無(wú)人機(jī)技術(shù)在管道維護(hù)方面的應(yīng)用

金 博，鄧寶剛，王衛(wèi)華，汪 超

（渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司，江蘇南京 210061）

0 引言

據(jù)估算，世界范圍內(nèi)的油氣管道大約有124 萬(wàn)英里（200 萬(wàn)千米），比如歐洲就有8.7 萬(wàn)英里（14 萬(wàn)千米）。傳統(tǒng)的管道維修方式已不能適應(yīng)時(shí)代的需要，目前使用遠(yuǎn)程控制的機(jī)器人或清管器巡邏管道并進(jìn)行內(nèi)部檢查已成為司空見(jiàn)慣的事情。

當(dāng)前，管道行業(yè)可以購(gòu)買各種各樣的自動(dòng)化、管理、監(jiān)控、維修和提高管道基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)營(yíng)安全的技術(shù)?，F(xiàn)代管線技術(shù)包括空中和海底無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、傳感器網(wǎng)、人工智能、軟件、云計(jì)算等。包括北美、亞太、歐洲、中東、非洲和南美在內(nèi)的全球油氣管線和運(yùn)輸自動(dòng)化市場(chǎng)，預(yù)計(jì)在2021 年至2025 年間增加約7.424 億美元。

1 外部監(jiān)控

在全球范圍內(nèi)，管道開(kāi)發(fā)商和運(yùn)營(yíng)商，包括英國(guó)石油（BP）、殼牌（Shell）和埃克森（Exxon）都在利用軌道衛(wèi)星、空中和海底無(wú)人機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)控管道的狀況。空中監(jiān)測(cè)非常適合探測(cè)地質(zhì)災(zāi)害，例如山體滑坡、地震或河流侵蝕，不僅可以探測(cè)特定管道走廊沿線的某些地理區(qū)域，還可以探測(cè)意想不到的地方。移動(dòng)平臺(tái)這種帶有熱成像技術(shù)和傳感器的有效載荷的空中無(wú)人機(jī)可以探測(cè)和監(jiān)控地面微小的移動(dòng)，即使每個(gè)月只有幾毫米的移動(dòng)也能探測(cè)到。雖然它需要地面人員掌握大量地質(zhì)和技術(shù)知識(shí)才能監(jiān)測(cè)這些災(zāi)害，但衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)技術(shù)可以迅速定位和識(shí)別這些威脅，因此對(duì)于確保管道安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。領(lǐng)先的管道無(wú)人機(jī)監(jiān)控供應(yīng)商有英國(guó)的Telespazio 公司，芬蘭的ICEYE 公司和荷蘭的Orbital Eye 公司。格拉斯哥的Balmore 公司，馬薩諸塞州的Sky X 公司和紐約的ULC 機(jī)器人公司也提供無(wú)人機(jī)監(jiān)控的相關(guān)服務(wù)項(xiàng)目。此外，根據(jù)巴黎協(xié)議，移動(dòng)平臺(tái)供應(yīng)商正在采用替代燃料，包括為無(wú)人機(jī)提供液化天然氣和氫燃料電池，以及各種混合技術(shù)，以延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)在空中飛行的時(shí)間和距離。

2 維修機(jī)器人

傳統(tǒng)的管道維修方式是先讓技術(shù)人員定位并確認(rèn)需要修補(bǔ)的位置，然后再派出維修隊(duì)進(jìn)行修補(bǔ)作業(yè)。在過(guò)去的10 年左右，使用遠(yuǎn)程控制的機(jī)器人或清管器巡邏管道并進(jìn)行內(nèi)部檢查已成為司空見(jiàn)慣的事情，遠(yuǎn)程控制機(jī)器人檢查管線內(nèi)部情況如圖1 所示。

圖1 遠(yuǎn)程控制機(jī)器人檢查管線內(nèi)部情況

目前第一代清管器的性能有所增強(qiáng)，配備有一系列傳感器、攝像機(jī)和工具以便根據(jù)需要對(duì)維修項(xiàng)目進(jìn)行定位、識(shí)別并進(jìn)行修補(bǔ)作業(yè)。通常，這種清管器可以清理管道、修補(bǔ)并密封管道內(nèi)的裂紋，從而切斷潛在的泄漏。這樣就省得派人去挖管道了。使用最先進(jìn)的清管器定期檢查和維修管道節(jié)省時(shí)間和資金。在某些情況下，使用機(jī)器清管器可以避免管道停工修理的巨大費(fèi)用和破壞。

總的來(lái)說(shuō)，使用機(jī)器人挖管道比施工人員更安全，它還能讓員工遠(yuǎn)離管道中的有害物質(zhì)。

3 HDS 技術(shù)

HDS（High frequency Dynamic Sensing，高頻動(dòng)態(tài)傳感）技術(shù)將成為管道監(jiān)控的新的全球標(biāo)準(zhǔn)。HDS 使用專門的光纖（不要與電信光纖混淆）沿管道全面布置，以便檢測(cè)潛在和實(shí)際的泄漏，甚至微小的針孔漏點(diǎn)都能檢測(cè)到。HDS 技術(shù)適合應(yīng)用在原油、瀝青、天然氣、提煉產(chǎn)品和廢水管線中。在實(shí)踐中，傳感器沿著有通行證的管線，在自給自足的傳輸站收集和分析數(shù)據(jù)。

“事件數(shù)據(jù)”有時(shí)是通過(guò)無(wú)線方式，安全地傳輸?shù)讲僮鲉T的控制中心。被確認(rèn)的警報(bào)，如完成了精準(zhǔn)定位的音頻文件和相關(guān)的應(yīng)變和溫度測(cè)量，將在幾秒鐘內(nèi)到達(dá)控制中心。這些技術(shù)可以識(shí)別管道泄漏的特征，如山體滑坡、地震或洪水等地質(zhì)工程事件，以及附近的挖掘、干擾活動(dòng)和森林火災(zāi)等安全侵入事件。加拿大領(lǐng)先的管道運(yùn)營(yíng)商Enbridge 管道，是HDS 技術(shù)的領(lǐng)先使用者。

4 云計(jì)算

越來(lái)越多的石油和天然氣管道運(yùn)營(yíng)商正在利用云計(jì)算作為處理和分析海量數(shù)據(jù)的手段，以提高管理生產(chǎn)力和安全性，從而降低成本和降低風(fēng)險(xiǎn)。比如傳統(tǒng)的計(jì)算需要幾個(gè)月的時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)和分析一個(gè)“如果”情景，云計(jì)算的威力使運(yùn)營(yíng)商能夠在幾天內(nèi)研究多組“如果”情景。通過(guò)云計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)分析更加快捷、廉價(jià)，并且有助于改進(jìn)管理決策，機(jī)器人檢查管線外焊縫的缺陷如圖2 所示。

圖2 機(jī)器人檢查管線外焊縫的缺陷

此外，現(xiàn)在可以使用基于云的處理和分析將動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與靜態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。一個(gè)高價(jià)值、高影響的案例是地震期間地震數(shù)據(jù)到管道位置的映射。這在俄克拉荷馬州尤其有價(jià)值，該州有超過(guò)70 000 km 的國(guó)家管理的管道，而且最近地震活動(dòng)越來(lái)越頻繁?，F(xiàn)在，俄克拉荷馬州的管道運(yùn)營(yíng)商可以立即實(shí)時(shí)評(píng)估地震的嚴(yán)重性和深度，如果有必要，通知監(jiān)管人員，監(jiān)管人員可以反過(guò)來(lái)警告和通知管道完整性專家，需要迅速檢查和修理以防止泄漏或破裂的地點(diǎn)。

云計(jì)算還可以降低勒索軟件攻擊的有效性，比如最近發(fā)生的侵入殖民地管道的事件，該管道不得不暫時(shí)關(guān)閉。向管道運(yùn)營(yíng)商提供基于云計(jì)算的服務(wù)的供應(yīng)商包括總部位于西雅圖的亞馬遜子公司AWS 云服務(wù)、微軟子公司Azure 和總部位于倫敦的OMS 公司。

5 地理空間解決方案

管道開(kāi)發(fā)人員經(jīng)常使用地理空間管道路由軟件來(lái)確定新的或更換基礎(chǔ)設(shè)施的替代管道路線。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于通過(guò)分析管轄權(quán)、環(huán)境和土地所有權(quán)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估許可要求是無(wú)價(jià)的。

此外，確定管道建設(shè)方法、所需材料和土地購(gòu)置費(fèi)用估計(jì)數(shù)的穿越和影響報(bào)告的詳細(xì)內(nèi)容可以下載。這種專業(yè)軟件有助于識(shí)別和減輕環(huán)境、政治、考古和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的重新安排和維護(hù)項(xiàng)目。評(píng)估管轄區(qū)內(nèi)的挖掘或管道更換許可要求、土地所有權(quán)和地質(zhì)特征（如洪泛平原）的能力，只需按一下按鈕就可以徹底改變管道路線的規(guī)劃、建設(shè)和維護(hù)。

提供管道路由軟件的公司包括Terracon 子公司、總部位于密蘇里州的Pivvot、總部位于不列顛哥倫比亞省的Trimble TILOS 管道管理軟件以及總部位于挪威的DNV。客戶包括奧杜邦、管道完整性工程師有限公司和金利·霍恩等工程咨詢公司。

現(xiàn)代技術(shù)減少了外地工作的時(shí)間，便利了桌面站點(diǎn)評(píng)估、綜合外地?cái)?shù)據(jù)收集備選辦法和獲取專家專題說(shuō)明的能力，這些技術(shù)將幫助各國(guó)升級(jí)、修復(fù)或更換其老化的管道。

隨著新的管道項(xiàng)目變得越來(lái)越復(fù)雜，這套新技術(shù)將被證明對(duì)于降低成本、提高生產(chǎn)效率和滿足更嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)的努力是無(wú)價(jià)的。

6 機(jī)器人在鋼管檢測(cè)中的安裝及布置

機(jī)器人在鋼管檢測(cè)中的安裝及布置主要是通過(guò)全景攝像機(jī)為4 個(gè)攝像頭，按360°均布結(jié)構(gòu)，尾端按攝像機(jī)安裝接口制作帶有3 組照明燈帶的攝像機(jī)安裝支架，支架的另一端與檢測(cè)懸桿安裝連接，攝像機(jī)及燈帶線纜由相機(jī)支架出線后，順檢測(cè)懸桿穿桿布置到尾座接入。機(jī)器人自帶攝像頭及燈帶在鋼管檢測(cè)的安裝布置如圖3 所示，機(jī)器人的全景攝像機(jī)及燈帶支架在鋼管檢測(cè)如圖4 所示。

圖3 機(jī)器人自帶攝像頭及燈帶在鋼管檢測(cè)的安裝布置

圖4 機(jī)器人的全景攝像機(jī)及燈帶支架在鋼管檢測(cè)示意

7 機(jī)器人的視覺(jué)檢測(cè)傳感器

機(jī)器人的視覺(jué)檢測(cè)傳感器是采用一個(gè)相機(jī)同時(shí)實(shí)現(xiàn)面成像與深度測(cè)量，由面成像相機(jī)和深度測(cè)量相機(jī)組成；面成像器件是由面陣相機(jī)及相應(yīng)的照明裝置或線陣掃描相機(jī)及相應(yīng)的照明裝置組成；深度測(cè)量器件由結(jié)構(gòu)光組成，機(jī)器人的視覺(jué)檢測(cè)傳感器如圖5 所示。

圖5 機(jī)器人的視覺(jué)檢測(cè)傳感器

8 結(jié)束語(yǔ)

HDS 技術(shù)將成為管道監(jiān)控新的全球標(biāo)準(zhǔn)，它使用專門的光纖沿管道全面布置，能檢測(cè)到微小針孔型的漏點(diǎn)。云計(jì)算能夠在幾天內(nèi)研究多組“如果”情景。且通過(guò)云計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)分析更加快捷、廉價(jià)，并且有助于改進(jìn)管理決策。地理空間管道由軟件用來(lái)確定新的或更換基礎(chǔ)設(shè)施的替代管道路線。該項(xiàng)技術(shù)對(duì)于通過(guò)分析管理、環(huán)境保護(hù)等數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估許可要求是無(wú)價(jià)的。