GIS管道精密對接設(shè)備機械系統(tǒng)的設(shè)計與研究

摘要：油氣管道在地下土壤環(huán)境中會受到腐蝕，影響油氣管道的使用壽命?，F(xiàn)基于GIS技術(shù)研究了油氣管道精密對接設(shè)備機械系統(tǒng)，通過移動終端對油氣管道的檢測，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾IS服務(wù)器和系統(tǒng)服務(wù)器中。數(shù)據(jù)服務(wù)器根據(jù)油氣管道數(shù)據(jù)的類型進(jìn)行儲存和計算，分析缺陷區(qū)域管道的內(nèi)壓、缺陷對管道剩余強度的影響，完成對油氣管道的完整性評價和管間精密對接性分析。實驗中使用該系統(tǒng)與油氣管道缺陷無損檢測、基于有限元的油氣管道漏磁檢測對油氣管道進(jìn)行完整性和精密對接性檢測，檢查管段中存在的缺陷個數(shù)和管道內(nèi)壓，實驗數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)對油氣管道的檢測精度最高，檢測出存在的腐蝕性缺陷個數(shù)最多，管間對接精密度最高。

關(guān)鍵詞：油氣管道；GIS服務(wù)器；完整性評價；對接精密度

中圖分類號：TE973.6" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" 文章編號：1671-0797（2023）07-0029-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.07.007

0" " 引言

隨著我國油氣輸送技術(shù)的迅速發(fā)展，油氣管道的使用越來越廣泛。由于工業(yè)廢水和污染物使土壤環(huán)境受到腐蝕，而管道周圍環(huán)境會影響管道的壽命，通常會對輸送管道采用防腐層的防護措施[1]。但因為施工過程中受到技術(shù)和環(huán)境的限制，隨著時間的推移，管道對接的精密度會逐漸降低，防護層發(fā)生開裂和脫落，使管道的安全性能降低。一旦發(fā)生管道泄漏事故，可能會引發(fā)燃燒和爆炸，給周圍的自然環(huán)境和人們的生命、財產(chǎn)安全造成損失[2]。

針對上述問題，文獻(xiàn)[3]采用了油氣管道在線檢測系統(tǒng)對油氣管段的陰極保護裝置和對接管道進(jìn)行風(fēng)險性評估，有效降低了油氣管道發(fā)生故障的概率；但系統(tǒng)中腐蝕評價和破壞評價并不完善，故對管道檢測的精度不高，且檢測時間過長。文獻(xiàn)[4]使用了磁漏變形和腐蝕檢測設(shè)備，并完善了配套管道檢測和完整性評價技術(shù)，對油氣管道進(jìn)行內(nèi)外檢測和安全評價，取得了較好的效果；但沒有建立管道信息數(shù)據(jù)庫，檢測到的數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)實時共享，設(shè)備的維護成本較高。

針對上述研究中存在的不足，本文基于GIS技術(shù)應(yīng)用移動終端通過無線通信與GIS服務(wù)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將采集到的油氣管道數(shù)據(jù)和周圍地理環(huán)境信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器中，通過對油氣管道檢測，發(fā)現(xiàn)其中的設(shè)計缺陷或硬件缺陷，并對這些缺陷進(jìn)行計算評估，判斷對油氣管道剩余強度和管道內(nèi)部壓力的影響，防止腐蝕性缺陷對管道完整性和對接精密性造成破壞。

1" " 基于GIS技術(shù)的管道精密對接設(shè)備機械系統(tǒng)

本文的創(chuàng)新點在于：GIS系統(tǒng)服務(wù)器與系統(tǒng)服務(wù)器之間的互聯(lián)，可以根據(jù)現(xiàn)場實際油氣管道數(shù)據(jù)和設(shè)備屬性進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的添加和修改，使油氣管道的數(shù)據(jù)實時更新。服務(wù)器之間的交互更加有利于對油氣管道的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的調(diào)用和查詢，對油氣管段中缺陷對管道的壓力系數(shù)和完整性的影響計算更快，得到對油氣管道的完整性評估和對接精密性。

1.1" " 系統(tǒng)總體設(shè)計

油氣管道的精密對接是指油氣管道保持完整性與可靠的狀態(tài)。油氣管道一般有陰極保護裝置和外部的防腐層，可以減輕腐蝕的程度[5]。管道的安裝和運輸過程可能會對管道的防腐層造成一定程度的損壞，時間長之后防腐層和陰極保護裝置會發(fā)生老化，腐蝕性液體會對管道造成破壞[6]。鑒于眾多因素對油氣管道的影響，為保障管道的精密對接，對油氣管道進(jìn)行完整性檢測是非常有必要的。

基于GIS技術(shù)來實現(xiàn)油氣管道的缺陷檢測，操作方便和成本較低的同時對油氣管道的檢測精度更高[7]?；贕IS技術(shù)可以實現(xiàn)管道設(shè)備、管段環(huán)境、周圍管線信息的有機整合，對某一管道交匯點和管段可以給出準(zhǔn)確的信息，提高了管道檢測完整性和精密對接方面的精度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

本系統(tǒng)基于GIS技術(shù)和移動終端，通過無線通信與GIS服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器的互聯(lián)，完成對油氣管道精密對接和完整性的檢測；對管道缺陷進(jìn)行記錄，根據(jù)數(shù)據(jù)對缺陷等級進(jìn)行劃分，對嚴(yán)重威脅管道安全性的缺陷及時進(jìn)行處理，防止事故的發(fā)生[8]。

系統(tǒng)能夠快速檢測油氣管道對接的精密性，與底層強大的GIS數(shù)據(jù)有很大關(guān)系。系統(tǒng)的各功能模塊和數(shù)據(jù)模塊分層架構(gòu)，各層之間可以實現(xiàn)交互的功能，從整體上可以完成數(shù)據(jù)交互和業(yè)務(wù)邏輯的開發(fā)[9]。接收傳輸來的數(shù)據(jù)時，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行識別并分類，儲存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器中。對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和升級時，可以只針對相應(yīng)的數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行修改和升級，不影響其他數(shù)據(jù)模塊的正常使用[10]。

1.2" " 油氣管道的完整性檢測

當(dāng)管道的某一管段因為防腐層老化和陰極保護裝置脫落而受到腐蝕時，腐蝕程度會影響管道的強度，當(dāng)管道被腐蝕到一定程度時，其強度就不能滿足工作要求[11]，通常稱這種狀態(tài)為管道極限強度狀態(tài)。管道的使用壽命可以用這些特征量和極限狀態(tài)程度進(jìn)行測算[12]。

泵站需要向管道提供壓力來滿足油氣管道的正常工作，由伯努利方程可知，在流體運動中壓力用來克服管道中的摩擦阻力[13]。在長管道中，油氣傳送的沿程摩阻占大部分，局部摩阻占一小部分。因為局部摩阻主要是油氣流經(jīng)閥門和彎型管道時產(chǎn)生的，長管道傳輸中閥門和彎管數(shù)量較少，所以產(chǎn)生的磨損也少[14]。沿程摩阻可表示為：

式中：λ為摩阻系數(shù)；l為流經(jīng)管道的長度；V為管道中流體的速度；D1為管道的內(nèi)徑。

λ的值跟摩阻R有關(guān)，R表示為：

式中：υ為流體的運動粘度；Q為流體的體積流量。

將摩阻損失轉(zhuǎn)換為壓力損失PS可表示為：

式中：ρ為油氣的密度。

如果不考慮摩擦阻力，則距離管道L處的內(nèi)壓可以表示為：

式中：Po為油氣出站口的壓力；Δz為高差位能[15]。

管道運行中，內(nèi)壓的大小隨著距離增加而減小，在起點處內(nèi)壓最大，然后逐漸降低。當(dāng)腐蝕缺陷程度相同時，內(nèi)壓在管道起點對管道的影響最大，隨著距離增加影響逐漸減小，所以油氣管道各管段中的風(fēng)險值不一樣[16]。

通過力學(xué)分析計算出管道缺陷處的壓力，為油氣管道的維修和更換提供依據(jù)[17]。當(dāng)油氣管道的缺陷處達(dá)到極限壓力時，管道會發(fā)生破裂，壓力系數(shù)可表示為：

式中：Psw為管道安全運行的壓力系數(shù)；Pf為缺陷處部分管道的損失破壞壓力；Fs為安全系數(shù)。

Pf可表示為：

式中：P0為正常管道的破壞壓力；Rs為油氣管道剩余強度系數(shù)。

Rs與管道的關(guān)系為：

式中：d為管道腐蝕缺陷深度；t為管道壁厚；L為管道腐蝕缺陷的長度；D2為管道的外徑。

帶有軸向腐蝕缺陷的油氣管道可承受內(nèi)壓的計算公式為：

式中：p為管道可承受的內(nèi)壓；σTs為管道材料的拉伸強度；G為管道長度的修正系數(shù)。

G可表示為：

油氣管道發(fā)生腐蝕時，管道最大安全運行壓力計算公式為：

式中：σs為管道材料抗拉強度；F為油氣管道的設(shè)計系數(shù)；M為油氣管道的膨脹系數(shù)。

對帶有腐蝕缺陷的管道分析剩余強度，計算出油氣管道的最大運行工作壓力，來判斷管道是否處于最低工作狀態(tài)，然后對油氣管道進(jìn)行維修和更換，保證了油氣管道的完整性和精密對接[18]。

1.3" " 油氣管道GIS數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

GIS服務(wù)器具有較強的空間分析能力，在對油氣管道進(jìn)行分析、定位和查詢時，管道的圖形和數(shù)據(jù)可視化，具有模擬演變和空間決策的能力[19]。油氣管道的信息在GIS系統(tǒng)中的時間與空間上連續(xù)分布，具有多維性、時序性的特點。獲取數(shù)據(jù)的方法較多，根據(jù)不同地理位置和管段特性，選擇不同的方法采集數(shù)據(jù)，如表1所示[20]。

油氣管道信息可視化使信息的查詢和對管道缺陷處的分析結(jié)構(gòu)能在圖層中顯示，在對管道信息輸出時，都采用地圖學(xué)的表示法。對油氣管道進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時，常用的分析方法有拓?fù)浞治?、距離圖、地形圖等[21]。GIS體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

GIS體系結(jié)構(gòu)可分為三個部分：表示層、邏輯層、數(shù)據(jù)層。表示層包括各種移動終端，如手機和筆記本電腦、PDA、車載終端等，可隨時與服務(wù)器連接提供數(shù)據(jù)[22]。邏輯層包括無線網(wǎng)關(guān)和各種服務(wù)器，利用多層架構(gòu)，結(jié)合各種服務(wù)器與互聯(lián)網(wǎng)提供的線性結(jié)構(gòu)，可以更好地處理數(shù)據(jù)，平衡負(fù)載的問題。Web服務(wù)器與GIS服務(wù)器互聯(lián)，數(shù)據(jù)分布廣泛，SDE和多元異構(gòu)空間數(shù)據(jù)庫交互，實現(xiàn)了GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸和交互，使系統(tǒng)具有更好的靈活性和適用性[23]。

2" " 應(yīng)用測試

為了驗證本設(shè)計對機械系統(tǒng)的影響，本文分別用油氣管道缺陷無損檢測[3]和基于有限元的油氣管道漏磁檢測[4]與本文所提出的檢測方法做實驗對比，發(fā)現(xiàn)管道表面存在的腐蝕性缺陷。表2所示為軟件操作系統(tǒng)的實驗環(huán)境。

油氣管道受到地質(zhì)環(huán)境、輸送介質(zhì)、管道材料和防腐蝕裝置多方面影響，容易發(fā)生腐蝕穿孔的現(xiàn)象，污染環(huán)境。系統(tǒng)能夠?qū)π孤﹨^(qū)域快速定位、及時檢修，最大程度減少損失。油氣管道監(jiān)控系統(tǒng)對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，對管道在正常工作中的壓力、溫度、流量等信息進(jìn)行檢測。GIS服務(wù)器具有空間分析、數(shù)據(jù)運算、快速定位和查詢的功能，通過數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得知管段中存在缺陷的區(qū)域，對區(qū)域進(jìn)行完整性、對接精密性檢測，并在圖層中標(biāo)記出來。表3為本文系統(tǒng)、文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)檢測到的油氣管道數(shù)據(jù)對比。

由表3數(shù)據(jù)可知，本文系統(tǒng)的檢測精度更高，發(fā)現(xiàn)的缺陷個數(shù)最多，得到的油氣管道的管間對接精密度最高。本文系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的腐蝕性缺陷個數(shù)達(dá)到106個，對油氣管道的檢測更加細(xì)致，精度更高。文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)對油氣管道的檢測數(shù)據(jù)明顯低于本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，檢測到的缺陷個數(shù)低至82個，說明文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)的檢測精度不高，檢測到的數(shù)據(jù)粗略、不準(zhǔn)確，有些缺陷檢測不到，容易造成對油氣管道的損壞，發(fā)生事故的概率增加，同時造成管間對接的精密度不高。文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)精度較高，相較于文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，檢測到的缺陷個數(shù)明顯提高，提高了油氣管道的安全性，但管間對接精密度略低于本文系統(tǒng)。因此，本文系統(tǒng)根據(jù)油氣管道的壓力和流量，再結(jié)合管段中缺陷區(qū)域的位置，可以對某一特定管段進(jìn)行完整性評價，計算出油氣管道可以正常運行的最小內(nèi)壓，同時評價管道的剩余強度，以便對管道進(jìn)行檢修和更換，提高了管道的安全性能。

3" " 結(jié)語

本文基于GIS技術(shù)研究油氣管道對接設(shè)備機械系統(tǒng)、移動終端設(shè)備和油氣管道監(jiān)測設(shè)備，通過無線通信與GIS服務(wù)器和系統(tǒng)服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，包括油氣管道的長度、內(nèi)外直徑和內(nèi)壓，表面存在的缺陷個數(shù)和周圍地理環(huán)境的信息，都存儲在GIS數(shù)據(jù)服務(wù)器中。根據(jù)實際數(shù)據(jù)可對油氣管道進(jìn)行完整性和對接精密度評價，通過對缺陷的評估判斷是否需要對管道進(jìn)行維修，可以避免管道工作中的事故風(fēng)險，減少事故的發(fā)生。由于采集到的油氣管道的數(shù)據(jù)信息量過大，在無線通信傳輸方面需要更大帶寬和更快速率的支持，GIS數(shù)據(jù)服務(wù)器也需要更大的容量，硬件設(shè)備的維護和運行成本不低。本文系統(tǒng)還需對管道特性、完整性評價和檢修時間的安排進(jìn)行完善，建立更可靠的管理系統(tǒng)。

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收稿日期：2022-12-12

作者簡介：徐新苗（1984—），男，廣西陸川人，工程師，研究方向：機械工程及自動化。