管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)分析軟件開發(fā)及應(yīng)用研究

季壽宏，丁 楠，張國(guó)民，高安平

（1.浙江浙能天然氣運(yùn)行有限公司，浙江 杭州310052；2.無(wú)錫華潤(rùn)燃?xì)庥邢薰?，江蘇無(wú)錫214000）

近年來(lái)，隨著中國(guó)油氣管道運(yùn)行年限的增加，管道事故頻繁發(fā)生，由此推動(dòng)了管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。管道內(nèi)檢測(cè)是目前管道檢測(cè)的主要手段，同時(shí)也是管道完整性管理的重要方法。目前，國(guó)內(nèi)許多管道公司進(jìn)行了管道內(nèi)檢測(cè)，但在數(shù)據(jù)的利用方面，僅僅進(jìn)行了強(qiáng)度校核的工作，尚未開展管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)等數(shù)據(jù)挖掘工作[1]，更缺乏數(shù)據(jù)比對(duì)分析的軟件。

國(guó)外在內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)方面，起步相對(duì)較早，已經(jīng)有大量的數(shù)據(jù)比對(duì)案例。Gu Bill[2]利用數(shù)據(jù)比對(duì)的方法計(jì)算了腐蝕點(diǎn)長(zhǎng)度和深度增長(zhǎng)率，并根據(jù)增長(zhǎng)率信息進(jìn)行了預(yù)測(cè)，進(jìn)而制訂了修復(fù)計(jì)劃。Desjardins Guy[3]分析比對(duì)了管道2個(gè)批次內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)，提出了不同承包商檢測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)辦法。國(guó)內(nèi)在內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)方面，近幾年發(fā)展迅速，提出了一些內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)的展望和方法。王丹丹等[4]提出了缺陷匹配的位置信息特征；王良軍等[5]提出內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)綜合利用和深度挖掘是發(fā)展的趨勢(shì)和方向。

1 內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)方法

內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)包含關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)齊、缺陷匹配、計(jì)算缺陷增長(zhǎng)率、缺陷活性判斷和統(tǒng)計(jì)分析幾個(gè)階段，其中關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)齊和缺陷匹配的步驟不能顛倒。如果關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)齊失敗，則后續(xù)的缺陷匹配可能產(chǎn)生較大錯(cuò)誤，導(dǎo)致數(shù)據(jù)比對(duì)失敗。因此，只有在確保關(guān)鍵點(diǎn)完全對(duì)齊之后才能進(jìn)行其余步驟。以下探討分析數(shù)據(jù)對(duì)齊的方法和注意事項(xiàng)。

1.1 內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)參數(shù)

在管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)類型通常包含焊縫參數(shù)、缺陷參數(shù)和表面位置參數(shù)[6-7]。具體參數(shù)信息見表1所列。

表1 內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)參數(shù)信息

1.2 關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)齊

管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)的第一步是關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)齊，關(guān)鍵點(diǎn)是管道具有的位置信息的特征點(diǎn)，包括環(huán)焊縫、彎頭、三通等特征，管道關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)齊參數(shù)見表2所列。在進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)齊時(shí)，應(yīng)按以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：確定兩管線的起始位置和終點(diǎn)位置；確定首個(gè)焊縫的位置和編號(hào)，將位置對(duì)齊；確定最后一個(gè)環(huán)焊縫的位置，計(jì)算里程位置偏差，分析2次檢測(cè)的誤差信息；統(tǒng)計(jì)環(huán)焊縫數(shù)量，分析2次檢測(cè)環(huán)焊縫的偏差原因；依次對(duì)齊中間的關(guān)鍵點(diǎn)和環(huán)焊縫，對(duì)出現(xiàn)的偏差分析其原因，以便更新數(shù)據(jù)庫(kù)。關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)齊之后，可以將環(huán)焊縫統(tǒng)一編號(hào)，以便后續(xù)的缺陷匹配。

表2 管道關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)齊參數(shù)

管道關(guān)鍵點(diǎn)在對(duì)齊的過(guò)程中，由于受各種因素的影響，2次檢測(cè)的數(shù)據(jù)可能存在偏差，最常見的情況如起始點(diǎn)和終點(diǎn)位置不統(tǒng)一、焊縫漏報(bào)和誤報(bào)等幾種情況。在進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)齊時(shí)，要充分分析出現(xiàn)的偏差，關(guān)鍵點(diǎn)完全對(duì)齊后，才能進(jìn)行缺陷匹配。

1.3 缺陷匹配

在關(guān)鍵點(diǎn)全部對(duì)齊之后，可以根據(jù)位置信息將缺陷點(diǎn)進(jìn)行對(duì)齊。缺陷的參考位置信息主要包含三個(gè)方面：相對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的距離、時(shí)鐘方位、表面位置[4]。相對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的位置，主要選擇相對(duì)環(huán)焊縫的距離，由于每節(jié)管段在12 m左右，因而相對(duì)距離的誤差在可以接受的范圍內(nèi)；時(shí)鐘方位是缺陷點(diǎn)在管道的周向的位置，能夠很好地區(qū)分里程距離相近的缺陷點(diǎn)；表面位置表示缺陷點(diǎn)所處的管壁位置，在內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)中，缺陷點(diǎn)所處的管壁位置能夠較準(zhǔn)確的區(qū)分，因而可以作為缺陷匹配的位置參考點(diǎn)。缺陷匹配位置信息見表3所列。

表3 缺陷匹配位置信息

1.4 缺陷增長(zhǎng)率及缺陷活性判斷

缺陷增長(zhǎng)率可以使用半壽命和全壽命周期計(jì)算方法[8]，其中全壽命缺陷增長(zhǎng)率計(jì)算方法結(jié)果比較保守，得到的缺陷增長(zhǎng)率較大，而半壽命缺陷增長(zhǎng)率計(jì)算方法計(jì)算的結(jié)果就不再保守，具體情況可以根據(jù)管道運(yùn)行公司的準(zhǔn)則選擇計(jì)算方法。

全壽命和半壽命缺陷增長(zhǎng)率計(jì)算公式分別如式（1）和（2）所示：

式中：GRc——缺陷增長(zhǎng)率，mm/a；d1——批次1缺陷深度，mm；d2——批次2缺陷深度，mm；T1——批次1檢測(cè)時(shí)間，a，如果是新增點(diǎn)，表示管道投產(chǎn)時(shí)間；T2——批次2檢測(cè)時(shí)間，a。

缺陷匹配完成之后，對(duì)已經(jīng)匹配成功的點(diǎn)，計(jì)算其缺陷增長(zhǎng)率。根據(jù)匹配的狀態(tài)和缺陷增長(zhǎng)率的狀況，將缺陷分為活性、非活性、新增、漏檢和誤檢五類[9]。由于2個(gè)批次檢測(cè)的精度以及環(huán)境因素的影響，其內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)必然會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，因而在分類的過(guò)程中要設(shè)置合適分類閾值和誤差閾值，以避免產(chǎn)生分類錯(cuò)誤的情況。

1.5 位移分析

位移分析是根據(jù)2個(gè)批次內(nèi)檢測(cè)的管道中心線數(shù)據(jù)，對(duì)管道中心線的數(shù)據(jù)使用光滑算法進(jìn)行光滑處理，然后間隔相同距離計(jì)算垂直偏差和水平偏差。根據(jù)偏差信息可以評(píng)估內(nèi)檢測(cè)位置信息的準(zhǔn)確性，同時(shí)，對(duì)于處在地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的管道，可以評(píng)估滑坡等地質(zhì)條件使管道產(chǎn)生偏移的情況。

2 內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)分析軟件開發(fā)

根據(jù)內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)管理比對(duì)的原理，開發(fā)了管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)分析軟件。該軟件通過(guò)建立管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)管理和分析平臺(tái)，提供各種數(shù)據(jù)比對(duì)的技術(shù)支持，為推行管道完整性管理提供信息與決策支持，達(dá)到減少和預(yù)防管道事故的目的。

軟件包含2個(gè)子模塊11種功能，其中數(shù)據(jù)對(duì)齊子模塊包含數(shù)據(jù)對(duì)齊和缺陷匹配，位移分析子模塊包含管道平面偏差圖和管道高程偏差圖。軟件模塊各功能之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)分析軟件功能模塊示意

3 軟件應(yīng)用分析

該案例是建立在內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)分析軟件的基礎(chǔ)上，對(duì)某天然氣管道前3 k m的內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)比分析后能夠?qū)?批次內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的分類并計(jì)算缺陷增長(zhǎng)率，經(jīng)過(guò)軟件測(cè)試，取得了較好的效果。

3.1 管道信息

該天然氣管道于2007年正式投產(chǎn)使用，分別于2010年和2015年進(jìn)行了管道內(nèi)檢測(cè)，管道的基礎(chǔ)信息見表4所列。

表4 管道基礎(chǔ)信息

3.2 數(shù)據(jù)對(duì)齊

選取2010年和2015年2個(gè)批次的內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)，在操作界面中加載環(huán)焊縫的信息，數(shù)據(jù)對(duì)齊界面如圖2所示。該天然氣管道前3 k m的2個(gè)檢測(cè)批次的內(nèi)檢測(cè)參數(shù)及數(shù)據(jù)見表5所列。

表5 2個(gè)批次內(nèi)檢測(cè)參數(shù)及數(shù)據(jù)

內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)包括數(shù)據(jù)對(duì)齊和缺陷匹配兩部分，數(shù)據(jù)對(duì)齊選擇的關(guān)鍵點(diǎn)是環(huán)焊縫的里程信息。在進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)齊之前，應(yīng)首先確定2個(gè)批次檢測(cè)的起始位置一致，在對(duì)齊的過(guò)程中應(yīng)從前往后依次對(duì)齊，對(duì)中間出現(xiàn)的漏檢和誤檢的情況應(yīng)進(jìn)行一一分析。該案例選用的關(guān)鍵點(diǎn)是環(huán)焊縫，由于環(huán)焊縫的數(shù)量相同，因而進(jìn)行對(duì)齊即可。對(duì)齊的過(guò)程中，由于批次2的置信度更高，因而，以批次2的位置為準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)齊。

該軟件設(shè)置一些快捷操作，以方便焊縫對(duì)齊。數(shù)據(jù)對(duì)齊界面包含2個(gè)批次環(huán)焊縫的里程位置展示，可以拖動(dòng)1條環(huán)焊縫與另外批次的環(huán)焊縫進(jìn)行手動(dòng)對(duì)齊，也可以選擇2條焊縫中的任一位置進(jìn)行自動(dòng)對(duì)齊。在對(duì)齊的過(guò)程中可以選擇撤銷、檢查對(duì)齊、清除標(biāo)記、存草稿、加載草稿、保存對(duì)齊結(jié)果的操作按鈕。數(shù)據(jù)對(duì)齊界面設(shè)置缺陷的位置展示，包括腐蝕、管體制造缺陷、凹陷、直焊縫、環(huán)焊縫、螺旋焊縫和外接金屬物等。對(duì)齊完成之后，選擇保存對(duì)齊結(jié)果，對(duì)齊結(jié)果中包括批次的信息、對(duì)齊時(shí)間、環(huán)焊縫數(shù)目、已對(duì)齊的環(huán)焊縫數(shù)目等，數(shù)據(jù)對(duì)齊界面如圖2所示。

在數(shù)據(jù)對(duì)齊界面選擇缺陷的復(fù)選框，可以在管道里程圖中按照相對(duì)里程位置、時(shí)鐘方位進(jìn)行加載顯示，缺陷分布如圖3所示。根據(jù)加載的缺陷位置信息，可以從里程的角度進(jìn)行初步分析，判斷新增和漏檢點(diǎn)的情況。

圖2 數(shù)據(jù)對(duì)齊界面示意

圖3 缺陷分布示意

3.3 缺陷匹配

缺陷匹配包含腐蝕、管體制造缺陷、凹陷、直焊縫異常、環(huán)焊縫異常、螺旋焊縫異常和外接金屬物七個(gè)方面的匹配內(nèi)容。缺陷匹配中包含活性點(diǎn)閾值范圍選擇、里程誤差設(shè)置等。設(shè)置合理的參數(shù)，可以更準(zhǔn)確地進(jìn)行缺陷匹配、確定缺陷增長(zhǎng)率。

匹配的信息包括：批次1環(huán)焊縫、批次2環(huán)焊縫和已對(duì)齊環(huán)焊縫數(shù)量信息；活性點(diǎn)、非活性點(diǎn)、新增點(diǎn)、漏檢點(diǎn)缺陷數(shù)量信息；缺陷長(zhǎng)度增長(zhǎng)率、深度增長(zhǎng)率等信息。

腐蝕缺陷匹配是根據(jù)缺陷點(diǎn)的位置信息，對(duì)2個(gè)批次的缺陷進(jìn)行匹配。位置信息包括相對(duì)里程位置、表面位置和時(shí)鐘方位三種參考信息，其中相對(duì)里程誤差和分類閾值，需要根據(jù)2個(gè)檢測(cè)批次的精度和置信度進(jìn)行設(shè)置。該案例腐蝕缺陷點(diǎn)活性點(diǎn)的閾值設(shè)置為5%，里程誤差設(shè)置為0.1 m，加載后得到的結(jié)果是活性點(diǎn)48處、非活性點(diǎn)3處、新增點(diǎn)3處、漏檢點(diǎn)3處，腐蝕缺陷匹配界面如圖4所示。

圖4 腐蝕缺陷匹配界面示意

根據(jù)腐蝕缺陷匹配的結(jié)果，計(jì)算缺陷的長(zhǎng)度增長(zhǎng)率和深度增長(zhǎng)率，從圖4中可以看到缺陷點(diǎn)的增長(zhǎng)率情況，根據(jù)增長(zhǎng)率的情況可以計(jì)算管道的腐蝕剩余壽命，從而對(duì)管道的安全運(yùn)行提供了支持。

3.4 位移分析

位移分析包括管道平面偏差圖和管道高程變化圖。管道平面偏差圖根據(jù)管道經(jīng)緯度等坐標(biāo)信息，計(jì)算2個(gè)批次管道在水平方向上的偏差。管道高程變化圖根據(jù)管道高程和里程信息，計(jì)算2個(gè)批次管道高程在里程方向上的偏差。根據(jù)偏差圖可以方便找到2個(gè)批次管道水平面偏差和垂直面高程偏差的最大值，判斷管道內(nèi)檢測(cè)位置信息的有效性，為管道應(yīng)力計(jì)算分析提供支持。

選擇批次1和批次2管道中心線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到2個(gè)批次檢測(cè)數(shù)據(jù)在平面的偏差在5 m以內(nèi)，管道高程偏差在-0.6～0.6 m，位移分析曲線如圖5所示。2個(gè)批次檢測(cè)的管道中心線數(shù)據(jù)的偏差在相對(duì)較小的范圍內(nèi)，可以初步判定2個(gè)檢測(cè)批次位置誤差在可以接受的范圍內(nèi)。

圖5 位移分析曲線示意

4 結(jié) 論

1)分析了管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)的方法，并根據(jù)精度和誤差的情況提出了關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)齊的主要步驟；在分析缺陷數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，只有在缺陷完全對(duì)齊之后，才能進(jìn)行缺陷匹配，并提出關(guān)鍵點(diǎn)匹配的三個(gè)位置信息為相對(duì)里程、時(shí)鐘方位和表面位置；位移分析采用曲線光滑算法和插值算法進(jìn)行處理，分析了管道2個(gè)批次位置偏差的情況，為管道位置校正提供了支持。

2)開發(fā)了管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)分析軟件，具有關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)齊、缺陷匹配和位移分析功能，能夠?qū)?個(gè)批次的內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并能根據(jù)缺陷增長(zhǎng)率自動(dòng)將缺陷進(jìn)行分類。同時(shí)，位移分析功能能夠直觀地分析2個(gè)批次的位置偏差，找到位置偏差的最大值，為管道安全運(yùn)行提供技術(shù)支持，保障管道本質(zhì)安全。

3)管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)分析軟件應(yīng)用表明：該軟件能夠?qū)?個(gè)批次的管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)和位移分析，且分析結(jié)果可靠；能夠完成實(shí)際管道的數(shù)據(jù)比對(duì)工作，為內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理與比對(duì)提供了分析工具。