天然氣管道完整性管理建設(shè)及關(guān)鍵技術(shù)

董志，齊釗

(1.浙江浙能燃氣股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.山東產(chǎn)研衛(wèi)星信息技術(shù)研究院，山東 濟南 250098)

0 引言

2022年度中國天然氣消費量達到3663×108m3，長輸天然氣管線總里程達到了11.6×104km。

隨著管道里程快速增加，不可避免地會穿越地勢陡峭、環(huán)境多變的山區(qū)地段，這些區(qū)域地質(zhì)災害頻發(fā)、交通運輸不便，給管道的安全管理帶來嚴峻挑戰(zhàn)。例如：2017年，貴州晴隆縣一輸氣管道因強降雨導致滑坡而發(fā)生泄漏事故，造成40多人死傷[1]；2021年，某天然氣公司管道附近由于強降雨發(fā)生地質(zhì)災害超250次，對天然氣管道的安全造成了嚴重威脅。傳統(tǒng)的管理方式和方法與山區(qū)管道面臨的風險特征并不匹配，為了保證天然氣管道平穩(wěn)運行、保證周邊人民生命財產(chǎn)安全，需要結(jié)合山區(qū)管道特點制定針對性的完整性管理措施，構(gòu)建山區(qū)管道風險防控體系。

1 山區(qū)管道完整性管理流程

1.1 山區(qū)管道風險識別

準確識別山區(qū)管道面臨的風險是實現(xiàn)完整性管理的前提條件，結(jié)合山區(qū)管道的敷設(shè)環(huán)境，從“人、機、環(huán)境”三個角度開展山區(qū)管道風險識別。

(1)人為因素：誤操作、施工、蓄意破壞；

(2)管道本體：電腐蝕、應(yīng)力腐蝕；

(3)地質(zhì)災害：崩塌、滑坡、泥石流。

1.2 山區(qū)管道完整性管理流程

根據(jù)山區(qū)管道風險識別結(jié)果以及GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》中的完整性管理六個步驟，制定出山區(qū)管道完整性管理流程。

如圖1所示，山區(qū)天然氣管道管理流程主要分為七個步驟：(1)根據(jù)高后果區(qū)等級對山區(qū)管道進行分區(qū)；(2)從管道、人員、環(huán)境三方面收集數(shù)據(jù)，管道數(shù)據(jù)包括管道本體數(shù)據(jù)以及水工保護措施數(shù)據(jù)，人員數(shù)據(jù)包括員工操作數(shù)據(jù)以及第三方人員數(shù)據(jù)，環(huán)境數(shù)據(jù)包括可能引發(fā)地質(zhì)災害的所有數(shù)據(jù)；(3)采用RBI、SIL等方法對管道、人員、地質(zhì)災害開展風險分析，確定風險大小、后果，并進行風險等級排序；(4)基于相關(guān)標準，開展管道本體、地災易發(fā)性、水工保護措施有效性以及人員作業(yè)安全性的評價作業(yè)，確定管道以及保護措施的完整情況；(5)根據(jù)完整性評價結(jié)果，制定相應(yīng)的處置方案，如地質(zhì)災害監(jiān)測、水工保護措施修復、管道檢測及維護等；(6)建立山區(qū)管道完整性管理數(shù)據(jù)庫，將各個環(huán)節(jié)聯(lián)系起來，打破信息孤島，實現(xiàn)完整性管理數(shù)據(jù)共享；(7)開展完整性管理效能評價，不斷改進、完善完整性管理各個環(huán)節(jié)。

圖1 山區(qū)管道完整性管理流程

1.3 管理難點

1.3.1 災害預測難

受到多方面因素影響，包括地形地貌、降水、植被、原生缺陷等，地質(zhì)災害的發(fā)生(概率、規(guī)模、位置)具有很強的不可預測性，導致災害預測難度較大。

1.3.2 管道監(jiān)測難

山區(qū)地形起伏劇烈、植被茂密，人工巡檢難度較大，當山區(qū)管道發(fā)生事故或附近存在施工作業(yè)時，很難在第一時間發(fā)現(xiàn)。

1.3.3 事故處理難

當山區(qū)管道發(fā)生事故需要進行維搶修作業(yè)時，由于管道沿線地形復雜、交通惡劣、社會依托差，導致管道維修設(shè)備、機具很難運輸至作業(yè)前線，增大了維搶修作業(yè)難度。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

從山區(qū)天然氣管道管理難點可以看出，對山區(qū)管道，應(yīng)該建立主動式的防護措施，利用衛(wèi)星、無人機、光纖、視頻行為分析系統(tǒng)等建立“空—天—地”的管道風險智能監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)筑“面—點”結(jié)合的第三方施工監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)山區(qū)管道全方位監(jiān)控，做到“事前早發(fā)現(xiàn)”。

2.1 衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)

激光雷達技術(shù)的快速發(fā)展使得衛(wèi)星在地質(zhì)災害監(jiān)測中的應(yīng)用越來越普遍。目前常用的是利用衛(wèi)星合成孔徑雷達監(jiān)測管道周圍地面沉降情況，其原理是每隔一段時間(一般是12 d)利用合成孔徑雷達對同一位置進行拍攝，通過比較兩個時間段內(nèi)的地表影像信息，可以獲取管道周圍地面的形變數(shù)據(jù)，識別管道沿線的地質(zhì)災害風險，其優(yōu)點是全天時、全天候、靈敏度高、分辨率高、識別范圍廣[2]。

2.2 光纖預警技術(shù)

光纖預警技術(shù)在管道安全監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，其原理是用管道同溝敷設(shè)的光纜作為傳輸媒介，從光纜一側(cè)的發(fā)射器中注入探測光脈沖，當光纜受到外界干擾時，光纜中的光纖折射率發(fā)生改變，引起探測光的相位差。通過檢測相位差的變化并解析，就能夠判斷受到干擾的位置以及干擾的類型。目前，光纖預警技術(shù)主要應(yīng)用于天然氣管道周圍施工監(jiān)測、泄漏監(jiān)測以及周界安防等領(lǐng)域[3]。

2.3 無人機巡檢技術(shù)

為了降低一線巡線人員的作業(yè)強度，一些管道營運公司開始使用無人機開展管道線路巡查工作，這些無人機下端均會搭載一個高清攝像頭，用于拍攝管道沿線的影像信息，并將這些信息上傳至后臺服務(wù)器，后臺工作人員能夠根據(jù)這些信息判斷管道周圍是否存在危險源。

目前，無人機在長輸管道中主要有兩個工作：一種是日常巡檢，另一種是定點核查[4]。在日常巡檢工作模式下，無人機會從一個站場(閥室)飛向另一個站場(閥室)，將管道沿線的信息拍攝下來，傳回后方供作業(yè)人員查看；在定點核查工作模式下，無人機起飛前需要先設(shè)定一個坐標位置，無人機到達坐標位置后才開啟攝像頭，對預定目標進行全方位、多角度的拍攝、取證，將結(jié)果發(fā)送至后臺。

2.4 視頻行為監(jiān)控技術(shù)

目前，一些管道營運單位會在管道周圍的施工區(qū)域放置視頻行為監(jiān)控系統(tǒng)，防止可能出現(xiàn)的越界施工、違規(guī)作業(yè)等情況[5]。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的工作過程包括以下步驟：(1)攝像頭錄制管道周圍影像；(2)后臺計算機讀取這些影像資料，并采用均勻稀疏采樣的方式將其轉(zhuǎn)化為圖像；(3)讀取這些圖像中異物的特征，如挖掘機、作業(yè)人員等；(4)將提取到的信息與訓練出的樣本庫里的樣本進行對比，判斷圖像中的異物類型，若判斷結(jié)果是挖掘機等對管道有威脅的物體，會自動保存該結(jié)果并將其推送至客戶端，通知后臺作業(yè)人員趕赴現(xiàn)場。

2.5 管道露管檢測技術(shù)

盡管使用衛(wèi)星系統(tǒng)可以大范圍地開展管道周圍地質(zhì)災害監(jiān)測工作，但是受到衛(wèi)星拍攝時間等因素的影響，難以在第一時間發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災害發(fā)生的位置并做出報警，因此，管道運營單位在地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)域都會埋設(shè)一些檢測設(shè)備，這些設(shè)備的核心是光敏元件。當檢測設(shè)備在地質(zhì)災害的作用下發(fā)生裸露時，光敏元件在陽光的照射下會觸動報警裝置，后者將這些信息發(fā)送至服務(wù)器，作業(yè)人員根據(jù)這些信息能知曉地質(zhì)災害發(fā)生位置。

2.6 聯(lián)合防護體系建設(shè)

2.6.1 管道防護體系建設(shè)

搭建統(tǒng)一的山區(qū)管道防護平臺，統(tǒng)一管理管道風險監(jiān)測設(shè)備，打破數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備聯(lián)合運作、管道風險智能識別、應(yīng)急策略自動生成，可以起到事半功倍的作用。山區(qū)管道防護體系建設(shè)如圖2所示。

圖2 山區(qū)管道防護體系建設(shè)

整個體系分為三個層級，分別為感知層、數(shù)據(jù)處理層以及輔助決策層。其中，感知層由無人機、光纖、攝像頭等現(xiàn)場設(shè)備(設(shè)施)構(gòu)成，用于獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至處理器；數(shù)據(jù)處理層由若干電腦處理器組成，用于分析處理現(xiàn)場感知設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)類型將其分類，判斷這些數(shù)據(jù)的有效性，篩選出對管道風險識別有用的信息，并將這些信息與歷史數(shù)據(jù)或設(shè)定的閾值進行對比，判斷是否存在威脅，并將可能造成風險的信息全部傳送至輔助決策層。輔助決策層收到數(shù)據(jù)處理層的信息后，針對風險的類型采取不同的措施。以第三方施工為例，說明本完整性管理平臺的用法。

2.6.2 第三方施工核查

當光纖系統(tǒng)監(jiān)測到管道周圍存在施工活動時，會將施工信息發(fā)送給數(shù)據(jù)分析層，后者將危險事件類別和位置發(fā)送給輔助決策層。輔助決策層判斷出這是一個可能威脅管道安全的第三方活動，然后立即給距離最近的無人機發(fā)送飛行任務(wù)，無人機飛行到指定位置后會下降一定的高度，對可疑位置進行全方位的拍攝。若確實發(fā)現(xiàn)存在第三方施工，會立即開展取證工作，同時作業(yè)人員也可以通過無人機向?qū)Ψ胶霸?，制止違法施工活動。

2.6.3 管道應(yīng)急搶修

當?shù)谌绞┕ひ呀?jīng)造成管道損毀時，除了派遣無人機前往現(xiàn)場調(diào)查取證外，輔助決策層還會根據(jù)現(xiàn)場特點、已有的維修案例自動生成維修方案，包括維修方法、作業(yè)人員、需要的設(shè)備及庫存等，為管道應(yīng)急搶修提供依據(jù)。

3 結(jié)論

本文以山區(qū)天然氣管道為研究對象，從“人、機、環(huán)境”三方面介紹了山區(qū)管道面臨的風險，提出了包含人、管道、環(huán)境的山區(qū)天然氣管道完整性管理流程，在此基礎(chǔ)上介紹了一些可以用于山區(qū)天然氣管道風險監(jiān)測與識別的新技術(shù)，詳細敘述了每項技術(shù)的原理、實現(xiàn)方式和用途，得出以下結(jié)論：

(1)山區(qū)管道處于復雜的地形地貌中，面臨的威脅和管理上的困難與其他管道存在明顯不同，在制定管理方案時一定要考慮環(huán)境因素，重點關(guān)注地質(zhì)災害對管道的影響。

(2)介紹了衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)、光纖預警技術(shù)、無人機巡檢技術(shù)、視頻行為監(jiān)控技術(shù)、管道露管檢測技術(shù)的原理和用途，建立了包含感知層、數(shù)據(jù)分析層、輔助決策層的山區(qū)管道防護平臺，并以第三方施工為例，說明不同情況下應(yīng)急響應(yīng)措施的區(qū)別。