采油聯(lián)合站輸油管道腐蝕與治理技術(shù)研究

陳東

（江西省天然氣管道有限公司,南昌 330000）

引言

采油聯(lián)合站管道功能較為復(fù)雜，包括輸油管道，天然氣及輕油回收管道，加藥管道，污水及加水管道等，不同管道的腐蝕原理不同，導(dǎo)致不同管道的防腐管理技術(shù)流程也有不同。如何對上述不同管道的防腐蝕技術(shù)進(jìn)行綜合管理，充分降低管道維護(hù)成本，增加管道安全性，是當(dāng)前采油聯(lián)合站輸油管道腐蝕治理工作的核心任務(wù)。本文綜合研究采油聯(lián)合站管道管理技術(shù)，對其進(jìn)行技術(shù)改革及技術(shù)優(yōu)化[1-3]。

1 輸油管道腐蝕原理分析

1.1 基于原電池效應(yīng)的管道腐蝕

根據(jù)煉鋼工藝原理，包括C45鋼在內(nèi)，一般常見鋼材均為C鋼結(jié)構(gòu)，鋼材中的C及S會與Fe形成C-Fe原電池或S-Fe原電池，該兩種原電池均以Fe氧化過程為原電池基本過程，且造成Fe的腐蝕。如圖1。

圖1 一般碳鋼原子結(jié)構(gòu)圖

為對抗原電池效應(yīng)，需要用直流加電法或活躍金屬連接法進(jìn)行原電池過程進(jìn)行抑制，但這種處理方式需要加強(qiáng)監(jiān)控，以防止防腐蝕工藝失效帶來的后果。

1.2 基于管道附著效應(yīng)的管道腐蝕

與原電池效應(yīng)的活躍金屬連接法原理類似，管道中的鹽分、S分等在管道內(nèi)壁沉積，形成惰性原電池電極連接，加速管道的原電池腐蝕效應(yīng)[4,5]。比如在加藥管道、污水管道等管道內(nèi)壁容易發(fā)生鹽分沉積，鹽分中的負(fù)離子等對加速管道氧化腐蝕有顯著作用，主輸油管道、輕油回收管道中因?yàn)橐步?jīng)過加藥處理，其負(fù)離子鹽分也容易形成管道內(nèi)壁的沉積效應(yīng)。且主輸油管道、輕油回收管道等發(fā)生的烴類沉積效應(yīng)，其中的C、S等析出物也容易因?yàn)橛推返恼承詫?dǎo)致內(nèi)壁沉積，這一過程也容易造成管道腐蝕加劇[6,7]。

位對抗管道附著效應(yīng)帶來的管道原電池效應(yīng)加劇腐蝕，需要進(jìn)行管道內(nèi)壁的及時沖洗，及時切換管道的運(yùn)行狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)管道的狀態(tài)檢修。這一過程也需要加強(qiáng)監(jiān)控，構(gòu)建相應(yīng)的大數(shù)據(jù)體系，以防止管道附著效應(yīng)帶來的后果[8,9]。

1.3 基于結(jié)構(gòu)疲勞的管道腐蝕

輸油管道運(yùn)行壓力較高，容易造成管道的承壓膨脹，且管道內(nèi)流體動壓和德布羅意振動效應(yīng)容易造成管道的結(jié)構(gòu)疲勞。管道內(nèi)的節(jié)理、氣泡、裂縫等瑕疵會在管道疲勞效應(yīng)中被放大，導(dǎo)致管道的應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)加劇，且其防腐涂層遭到破壞，內(nèi)部附著物深入管道結(jié)構(gòu)內(nèi)，加劇附著效應(yīng)帶來的原電池腐蝕效應(yīng)增加。所以，大部分管道會在使用過程中存在經(jīng)濟(jì)檢修期，即管道使用一定年限后，其維護(hù)成本陡然增加。管道疲勞加劇后，管道的滲透效應(yīng)加劇，管道穩(wěn)定性降低，容易造成繼發(fā)性的管道泄漏或者爆裂事故。

為防止基于結(jié)構(gòu)疲勞造成的管道腐蝕現(xiàn)象，應(yīng)對管道的應(yīng)用損傷進(jìn)行監(jiān)控，防止管道因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)疲勞造成管道腐蝕和衍生事故。

2 輸油管道腐蝕治理系統(tǒng)需求分析

根據(jù)前文分析，通過加電法和活躍金屬法控制管道的原電池效應(yīng)，同時應(yīng)該對管道進(jìn)行實(shí)時探傷確保管道的結(jié)構(gòu)疲勞對管道的損傷可以得到有效控制。在管道內(nèi)壁的沉積效應(yīng)控制方面，通過管道的流體阻力法進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

輸油管道腐蝕治理系統(tǒng)的系統(tǒng)采集架構(gòu)如圖2。

圖2中，直流加壓系統(tǒng)監(jiān)測模塊采集系統(tǒng)中所有直流加壓裝置的實(shí)際執(zhí)行電壓，該電壓應(yīng)在直流加壓裝置之外進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)測，而不應(yīng)監(jiān)測直流加壓裝置的輸出電壓。電壓計的信號地應(yīng)與直流加壓裝置的信號地獨(dú)立布置。探傷機(jī)器人系統(tǒng)無需單獨(dú)部署，直接將原有管道探傷機(jī)器人系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出，用于采集主機(jī)采集后供本文系統(tǒng)分析。管道阻尼系統(tǒng)也無需單獨(dú)部署，直接從管道的流量計、流速計、皮托計上獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)，主要包括管道內(nèi)的實(shí)測流量、實(shí)測流速、動壓力、靜壓力數(shù)據(jù)。

圖2 輸油管道腐蝕治理系統(tǒng)的采集子系統(tǒng)示意圖

本文實(shí)際開發(fā)中，采用IaaS架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，故其IDC的實(shí)際設(shè)計對本文CBA架構(gòu)設(shè)計有直接意義。IDC架構(gòu)如圖3。

圖3中，采集主機(jī)負(fù)責(zé)圖2中的采集任務(wù)，其將工業(yè)探頭數(shù)據(jù)整合為元數(shù)據(jù)庫后接入核心交換機(jī)，核心交換機(jī)使用普通的4層交換機(jī)實(shí)現(xiàn)核心交換功能，本文系統(tǒng)主機(jī)量較少，計算壓力較小，所以其邊界路由器采用單臂單機(jī)布置，使用單機(jī)負(fù)責(zé)核心交換機(jī)的接入控制、訪問控制、行為控制、負(fù)載均衡、DDoS冗余控制等。IDC內(nèi)布置三組主機(jī)，分別實(shí)現(xiàn)核心數(shù)據(jù)倉庫、基于AI技術(shù)的數(shù)據(jù)分析、提供針對移動端和值班主機(jī)的HTTP服務(wù)。該三組主機(jī)的負(fù)載均衡由上述邊界路由器負(fù)責(zé)。接入端布置兩組接入系統(tǒng)，其中一路接入辦公網(wǎng)，用于值班主機(jī)的接入，一路接入外網(wǎng)接入柜，外網(wǎng)接入柜設(shè)計保持原設(shè)計不變，其中所有的安全設(shè)施和接入功能設(shè)施本文不再進(jìn)行討論，所有移動端功能相關(guān)數(shù)據(jù)由外網(wǎng)接入鏈路實(shí)現(xiàn)。

圖3 輸油管道腐蝕治理系統(tǒng)IDC架構(gòu)圖（IaaS）

綜上，本文IDC設(shè)計按照IaaS模式進(jìn)行設(shè)計，數(shù)據(jù)倉庫使用Oracle系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)分析使用Python實(shí)現(xiàn)，HTTP系統(tǒng)使用php+CSS實(shí)現(xiàn)，同時在日志系統(tǒng)中布置HADOOP系統(tǒng)，即本文系統(tǒng)在軟件層面除使用Python開發(fā)部分A.I.相關(guān)代碼及使用php開發(fā)部分后端代碼、使用CSS開發(fā)部分前端代碼外，基本無開發(fā)任務(wù)。

3 輸油管道腐蝕治理系統(tǒng)核心算法研究

本文系統(tǒng)采集的信息量較為復(fù)雜，包含較多的電壓數(shù)據(jù)、聲吶數(shù)據(jù)、流量流速及壓力數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)的量綱關(guān)聯(lián)度不高，數(shù)據(jù)間邏輯關(guān)系相對獨(dú)立，單純使用剛性算法或使用模糊算法很難對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效治理，故首先在數(shù)據(jù)治理中應(yīng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行去量綱計算。去量綱算法使用Min-Max算法：

式中：

Min(x)與Max(x)—指數(shù)據(jù)列中的最小值與最大值；

將各列數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)的Min-Max去量綱計算后，將數(shù)據(jù)放入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行計算。如圖4。

圖4中，將每一路直流加壓系統(tǒng)的電壓檢測數(shù)據(jù)、每一路管道探傷機(jī)器人數(shù)據(jù)、每一路管道阻尼數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)輸入，輸入信號每路為一個雙精度變量，經(jīng)過輸入模塊處理后，獲得一個雙精度變量，將直流加壓系統(tǒng)、管道探傷系統(tǒng)、管道阻尼系統(tǒng)分別匯總到獨(dú)立的MLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)MLP模塊中，三組MLP模塊輸出到中間BP網(wǎng)絡(luò)中，BP網(wǎng)絡(luò)輸出的一個雙精度變量輸出到最終的MLP模塊中。上述模塊的節(jié)點(diǎn)函數(shù)分別為：

圖4 BP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法示意圖

1）輸入模塊

每個輸入模塊均采用線性處理法，擁有1個輸入節(jié)點(diǎn)，1個輸出節(jié)點(diǎn)，隱藏層2層，均為4個節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)函數(shù)為：

式中：

Y，x—訓(xùn)練變量或?qū)崟r變量；

a，b—待回歸變量。

2）前置MLP模塊

本文共3組前置MLP模塊，分別匯總直流加壓系統(tǒng)、管道探傷系統(tǒng)、管道阻尼系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，其均采用對數(shù)法進(jìn)行管理，且每個模塊擁有n個輸入節(jié)點(diǎn)、1個輸出節(jié)點(diǎn)，隱藏層為3層，其中第一層6個節(jié)點(diǎn)，第二層13個節(jié)點(diǎn)，第三層3個節(jié)點(diǎn)，共22個隱藏層節(jié)點(diǎn)。其節(jié)點(diǎn)函數(shù)為：

式中：

Y，x—訓(xùn)練變量或?qū)崟r變量；

a，b，c—待回歸變量。

3）BP-MID模塊

BP-MID用于采集上述三個MLP前置模塊的輸入變量，即其輸入3個雙精度變量，輸出1個雙精度變量，隱藏層為3層，其中第一層6個節(jié)點(diǎn)，第二層13個節(jié)點(diǎn)，第三層3個節(jié)點(diǎn)，共22個隱藏層節(jié)點(diǎn)。使用冪函數(shù)對其節(jié)點(diǎn)函數(shù)進(jìn)行控制，其節(jié)點(diǎn)函數(shù)為：

式中：

Y，x—訓(xùn)練變量或?qū)崟r變量；

a，b，c—待回歸變量。

4）MLP-OUT模塊

將BP-MID模塊的輸出數(shù)據(jù)1個雙精度變量輸入到MLP-OUT模塊形成最終輸出判斷結(jié)果，其擁有1個輸入雙精度變量，1個輸出雙精度變量，其隱藏層設(shè)計和節(jié)點(diǎn)函數(shù)設(shè)計與前置MLP相同。即其節(jié)點(diǎn)函數(shù)為：

式中：

Y，x—訓(xùn)練變量或?qū)崟r變量；

a，b，c—待回歸變量。

5）輸出模塊

輸出模塊采用直接輸出法進(jìn)行管理，并不布置隱藏層，不進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算。即本文輸出結(jié)果為一個雙精度變量，變量無限接近于1或無限接近于0。當(dāng)輸出結(jié)果為1時，認(rèn)為系統(tǒng)存在風(fēng)險，當(dāng)輸出結(jié)果為0時，認(rèn)為系統(tǒng)無運(yùn)行風(fēng)險。

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與測試

對系統(tǒng)早、中、晚期管道腐蝕進(jìn)行判斷的能力進(jìn)行黑箱測試，可得表1。

從表1中可以看出，當(dāng)管道的內(nèi)壁沉積超過10 %時，即可確保超過70 %的故障都可以被系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，而當(dāng)管道的內(nèi)壁沉積超過45 %時，可確保發(fā)現(xiàn)所有故障。而單純性管道壁的腐蝕，當(dāng)腐蝕達(dá)到5 %時，可確保超過60 %的故障都可以被發(fā)現(xiàn)，而當(dāng)管道壁腐蝕超過30 %時，系統(tǒng)可發(fā)現(xiàn)全部故障。

表1 管道腐蝕的判斷能力測試結(jié)果表

對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下的核心IDC計算資源占用量進(jìn)行分析，可以得到表2。

從表2可以看出，5 min采樣頻率下，所有主機(jī)集群均采用單臺主機(jī)的IDC運(yùn)行模式，該系統(tǒng)在同時管理2000節(jié)點(diǎn)時仍然可以保持較為經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)，且系統(tǒng)可以最高支持到5000個節(jié)點(diǎn)的探頭管理需求。通過增加負(fù)載均衡設(shè)施和增加主機(jī)陣列的主機(jī)數(shù)量，該探頭管理能力還將得到提升，可以滿足大部分大中型泵站的管道安全高密度探頭管理需求。

表2 系統(tǒng)資源占用量統(tǒng)計表

5 輸油管道腐蝕治理的管理策略配合

采用狀態(tài)檢修法進(jìn)行輸油管道腐蝕治理管理，當(dāng)上述系統(tǒng)報錯存在腐蝕風(fēng)險時，通過對應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)判斷腐蝕位置，通過對管道的狀態(tài)調(diào)整，將問題管道轉(zhuǎn)為冷備用，進(jìn)行充分卸壓和沖洗后，由工作人員進(jìn)入進(jìn)行防腐處理。處理完畢后，重新接通熱備用系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)判斷，當(dāng)系統(tǒng)不再進(jìn)行報錯時，認(rèn)為系統(tǒng)正?？呻S時專用使用狀態(tài)。其管理要點(diǎn)主要有以下三點(diǎn)：

5.1 加強(qiáng)對管道狀態(tài)的調(diào)度判斷

部署本文設(shè)計的輸油管道腐蝕治理系統(tǒng)后，系統(tǒng)可以隨時判斷系統(tǒng)內(nèi)管道腐蝕風(fēng)險并發(fā)出聲光報警，調(diào)度人員發(fā)現(xiàn)該報警后，必須有相關(guān)的知識技術(shù)儲備，充分調(diào)看其他相關(guān)系統(tǒng)的報警信息，充分判斷系統(tǒng)的腐蝕位置，從而發(fā)出管道狀態(tài)調(diào)整的調(diào)度判斷。該調(diào)度判斷包括相應(yīng)管道的卸壓措施和沖洗措施，宣布狀態(tài)檢修時間等。

5.2 加強(qiáng)操作票的編制和執(zhí)行流程管控

當(dāng)調(diào)度決定管道狀態(tài)檢修時間后，應(yīng)該編制合理合規(guī)的操作票。而采油聯(lián)合站現(xiàn)場檢修人員的調(diào)度票執(zhí)行流程較電力、鐵路等單位的操作票執(zhí)行流程較差，雙人唱票、安全員制度、復(fù)誦確認(rèn)流程等，很難得到有效執(zhí)行。所以在配合本文系統(tǒng)的管理流程優(yōu)化過程中，必須通過行政手段確保操作票的有效執(zhí)行，以確保相關(guān)操作的執(zhí)行安全和執(zhí)行效率。

5.3 加強(qiáng)操作人員操作水平和現(xiàn)場管理人員管理水平

如上分析，調(diào)度人員與相關(guān)技術(shù)人員的綜合素質(zhì)提升及調(diào)度管理、技術(shù)管理、行政管理綜合水平提升，現(xiàn)場操作人員的執(zhí)行能力和現(xiàn)場管理人員的管理能力水平提升，不但對管道防腐工作的綜合水平提升有積極意義，對現(xiàn)場的安全管理、流程管理、效率管理、施工質(zhì)量管理等綜合水平提升也有積極意義。所以，應(yīng)針對本文提供的部署過程，對相關(guān)人員進(jìn)行充分培訓(xùn)，強(qiáng)化考核，綜合績效，以實(shí)現(xiàn)所有管道防腐檢修人員的的綜合素質(zhì)提升。

6 總結(jié)

通過本文分析，不但從技術(shù)層次上可以有效提升采油聯(lián)合站輸油管道防腐治理工作效率，通過配合相應(yīng)的管理流程提升，可以綜合提升全站輸油管道防腐治理工作的水平。本文系統(tǒng)可以第一時間使用云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能實(shí)現(xiàn)對輸油管道腐蝕的報警工作，幫助聯(lián)合站調(diào)度人員第一時間做出輸油管道狀態(tài)檢修的相關(guān)決策，還可以通過與其他輔助系統(tǒng)進(jìn)行配合實(shí)現(xiàn)腐蝕位置的有效判斷。本文認(rèn)為，通過使用本文設(shè)計的系統(tǒng)，對采油聯(lián)合站的輸油管道腐蝕治理工作有積極意義。