油氣長輸管道智能化管理技術(shù)概述

王 旭

中國石油化工股份有限公司天然氣分公司山東天然氣銷售中心 山東 濟南 250000

近年來，我國油氣管道建設(shè)規(guī)模持續(xù)增長，到2025年全國油氣管網(wǎng)規(guī)模將達到21萬公里左右。長輸管道發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)管道、數(shù)字管道、智能管道階段。數(shù)字管道改變了傳統(tǒng)管道的工作模式，由人工獲取管道運行和環(huán)境數(shù)據(jù)，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^設(shè)備和軟件自動獲取，使得管道運行數(shù)字化、可視化，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控，同時對管道的勘察、設(shè)計、施工、和運營都產(chǎn)生了深遠的影響。智能管道則在數(shù)字管道的基礎(chǔ)上，配備了控制處理單元，通過數(shù)據(jù)采集與遠程控制設(shè)備，不僅能夠?qū)崟r掌握管道情況，還能夠智能地處理管道問題。本文主要對油氣長輸管道全生命周期的智能化管理技術(shù)進行闡述分析。

1 數(shù)字化設(shè)計、施工與交付

數(shù)字化設(shè)計是指在三維模型中集成管道本體及周邊環(huán)境信息，通過數(shù)字化平臺實現(xiàn)的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計，形成全生命周期的數(shù)據(jù)源頭。設(shè)計環(huán)境包括必要的數(shù)據(jù)庫、設(shè)計軟件、設(shè)計流程以及相應(yīng)的圖形設(shè)計硬件資源等，同時需要植入技術(shù)標準和數(shù)據(jù)標準，利用虛擬化技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計。

數(shù)字化施工是指通過借助全自動焊機、機械化防腐設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、無人機及一體機以及智能移動終端、智能感知設(shè)備等，結(jié)合可視化、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)物資采購、工程質(zhì)量管理、造價控制、安全監(jiān)督等常規(guī)重點項目的智能化管理。

數(shù)字化交付是以管道工程設(shè)計、建設(shè)與管理全過程的數(shù)據(jù)庫為源頭，以統(tǒng)一的標準規(guī)范為基礎(chǔ)，借助智能移動終端及智能感知等設(shè)備，通過物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫及信息化等技術(shù)，對數(shù)據(jù)進行采集、流轉(zhuǎn)、分析、整合，形成數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像圖、基礎(chǔ)地理信息、站場三維模型、設(shè)計數(shù)據(jù)、采辦數(shù)據(jù)等數(shù)字系統(tǒng)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的直觀展示及有效管理。

中俄東線工程智能管道項目累計投入包括全自動焊機、中頻加熱設(shè)備、機械化防腐設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、無人機及一體機等智能化設(shè)備，對焊接、防腐、開挖、下溝全過程記錄，同時應(yīng)用AI識別技術(shù)、挖機駕駛艙攝像頭、管線交叉點監(jiān)控攝像頭，加強對施工現(xiàn)場、高后果區(qū)的監(jiān)控和安全隱患的排查。該工程通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集規(guī)范，暢通了數(shù)據(jù)對接渠道，以全生命周期數(shù)據(jù)庫為載體，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、存儲與共享，以此推動數(shù)字化移交的有序開展，滿足實體管道與數(shù)字化管道同時交付的需求，并保證數(shù)據(jù)歷史的可追溯性[1]，實現(xiàn)了數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化施工、數(shù)字化交付，是我國首條智能化管道樣板工程。

2 智能化監(jiān)控技術(shù)

在管道運行過程中，面臨的風(fēng)險主要有第三方破壞、管道腐蝕、誤操作和地質(zhì)災(zāi)害，管道運行時期不同，主要的風(fēng)險源也不同。在管道運行初期，主要風(fēng)險來自第三方損壞和誤操作，在管道運行后期，主要風(fēng)險來自管道腐蝕。智能化監(jiān)控技術(shù)通過對管道內(nèi)部參數(shù)和外部環(huán)境的監(jiān)控，第一時間對面臨的風(fēng)險發(fā)出預(yù)警，為管道的安全運行提供保障。

2.1 管道外部環(huán)境監(jiān)控

2.1.1 光纖預(yù)警技術(shù)

圖1 光纖預(yù)警系統(tǒng)的工作原理

光纖預(yù)警系統(tǒng)是利用與管道同溝敷設(shè)的通信光纜構(gòu)成基于光纖干涉儀原理的分布式震動信號傳感器，獲取管道沿途的震動信號，實現(xiàn)對長距離管道上方及周圍5 m范圍內(nèi)動土事件進行實時連續(xù)監(jiān)測的一種預(yù)警系統(tǒng)[2]。但是該系統(tǒng)在工況復(fù)雜的環(huán)境中，容易出現(xiàn)誤報警信息，而在管道沿線的第三方活動較少且活動方式較為固定的工況環(huán)境中，則能更好的應(yīng)用和提升預(yù)警能力。

2.1.2 無人機偵察與監(jiān)視技術(shù)

無人機低空遙感技術(shù)系統(tǒng)組成如圖 2 所示。地面操控人員可利用無線數(shù)據(jù)信息交換控制擁有人機混合智能光電偵查平臺進行偵查與監(jiān)視活動[3]。該技術(shù)具有長距離自動巡航、熱成像實時傳輸?shù)裙δ?，通過自動沿管道視角巡檢航行，預(yù)防偷盜油、第三方施工破壞、覆蓋人力巡護盲區(qū)，實現(xiàn)空中監(jiān)視。但無人機飛行受氣象條件、地形地貌、續(xù)航里程和空管等影響，不能實現(xiàn)不間斷飛行。

圖2 無人機低空遙感技術(shù)系統(tǒng)組成

2.2 管道內(nèi)部參數(shù)監(jiān)控

圖3 泄漏監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

泄漏檢測及定位技術(shù)是多學(xué)科多技術(shù)的集成，特別是隨著傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、信號處理技術(shù)等人工智能的發(fā)展，通過對流量、壓力、溫度、密度等管道和流體信息進行采集和分析，建立信息分析或數(shù)學(xué)模型，確定管道泄漏位置。油氣管道的泄漏檢測技術(shù)常見的有負壓波法、音波法和質(zhì)量平衡法。但也存在泄漏量小時，帶來的波動被日常生產(chǎn)壓力波動所掩蓋的情況發(fā)生。

3 智能巡檢技術(shù)

智能巡檢技術(shù)可以實現(xiàn)不同時間段的靈活任務(wù)或固定工作計劃，使巡檢人員的工作更加井序有然、高效便捷。同時，以GIS地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合GPS、藍牙、射頻識別等多重位置校驗方式，實時接收巡檢設(shè)備上傳的巡檢數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對人員、車輛設(shè)備的可視化、規(guī)范化和網(wǎng)絡(luò)化管理，進行各項工組的全過程重現(xiàn)，并且實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能統(tǒng)計分析。巡檢人員發(fā)現(xiàn)隱患時，可第一時間提示管理人員進行處理和調(diào)度，并且能夠圖文并茂的展現(xiàn)隱患現(xiàn)場和工單打印，及時加以處理，同時結(jié)合地圖和數(shù)據(jù)可掌握隱患分布，系統(tǒng)可對上報事件的時間、類型、數(shù)量等信息進行自動的統(tǒng)計和分析，調(diào)整區(qū)域巡查力度，能夠?qū)崟r掌握工作重點，防隱患于未然。

4 智能化管道保護技術(shù)

現(xiàn)存的油氣長輸管道多采用防腐涂層和陰極保護技術(shù)來防止管道的老化，隨著智能化的發(fā)展，管道的陰極保護系統(tǒng)步入智能化的時代。陰極保護智能化監(jiān)控技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的陰極保護技術(shù)完美的結(jié)合，通過恒電位儀或犧牲陽極的方式向管道施加負電位，使管道對地構(gòu)成陰極，形成防護、減緩腐蝕，并每天定時自動采集通電電位、斷電電位、腐蝕電流、設(shè)備自身電池電壓等數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)定時上傳云服務(wù)器，通過軟件對管道腐蝕狀態(tài)進行全面自動監(jiān)測、異常數(shù)據(jù)在線診斷、管道保護電位自動調(diào)整，完全代替了傳統(tǒng)的人工采集方式，徹底改變了原有陰極保護粗放的管理模式，實現(xiàn)全線陰保的集中統(tǒng)一管理。

5 智能輔助決策管理

數(shù)字孿生體是物理世界和數(shù)字空間交互的新技術(shù)，也智能輔助決策管理的新趨勢和重要抓手。以全生命周期的數(shù)字庫為基礎(chǔ)，在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準下開展設(shè)計、采購、施工等階段的數(shù)據(jù)采集，形成的數(shù)字化成果，通過數(shù)字化設(shè)計云平臺、智能工地及數(shù)據(jù)回流等，構(gòu)建管道數(shù)字孿生體。在管道進入運營期后，管道數(shù)字孿生體隨著生產(chǎn)運行、設(shè)備設(shè)施管理、管道線路風(fēng)險控制等數(shù)據(jù)的接入而同生共長，實現(xiàn)實體空間的數(shù)據(jù)映射，支撐數(shù)字空間的監(jiān)控、分析與模擬，提升輔助決策水平。

油氣長輸管道智能化是信息技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的深度融合，通過對管道狀態(tài)的全面智能感知、監(jiān)測、分析、模擬和控制，實現(xiàn)風(fēng)險預(yù)測及管控水平的全面提升，同時也是未來油氣管道發(fā)展的必然趨勢和終極目標。