數(shù)字孿生在長(zhǎng)輸油氣管道無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

安志彬

(中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司,河北 廊坊 065000)

0 引言

我國(guó)是能源消費(fèi)大國(guó),也是能源進(jìn)口大國(guó),油氣資源的輸送很大程度依賴于長(zhǎng)輸油氣管道。由于油氣資源的特殊性和管道運(yùn)營(yíng)環(huán)境的多變性,長(zhǎng)輸油氣管道運(yùn)行的安全問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。傳統(tǒng)的管道無(wú)損檢測(cè)方法包括超聲波檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)等。這些方法雖然可以檢測(cè)出管道的表面缺陷,但是不易檢測(cè)出微小及隱蔽缺陷,也無(wú)法進(jìn)行缺陷預(yù)測(cè)。此外,這些方法需要人工解析缺陷的位置、大小、形狀等參數(shù),對(duì)操作者的技能和專業(yè)知識(shí)要求較高。因此,對(duì)于管道安全運(yùn)行評(píng)估,需要借助新型的檢測(cè)手段和技術(shù)。

數(shù)字孿生技術(shù)是近年來(lái)興起的一種新型技術(shù),是從物理實(shí)體(如機(jī)器、系統(tǒng)或進(jìn)程等)的設(shè)計(jì)、制造、操作等過(guò)程中實(shí)時(shí)獲得的大量數(shù)據(jù),然后通過(guò)數(shù)字方法分析、處理和集成這些數(shù)據(jù),形成與之相對(duì)應(yīng)的虛擬實(shí)體的一種技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)不僅可以在生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行優(yōu)化預(yù)測(cè),對(duì)于實(shí)體的運(yùn)行維護(hù)也具有重要意義。由于數(shù)字孿生技術(shù)具有精度高、可重復(fù)性好、時(shí)效性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于管道設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中[1-2]。

1 數(shù)字孿生技術(shù)的基本概念和研究進(jìn)展

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)的基本概念

數(shù)字孿生技術(shù)是將實(shí)體的信息建模為數(shù)字信息,并利用這些數(shù)字信息來(lái)模擬實(shí)體的運(yùn)作狀況、影響和結(jié)果的技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)由數(shù)學(xué)模型、傳感器、機(jī)器學(xué)習(xí)和實(shí)時(shí)模擬等核心技術(shù)組成,與傳統(tǒng)的仿真技術(shù)相比[3],具有以下優(yōu)勢(shì):

數(shù)字孿生技術(shù)數(shù)據(jù)來(lái)源豐富。傳統(tǒng)仿真技術(shù)主要是設(shè)計(jì)師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和參數(shù)估算效果,而數(shù)字孿生技術(shù)可以利用生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)獲得的大量數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新和數(shù)據(jù)共享。

數(shù)字孿生技術(shù)精度更高。數(shù)字孿生技術(shù)可以在數(shù)字模型中完整地反映物理實(shí)體的細(xì)節(jié)、結(jié)構(gòu)和特征,可以在數(shù)字孿生中更加精確地模擬物理實(shí)體的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況和效果。

數(shù)字孿生技術(shù)可重復(fù)性更好。數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)學(xué)模型可以更新和迭代,更好保證預(yù)測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。

1.2 數(shù)字孿生技術(shù)的研究進(jìn)展

自從2003年微軟公司提出數(shù)字孿生的概念以來(lái),數(shù)字孿生技術(shù)得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。在工業(yè)領(lǐng)域,數(shù)字孿生技術(shù)可以通過(guò)數(shù)字化物體來(lái)幫助企業(yè)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)過(guò)程中優(yōu)化生產(chǎn)效率和品質(zhì);在醫(yī)療領(lǐng)域,數(shù)字孿生技術(shù)可以模擬人體器官和疾病,幫助醫(yī)生準(zhǔn)確診斷病癥,制定個(gè)性化治療方案;在教育領(lǐng)域,數(shù)字孿生技術(shù)可以模擬歷史事件、物理實(shí)驗(yàn)和化學(xué)反應(yīng)等,幫助學(xué)生更好地理解概念和現(xiàn)象;在市政和城市規(guī)劃領(lǐng)域,數(shù)字孿生技術(shù)可以模擬城市遷移、土地利用和交通流量等,幫助城市規(guī)劃者設(shè)計(jì)出更加合理的城市規(guī)劃方案。

2 數(shù)字孿生技術(shù)與管道無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用的結(jié)合

管道無(wú)損檢測(cè)是安全運(yùn)營(yíng)的必不可少的環(huán)節(jié),如何引入數(shù)字孿生技術(shù)減少運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn),降低管道維護(hù)成本,需要分析數(shù)字孿生技術(shù)能夠在哪些方面對(duì)目前傳統(tǒng)的檢測(cè)進(jìn)行改進(jìn)提升,并建立管道的數(shù)字孿生模型,發(fā)掘數(shù)字孿生技術(shù)與管道無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的結(jié)合點(diǎn),真正意義上打造數(shù)字管道、智慧管道。

2.1 數(shù)字孿生技術(shù)在管道無(wú)損檢測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)輸油氣管道的無(wú)損檢測(cè)過(guò)程,關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

2.1.1 數(shù)據(jù)融合和預(yù)處理

數(shù)字孿生技術(shù)可以對(duì)管道的實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)字化處理,并對(duì)管道的設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)、各類傳感器數(shù)據(jù)、視頻圖像數(shù)據(jù)等進(jìn)行融合和預(yù)處理。通過(guò)對(duì)管道的數(shù)字化處理,可以準(zhǔn)確記錄管道的幾何形態(tài)和物理特性,生成管道運(yùn)行的參數(shù)庫(kù)。

2.1.2 缺陷檢測(cè)與定位

基于建立的合適數(shù)學(xué)模型,數(shù)字孿生技術(shù)將管道運(yùn)行數(shù)字信息與已知的管道缺陷、異常等數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)和分析,可以準(zhǔn)確地檢測(cè)管道的缺陷并定位其位置、尺寸和形態(tài),減少管道發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.3 安全評(píng)估與預(yù)測(cè)

數(shù)字孿生技術(shù)可以對(duì)管道的安全性進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè),對(duì)不同工況下的管道運(yùn)行安全性進(jìn)行模擬,預(yù)測(cè)管道未來(lái)發(fā)生事故的可能性和風(fēng)險(xiǎn)程度,從而及時(shí)采取措施進(jìn)行修復(fù)和維護(hù),提高管道的安全性和可靠性。

2.2 數(shù)字孿生技術(shù)在管道無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用案例

下面從實(shí)際應(yīng)用案例出發(fā),探討數(shù)字孿生技術(shù)在長(zhǎng)輸油氣管道無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用場(chǎng)景。

2.2.1 數(shù)字孿生技術(shù)在管壁厚度檢測(cè)中的應(yīng)用

在長(zhǎng)輸油氣管道中,管道壁厚是非常關(guān)鍵的參數(shù)之一。管壁增厚或者減薄都會(huì)對(duì)管道的安全運(yùn)行產(chǎn)生重要影響。傳統(tǒng)的管壁厚度檢測(cè)方法主要依靠人工檢查,效率低、檢測(cè)精度有限。而數(shù)字孿生技術(shù)可以通過(guò)傳感器在線布局、建立數(shù)學(xué)模型對(duì)壁厚實(shí)施快速、精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)。一旦發(fā)現(xiàn)異常,數(shù)字孿生技術(shù)可以及時(shí)告警并提供管道維修建議。

2.2.2 數(shù)字孿生技術(shù)在管道泄漏檢測(cè)中的應(yīng)用

長(zhǎng)輸油氣管道泄漏是管道運(yùn)行過(guò)程中的一大隱患,一旦發(fā)生泄漏就會(huì)對(duì)環(huán)境安全造成嚴(yán)重破壞。傳統(tǒng)的泄漏檢測(cè)方法往往需要人員長(zhǎng)時(shí)間巡檢或運(yùn)用成本高昂的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè),而數(shù)字孿生技術(shù)可以在管道建模時(shí)預(yù)設(shè)泄漏判定規(guī)律,通過(guò)實(shí)時(shí)采集管道的壓力流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)。一旦泄漏情況發(fā)生,數(shù)字孿生技術(shù)可以通過(guò)數(shù)學(xué)模型反演出泄漏口的位置、泄漏量等關(guān)鍵信息,從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的泄漏監(jiān)測(cè)。

2.2.3 數(shù)字孿生技術(shù)在管道腐蝕檢測(cè)中的應(yīng)用

長(zhǎng)輸油氣管道的腐蝕問(wèn)題一直是影響管道安全運(yùn)營(yíng)的重要問(wèn)題。傳統(tǒng)的管道腐蝕檢測(cè)方法主要是人工巡檢或通過(guò)放射性同位素檢測(cè)腐蝕程度,而這些方法不僅效率低、檢測(cè)精度有限,同時(shí)放射性物質(zhì)存儲(chǔ)和使用還存在著較大的安全隱患。數(shù)字孿生技術(shù)可以利用數(shù)學(xué)模型來(lái)建立管道的腐蝕規(guī)律,通過(guò)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集和處理,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)管道腐蝕程度并提供修復(fù)建議。

2.3 數(shù)字孿生技術(shù)在長(zhǎng)輸油氣管道無(wú)損檢測(cè)中的流程

數(shù)字孿生技術(shù)在長(zhǎng)輸油氣管道無(wú)損檢測(cè)中的流程如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)輸油氣管道無(wú)損檢測(cè)中數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用流程

2.4 數(shù)字孿生技術(shù)在管道無(wú)損檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)

在管道無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道運(yùn)行狀況的預(yù)測(cè),可以有效降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),顯著優(yōu)點(diǎn)如下[4]。

2.4.1 提高檢測(cè)精度

數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用可以對(duì)管道真實(shí)運(yùn)行情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)字展示,提高管道無(wú)損檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。建立數(shù)學(xué)模型,通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)可以對(duì)管道進(jìn)行缺陷檢測(cè)和準(zhǔn)確定位,同時(shí)可以對(duì)損傷的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè),為決策判斷提供參考依據(jù)。

2.4.2 增強(qiáng)管道運(yùn)行安全性

在管道運(yùn)行安全領(lǐng)域,數(shù)字孿生技術(shù)可以為管線運(yùn)維提供全生命周期的智能化管理。通過(guò)對(duì)管道系統(tǒng)的日常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè),數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道系統(tǒng)全面、實(shí)時(shí)的三維建模和數(shù)據(jù)分析,并且根據(jù)建模結(jié)果對(duì)管道運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化。數(shù)字孿生技術(shù)還可以為管道系統(tǒng)的巡檢、維修、保養(yǎng)提供數(shù)據(jù)支持和決策參考,同時(shí)也能夠在發(fā)生安全事故時(shí)提供現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急指導(dǎo)和救援支持。

2.4.3 提高管道經(jīng)濟(jì)性

數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用可以大大降低管道的維護(hù)成本和管理成本,提高管道的經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)對(duì)管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道存在的問(wèn)題并進(jìn)行修復(fù),避免管道出現(xiàn)大規(guī)模的損傷和事故,從而降低管道的維護(hù)成本和管理成本。

2.5 數(shù)字孿生技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中的挑戰(zhàn)

雖然數(shù)字孿生技術(shù)在長(zhǎng)輸油氣管道無(wú)損檢測(cè)的應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)和潛力,但是也面臨一些挑戰(zhàn)和難點(diǎn)[5],主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

(1)數(shù)字孿生技術(shù)需要獲取高精確性和準(zhǔn)確性的數(shù)據(jù),否則會(huì)影響到評(píng)估預(yù)測(cè)的可靠性和有效性。數(shù)字孿生模型必須能夠真實(shí)復(fù)現(xiàn)待檢測(cè)管道的物理性質(zhì)、材質(zhì)、幾何形狀、缺陷特征等各個(gè)方面的細(xì)節(jié)。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,由于長(zhǎng)輸管道的復(fù)雜性以及獲取數(shù)據(jù)的限制,數(shù)字孿生模型的建立和驗(yàn)證難度較大。

(2)數(shù)字孿生技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)用還面臨著數(shù)據(jù)獲取和存儲(chǔ)的挑戰(zhàn)[6]。模型構(gòu)建和訓(xùn)練需要大量的數(shù)據(jù),涉及各類傳感器、計(jì)算機(jī)視覺(jué)以及無(wú)損檢測(cè)儀器設(shè)備等,需要投入大量的時(shí)間和資金成本以及專業(yè)人員。此外,數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理也需要專業(yè)人員操作,并考慮數(shù)據(jù)安全保密需求,否則可能會(huì)引發(fā)數(shù)據(jù)泄露等問(wèn)題。

(3)在實(shí)際應(yīng)用中,數(shù)字孿生技術(shù)還需要克服一些軟硬件的限制。例如,在硬件上,數(shù)字孿生技術(shù)需要使用高性能的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和處理器,以處理大量的數(shù)據(jù)和復(fù)雜的算法。在軟件上,數(shù)字孿生技術(shù)需要應(yīng)用先進(jìn)的算法和技術(shù),以實(shí)現(xiàn)精確度和可靠性。此外,數(shù)字孿生技術(shù)需要采集和分析大量的數(shù)據(jù),才能得出準(zhǔn)確的結(jié)果。因此,為了在無(wú)損檢測(cè)中更好地應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù),需要不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化,以提高數(shù)字孿生技術(shù)的性能和可靠性。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中的總結(jié)與展望

本文介紹了數(shù)字孿生技術(shù)的概念以及研究進(jìn)展,并針對(duì)如何在長(zhǎng)輸油氣管道無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中引入數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行了探討,通過(guò)實(shí)際案例說(shuō)明,在長(zhǎng)輸油氣管道無(wú)損檢測(cè)方面,數(shù)字孿生技術(shù)有著非常大的應(yīng)用前景。

未來(lái)隨著科技的不斷發(fā)展,數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用可以對(duì)長(zhǎng)輸管道進(jìn)行數(shù)字化監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和維護(hù),降低管道的維護(hù)和管理成本,提高管道的安全和可靠性;數(shù)字孿生技術(shù)可以與人工智能技術(shù)進(jìn)行深度融合,建立管道的智能安全預(yù)警系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警,對(duì)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)告警和處理;數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用可以通過(guò)云平臺(tái)的構(gòu)建和應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)對(duì)管道數(shù)據(jù)的集中管理和共享,加強(qiáng)數(shù)據(jù)的安全和隱私保護(hù),便于數(shù)據(jù)的全面分析和處理,從而提高管道的運(yùn)行效率和安全性。數(shù)字孿生技術(shù)在長(zhǎng)輸油氣管道無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

隨著科技的不斷發(fā)展,數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)在很多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。在長(zhǎng)輸油氣管道無(wú)損檢測(cè)方面,數(shù)字孿生技術(shù)也有著非常大的應(yīng)用前景。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用可以對(duì)長(zhǎng)輸管道進(jìn)行數(shù)字化監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和維護(hù),降低管道的維護(hù)和管理成本,提高管道的安全和可靠性。數(shù)字孿生技術(shù)可以與人工智能技術(shù)進(jìn)行深度融合,建立管道的智能安全預(yù)警系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警,對(duì)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)告警和處理。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用可以通過(guò)云平臺(tái)的構(gòu)建和應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)對(duì)管道數(shù)據(jù)的集中管理和共享,加強(qiáng)數(shù)據(jù)的安全和隱私保護(hù),便于數(shù)據(jù)的全面分析和處理,從而提高管道的運(yùn)行效率和安全性。因此,數(shù)字孿生技術(shù)在長(zhǎng)輸油氣管道無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊。