍵性指標(biāo)，保障油氣管道的安全運(yùn)行，最大限量減少腐蝕爆管事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：WEBGIS；管道腐蝕；腐蝕檢測(cè)數(shù)據(jù)；多次線性回歸統(tǒng)計(jì)法；空間查詢

管道腐蝕與防護(hù)技術(shù)是一項(xiàng)多學(xué)科、前沿化、高科技的系統(tǒng)工程，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不少老管線老設(shè)施已接近其壽命期，大量管道防腐層老化，腐蝕狀況嚴(yán)重，腐蝕事故有增長的趨勢(shì)，有的已進(jìn)入事故的多發(fā)期。實(shí)踐證明，及早檢漏、利用在線檢測(cè)結(jié)果科學(xué)地管理和及時(shí)的維修是至關(guān)重要的。一旦問題暴露，則將造成不可估量的損失，如發(fā)生在2013年12月4日的青島市天臺(tái)一路發(fā)生燃?xì)獗ㄊ鹿?，該事故造?2人死亡的重大災(zāi)難。因此管道在線檢測(cè)對(duì)管線及時(shí)維護(hù)、管道壽命評(píng)價(jià)的必要性，會(huì)給企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 國內(nèi)外管道內(nèi)腐蝕檢測(cè)技術(shù)

國外使用較為廣泛的管道內(nèi)腐蝕檢測(cè)方法是漏磁通法和超聲波檢測(cè)法。

1.1 漏磁通法

檢測(cè)的基本原理是建立在鐵磁材料的高磁導(dǎo)率這一特性之上。鋼管中因腐蝕產(chǎn)生缺陷處的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于鋼管的磁導(dǎo)率，鋼管在外磁場作用下被磁化，當(dāng)鋼管中無缺陷時(shí)，磁力線絕大部分通過鋼管，此時(shí)磁力線均勻分布；當(dāng)鋼管內(nèi)部有缺陷時(shí)，磁力線發(fā)生彎曲，并且有一部分磁力線泄漏出鋼管表面。檢測(cè)被磁化鋼管表面逸出的漏磁通。就可判斷缺陷是否存在。漏磁通法適用與檢測(cè)中小型管道，可以對(duì)各種管壁缺陷進(jìn)行檢驗(yàn)，檢測(cè)時(shí)不需要耦合劑，也不容易發(fā)生漏檢?？墒且蚵┐磐ǚㄖ幌抻诓牧媳砻婧徒砻娴臋z測(cè)，被檢測(cè)的管壁不能太厚，干擾因素多，空間分辨力低。另外，小而深的管壁缺陷處的漏磁信號(hào)大得多，所以漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)往往需要經(jīng)過校驗(yàn)才能使用。檢測(cè)過程中當(dāng)管道所用的材料混有雜質(zhì)時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)虛假數(shù)據(jù)。

1.2 超聲波法

超聲波檢測(cè)法主要是利用超聲波的脈沖反射原理來測(cè)量管壁受蝕后的厚度。這種檢測(cè)方法是管道腐蝕缺陷深度和位置的直接檢測(cè)方法，檢測(cè)原理簡單，對(duì)管道材料的敏感性小，檢測(cè)時(shí)不受管道材料雜質(zhì)的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)厚壁大管徑的管道進(jìn)行精確檢測(cè)，使被檢管道不受壁厚的限制。能夠檢測(cè)出管道的變形和內(nèi)外壁腐蝕。此外，超聲波法的檢測(cè)數(shù)據(jù)簡單準(zhǔn)確，且無需校驗(yàn)，檢測(cè)數(shù)據(jù)非常適合作為管道最大允許輸送壓力的計(jì)算，為檢測(cè)后確定管道的使用期限和維修方案提供了極大的方便，并能夠檢測(cè)出管道的應(yīng)力腐蝕破裂和管壁內(nèi)的缺陷如夾雜等。這種方法的不足之處就是超聲波在空氣中衰減很快，檢測(cè)時(shí)一般要有聲波的傳播介質(zhì)，如油或水等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及功能特點(diǎn)

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以WEBGIS為基礎(chǔ)平臺(tái)，集成陰極保護(hù)電位自動(dòng)采集系統(tǒng)，全面管理來自土壤采樣分析、涂層檢測(cè)、陰極保護(hù)相關(guān)的防腐蝕數(shù)據(jù)，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的綜合分析和評(píng)價(jià)，逐步建立準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠的管道防腐蝕綜合判定標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而由此建立管道防腐蝕決策依據(jù)以及自動(dòng)決策系統(tǒng)，最終達(dá)到準(zhǔn)確分析和預(yù)測(cè)油氣管道的剩余強(qiáng)度和剩余壽命，對(duì)管道安全輸運(yùn)和生產(chǎn)起到全面的監(jiān)控和安全預(yù)警作用。

2.1 系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

（1）采用線性回歸對(duì)每個(gè)單一指標(biāo)確定影響范圍（權(quán)重），根據(jù)排序結(jié)果和給出的影響范圍以及發(fā)現(xiàn)的規(guī)律和技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，采用多次線性回歸，提出的土壤腐蝕性綜合評(píng)價(jià)方法來實(shí)現(xiàn)不同土壤環(huán)境的埋地管道土壤腐蝕性分級(jí)，便于有效控制管道腐蝕，減少腐蝕爆管事故。

（2）運(yùn)用涂層檢測(cè)分級(jí)評(píng)析。我們認(rèn)為影響涂層失效的外部因素主要是土壤中的氧（含溶解氧）、水分及其他無機(jī)有機(jī)離子，由此而導(dǎo)致涂層組分組合關(guān)系發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性遭到破壞，材料逐漸老化是涂層失效的內(nèi)在主要因素。對(duì)于現(xiàn)用管道涂層，可根據(jù)涂層。

失效系數(shù)AI結(jié)合對(duì)涂層/金屬界面的腐蝕反應(yīng)發(fā)生情況及粘接力失去程度判斷涂層的失效程度。由涂層失效模型指數(shù)AI表達(dá)式，經(jīng)代入相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)際所得結(jié)果表明，該模型對(duì)判斷埋地管道涂層失效狀況具有重要的指導(dǎo)意義。對(duì)于管道保護(hù)起到至關(guān)重要的作用。

（3）陰極保護(hù)性。系統(tǒng)解決了行業(yè)中沒有提供的極化電位測(cè)試方法，最大保護(hù)電位的取值，酸性環(huán)境電位控制問題，這在國內(nèi)是首開先河。

（4）剩余強(qiáng)度，剩余壽命評(píng)價(jià)。通過對(duì)大量事故的分析、對(duì)數(shù)條在役含缺陷天然氣壓力管道剩余強(qiáng)度的評(píng)價(jià)和對(duì)多段含缺陷壓力管道全尺寸試驗(yàn)，證明開發(fā)技術(shù)、評(píng)價(jià)結(jié)論是可靠的，同類缺陷各級(jí)評(píng)價(jià)之間的銜接是合理的。

2.2 系統(tǒng)主要功能特點(diǎn)

（1）建立一套能適應(yīng)惡劣環(huán)境、溫度、滿足一定精度要求，對(duì)于環(huán)境惡劣長時(shí)間人力無法到達(dá)的地區(qū)實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)電位的自動(dòng)監(jiān)測(cè)軟硬件系統(tǒng)；

（2）根據(jù)防腐蝕數(shù)據(jù)的綜合評(píng)價(jià)以及評(píng)估模型的循環(huán)應(yīng)用，建立更為精確的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及決策模型；

（3）該系統(tǒng)的建立的終極目的不是為管道輸運(yùn)單位建立一個(gè)簡單的軟件系統(tǒng)，而是為管道的生產(chǎn)運(yùn)行建立基于GIS（地理信息系統(tǒng)的）安全數(shù)據(jù)中心：包括各種腐蝕檢測(cè)數(shù)據(jù)（包括土壤、涂層、陰極保護(hù)、剩余強(qiáng)度和剩余壽命、檢測(cè)和維護(hù)決策，以及內(nèi)腐蝕相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)，失效案例、知識(shí)庫以及外界異常報(bào)告等）、對(duì)這些檢測(cè)數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)分析以及相關(guān)的數(shù)據(jù)管理和報(bào)表功能；應(yīng)用現(xiàn)代迅速發(fā)展的GIS可視化空間信息分析、顯示、表達(dá)技術(shù)，根據(jù)管道要素的分布、數(shù)量、相關(guān)性因素等，把涉及的信息以三維空間形式形象表達(dá)出來，建成個(gè)先進(jìn)的管網(wǎng)電子沙盤信息系統(tǒng)，為日常工作管理、各種信息數(shù)據(jù)管理、戰(zhàn)略指揮提供決策功能；

（4）管道安全檢測(cè)涵蓋內(nèi)腐蝕以及外腐蝕兩個(gè)方面，該系統(tǒng)的研制為這連個(gè)方面的腐蝕檢測(cè)都提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理，因此它是國內(nèi)第一個(gè)全面涵蓋腐蝕控制各個(gè)方面的管道完整性評(píng)價(jià)分析系統(tǒng)；

（5）在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中兼顧了標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也采用國際先進(jìn)的評(píng)價(jià)分析標(biāo)注（比如用于評(píng)價(jià)剩余強(qiáng)度和剩余壽命的SY/T6151，ASME B31G以及API975），還置入了先進(jìn)的數(shù)學(xué)分析模型（主成份分析法），真正實(shí)現(xiàn)了軟件的數(shù)據(jù)分析的智能升級(jí)，使系統(tǒng)的評(píng)價(jià)分析結(jié)果具備了更強(qiáng)的可靠性以及科學(xué)性；

（6）系統(tǒng)軟硬件結(jié)合，通過光纖通訊實(shí)現(xiàn)了陰極保護(hù)檢測(cè)樁電流電位數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，減少了人工檢測(cè)采集的大量投入與工作，同時(shí)也增加了數(shù)據(jù)采集的密度，對(duì)陰極保護(hù)狀況的監(jiān)測(cè)更加及時(shí)有效，實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)的實(shí)時(shí)報(bào)警和分析；

3 基于WEBGIS的數(shù)字化管道腐蝕數(shù)據(jù)綜合分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)全面采用了最新的軟件技術(shù)，包括Web2.0的Ajax技術(shù)、全新的.NET Framework2.0框架以及Microsoft Visual Studio 2005開發(fā)工具，系統(tǒng)的實(shí)施采用了微軟推薦的設(shè)計(jì)架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上增加了工廠設(shè)計(jì)模式構(gòu)成了功能更強(qiáng)的擴(kuò)展性更強(qiáng)的8層軟件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，這些技術(shù)的使用進(jìn)一步加強(qiáng)了軟件的穩(wěn)定性、嚴(yán)謹(jǐn)性和可擴(kuò)展性，為以后數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的移植奠定良好基礎(chǔ)；同時(shí)提升了用戶感受，提升了軟件反應(yīng)速度和性能，同時(shí)也增加了軟件使用的生命周期。

3.1 軟件設(shè)計(jì)及技術(shù)

（1）軟件中針對(duì)土壤腐蝕性分級(jí)評(píng)價(jià)機(jī)制、涂層檢測(cè)分級(jí)檢測(cè)機(jī)制、陰極保護(hù)有效性評(píng)價(jià)、剩余強(qiáng)度和剩余壽命預(yù)測(cè)等多項(xiàng)技術(shù)建立的子模塊因?yàn)閿?shù)據(jù)采集渠道不到，數(shù)據(jù)記錄方式不同，評(píng)價(jià)分析方式體現(xiàn)也不同，因此要建立一套統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)軟件導(dǎo)入模板。

（2）評(píng)價(jià)分析結(jié)果圖形化的展示將對(duì)軟件的要求更高，圖形在生成的之前要進(jìn)行大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)組織工作，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)對(duì)比性的背后是不同批次數(shù)據(jù)的采集點(diǎn)的不一致性，因?yàn)椴煌u(píng)價(jià)分析圖表示的數(shù)據(jù)對(duì)象都是獨(dú)立的邏輯單位，柱狀圖和曲線圖的同時(shí)支持是必要的，也將加倍復(fù)雜的邏輯和編碼實(shí)現(xiàn)工作，多種圖形繪制選項(xiàng)同樣增加繪圖的控制的難度。

①AJAX技術(shù)；AJAX可使因特網(wǎng)應(yīng)用程序更小、更快，更友好，在瀏覽器與Web服務(wù)器之間使用異步數(shù)據(jù)傳輸（HTTP請(qǐng)求），這樣就可使網(wǎng)頁從服務(wù)器請(qǐng)求少量的信息。

②WEBGIS技術(shù)；由多主機(jī)，多數(shù)據(jù)庫和多個(gè)客戶端以分布式連接在Internet上而組成，包括以下4個(gè)部分：WEB-GIS瀏覽器（browser），WEB-GIS服務(wù)器，WEB-GIS編輯器（Editor），WEB-GIS信息代理（imformation agent）。

③VR技術(shù)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)，它在多維信息空間上創(chuàng)建一個(gè)虛擬信息環(huán)境，能使用戶具有身臨其境的沉浸感，具有與環(huán)境完善的交互作用能力，并有助于啟發(fā)構(gòu)思。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

（1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)模版的統(tǒng)一制定

系統(tǒng)可以根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)自動(dòng)生成包含管線信息，探坑編號(hào)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的模板，并提供壓縮打包提供下載；在子模塊中管理相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)、進(jìn)行報(bào)表等相關(guān)的所有操作。

（2）清晰明了系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織和管理

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織按照管道防腐蝕的土壤腐蝕、覆蓋層評(píng)價(jià)、陰極保護(hù)等作為獨(dú)立的子模塊為其設(shè)置獨(dú)立的操作菜單，每個(gè)子模塊建立單獨(dú)的基于總體管線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)字典、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)的輸入輸出管理，以及相應(yīng)數(shù)據(jù)模版的生成和管理。

（3）獨(dú)立的公式計(jì)算模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了專門的公式計(jì)算模塊，例如埋片周期、質(zhì)量損失、平均腐蝕速率、厚度損失、電流衰減、防腐層絕緣電阻值等等為系統(tǒng)所有涉及的專業(yè)公式計(jì)算提供自動(dòng)的軟件實(shí)現(xiàn)接口，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（4）強(qiáng)大直觀的評(píng)價(jià)圖形分析結(jié)果

對(duì)相應(yīng)的防腐蝕數(shù)據(jù)提供圖形化的評(píng)價(jià)分析結(jié)果，還可以對(duì)不同時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，從而準(zhǔn)確的掌握管線不同時(shí)間的腐蝕狀況和腐蝕的變化趨勢(shì)。

（5）強(qiáng)大完善統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表

系統(tǒng)每個(gè)子模塊提供單獨(dú)的報(bào)表功能，緊密集成到每個(gè)子模塊的操作菜單中。系統(tǒng)的相關(guān)報(bào)表統(tǒng)一劃分為3類：數(shù)據(jù)報(bào)表、評(píng)價(jià)分析結(jié)果報(bào)表、以及統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表。

（6）靈活合理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

系統(tǒng)除管線結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)單獨(dú)管理之外，還有和土壤腐蝕現(xiàn)成調(diào)查相關(guān)的探坑等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)字典，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理提供邏輯清晰的管理支持。

參考文獻(xiàn)

[1]張超.地理信息系統(tǒng)實(shí)習(xí)教程[M].北京：高等教育出版社，2000.

[2]張明波，龔健雅.地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

（作者單位：貴州京元華騰科技有限公司）