管道完整性管理過程中管道中線數(shù)據(jù)的應(yīng)用與優(yōu)化

劉翼 王波 彭強 成海軍 李躍東 解金良

1中國石油管道有限責(zé)任公司西氣東輸分公司科技信息中心

2四川德源石油天然氣工程有限公司

3中國石油遼河油田分公司曙光采油廠

由“被動維修”轉(zhuǎn)變?yōu)榛跀?shù)據(jù)評價的“主動維修”，逐步向基于風(fēng)險的完整性管理發(fā)展，以及由模塊化管理推動數(shù)據(jù)的“主動應(yīng)用”，明確工作重點是實現(xiàn)管道數(shù)據(jù)管理的最終目標[1-2]。現(xiàn)階段，管道數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用遭遇瓶頸，主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)類型多而雜、關(guān)聯(lián)性較差、精度低，無法實現(xiàn)管道完整性管理中的深層次應(yīng)用。管道中線數(shù)據(jù)作為管道核心數(shù)據(jù)之一，具有精度高、關(guān)聯(lián)性好等特點，在數(shù)據(jù)展示、分析等方面應(yīng)用廣泛。根據(jù)應(yīng)用需求分析現(xiàn)有管道中線數(shù)據(jù)現(xiàn)狀，在滿足需求與規(guī)范的情況下提出相應(yīng)的中線數(shù)據(jù)恢復(fù)措施，為運營單位開展相關(guān)業(yè)務(wù)提供參考[3]。

1 中線數(shù)據(jù)在管道管理過程中的應(yīng)用

1.1 特征屬性基準

隨著時間推移，管道數(shù)據(jù)量會越來越大，因此構(gòu)建完整性管理平臺需建立數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，形成網(wǎng)絡(luò)化、結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)分類與管理尤為重要[4-5]。以內(nèi)檢測數(shù)據(jù)為例，不同時間段的內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對同一管道特征的編號、里程、時鐘等要素的定義會隨著累積誤差而變化（圖1），因此通過單一要素的數(shù)據(jù)管理、匹配不能實現(xiàn)兩次檢測數(shù)據(jù)的對齊，特征的相對位置關(guān)系也會發(fā)生變化。運營者無法通過數(shù)據(jù)比對分析管道風(fēng)險，數(shù)據(jù)的應(yīng)用、分析不能有效擴展，同時無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)歸類、集成化管理。

圖1 同一管道兩次內(nèi)檢測數(shù)據(jù)表述不統(tǒng)一情況Fig.1 Non-uniform condition of two inspections for the same pipeline

管道中線數(shù)據(jù)可提供閥門、三通、彎頭、管道附屬物等特征地理位置信息，該坐標信息以大地作為基準面，在空間上可以準確反應(yīng)物體位置關(guān)系，不會隨著時間、角度、檢測技術(shù)的改變而發(fā)生變化，因此以管道中線坐標作為管道特征屬性基準進行數(shù)據(jù)編碼具有唯一性與準確性，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理中的快速查詢與比對功能。

1.2 GIS展示與特征定位

GIS技術(shù)在管道行業(yè)應(yīng)用廣泛，是優(yōu)良的數(shù)據(jù)采集、處理平臺[6-9]。管體缺陷維修維護是管道運營的首要任務(wù)，而定位則是進行管體缺陷維修維護的基礎(chǔ)。由于管道檢測數(shù)據(jù)相對獨立，單一數(shù)據(jù)類型無法準確獲得管道環(huán)境信息，因此只能通過現(xiàn)場踏勘或者挖探坑的方式試探性進行位置確認。此種方式致使修復(fù)作業(yè)進度緩慢，同時造成大量的資源浪費，如何通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)分析提高工作效率是各方亟待解決的問題。

獲得準確的管道中線數(shù)據(jù)以后，可結(jié)合GIS技術(shù)將不同管道數(shù)據(jù)進行疊加展示。GIS展示底層數(shù)據(jù)時如不具備展示條件，可通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、匹配進行坐標轉(zhuǎn)換、計算。通過管道特征坐標進行位置關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)管道地面環(huán)境以及剖面形態(tài)的直觀反應(yīng)。業(yè)務(wù)人員可在室內(nèi)完成管道環(huán)境調(diào)查，包含坐標、相對位置關(guān)系、地面類型、埋深等內(nèi)容。該種方式既實現(xiàn)了管道特征的快速定位與可開挖性分析，又能通過多源數(shù)據(jù)疊加進行管道風(fēng)險后果識別，對完整性管理過程起到了優(yōu)化作用。

1.3 內(nèi)腐蝕分析

內(nèi)腐蝕分析是管道完整性管理的重要組成部分，以管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)作為內(nèi)腐蝕風(fēng)險分析依據(jù)是目前較為成熟的技術(shù)方式[10-11]。單一的內(nèi)檢測數(shù)據(jù)只能針對高風(fēng)險的缺陷點進行維修維護，而局部和區(qū)域性的內(nèi)腐蝕傾向、腐蝕發(fā)展則需要依據(jù)內(nèi)檢測數(shù)據(jù)與其他檢測數(shù)據(jù)相結(jié)合進行腐蝕風(fēng)險管理。

管道內(nèi)腐蝕一般呈現(xiàn)底部集中趨勢，內(nèi)檢測器能夠檢測出疑似內(nèi)腐蝕點的時鐘位置分布以及缺陷尺寸信息，但是檢測器也存在誤判的情況，在有限的資金要求下，只需要對具有發(fā)展性的腐蝕缺陷進行關(guān)注。此種需求下可結(jié)合管道中線測繪數(shù)據(jù)進行內(nèi)腐蝕分析。綜合性分析步驟如下：

（1）按照NACE SP0206—2006《干天然氣輸送管道內(nèi)腐蝕直接評價法》中的DG-ICDA間接檢測的方法，采集管道高程數(shù)據(jù)，通過計算管道積液臨界傾角得到管道可能發(fā)生內(nèi)腐蝕的區(qū)域。臨界傾角計算公式為

式中：θ為臨界傾角，(°)； ρl為液體密度，g/cm3； ρg為氣體密度，g/cm3； g為重力加速，m/s2； did為內(nèi)徑，mm；Vg為表觀氣體流速，m/s。

（2）依據(jù)內(nèi)檢測數(shù)據(jù)，分析內(nèi)部金屬損失在管道底部（4：00—8：00時鐘）是否存在一定的集中趨勢，并提取疑似存在內(nèi)腐蝕缺陷的相關(guān)信息。將管道疑似內(nèi)腐蝕發(fā)生位置與管道中線測繪高程進行位置疊加分析，并計算管道中心線相鄰測量點之間的管道傾角。通過管道線性展示與臨界傾角的比對，確認管道疑似內(nèi)腐蝕位置在管道地勢較低處是否重合（圖2）。

圖2 臨界傾角計算與高程位置疊加Fig.2 Critical inclination calculation and elevation position superposition

（3）對重合區(qū)域進行開挖驗證，結(jié)合開挖驗證結(jié)果提出內(nèi)腐蝕控制措施，如增加清管頻率，縮短內(nèi)檢測周期，采用超聲導(dǎo)波監(jiān)測等。

2 中線數(shù)據(jù)現(xiàn)狀

2.1 標準及規(guī)范要求不足

現(xiàn)階段，利用地面探測技術(shù)+定位測量技術(shù)獲取管道中線位置參數(shù)是比較普遍的做法，該過程周期較長，人員操作水平要求高，質(zhì)量影響因素多。目前，國內(nèi)針對管道中線數(shù)據(jù)采集、定位的規(guī)范較少，部分內(nèi)容不適用或者不全面，無法獲得滿足完整性管理需求的管道中線數(shù)據(jù)。標準及規(guī)范的不足之處是：①針對采集要素、誤差影響因素、質(zhì)量控制措施要求不夠全面；②采集數(shù)據(jù)的探查作業(yè)與精度要求未分類說明，部分場景欠缺；③數(shù)據(jù)的采集、修正以及使用目的不夠明確，造成數(shù)據(jù)現(xiàn)狀錯亂、不匹配；④未充分考慮已有控制信息、采集數(shù)據(jù)關(guān)系，造成一定的資源浪費以及數(shù)據(jù)重復(fù)。

2.2 應(yīng)用層級低

管道中線數(shù)據(jù)采集分為建設(shè)期與運營期兩個階段。建設(shè)期采集管道特征要素較少，沒有管道埋深與環(huán)境信息，受控制系統(tǒng)影響，數(shù)據(jù)不能統(tǒng)一管理與GIS展示；運營期采集中線數(shù)據(jù)普遍未做平滑處理，由于采集內(nèi)容、密度存在規(guī)范上的局限性，數(shù)據(jù)的應(yīng)用偏差較大或無法進行關(guān)聯(lián)匹配。結(jié)合上述標準及規(guī)范要求不足的情況，造成管道中線測繪數(shù)據(jù)的應(yīng)用層級較低，大多數(shù)據(jù)只是簡單的記錄、存檔，并沒有充分挖掘數(shù)據(jù)的價值[12-14]。管道中線數(shù)據(jù)管理流程如圖3所示。

圖3 管道中線數(shù)據(jù)管理流程Fig.3 Management process of pipeline center line date

3 中線數(shù)據(jù)優(yōu)化措施

管道完整性管理已進入深度研究與實施拓展階段，管道中線數(shù)據(jù)作為底層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存在較大偏差與不足，必然會對部分業(yè)務(wù)的開展造成影響。對于運營單位而言，可以建設(shè)期采集的坐標為基礎(chǔ)，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為國家2 000坐標系進行驗證，對拐點、地勢變化處進行數(shù)據(jù)補充采集，結(jié)合內(nèi)檢測數(shù)據(jù)實現(xiàn)管道中線數(shù)據(jù)的優(yōu)化與恢復(fù)；以內(nèi)檢測器作為載體，搭載慣性測量單元（IMU）也可對中線數(shù)據(jù)進行恢復(fù)。除此之外，最好的管道中線數(shù)據(jù)獲得方式是在建設(shè)期進行數(shù)據(jù)的完整性采集，此過程需運營單位提供完整的數(shù)據(jù)采集模版與規(guī)范要求，同時需對數(shù)據(jù)進行平滑處理以及一致性復(fù)核，最終成果才能滿足數(shù)字化管道建設(shè)需求。

4 結(jié)束語

管道中線測繪數(shù)據(jù)在油氣管道完整性管理中具有很好的應(yīng)用價值。由于管理理念與技術(shù)的限制，部分管道中線數(shù)據(jù)尚不完整，同時數(shù)據(jù)精度無法保證，造成現(xiàn)有管道中線數(shù)據(jù)應(yīng)用層級較低。對運營單位而言，結(jié)合現(xiàn)有測繪數(shù)據(jù)對管道中線進行數(shù)據(jù)恢復(fù)是較為可行、經(jīng)濟的解決方法。為避免后期出現(xiàn)重復(fù)性工作，后期開展中線測繪業(yè)務(wù)時，運營單位應(yīng)結(jié)合自身需求與完整性管理需要對數(shù)據(jù)采集內(nèi)容、格式以及應(yīng)用方向進行明確，充分考慮數(shù)據(jù)對齊與匹配場景[15]。