（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

隨著化石能源的日益減少及能源需求的不斷增長，為了更加合理高效地配置和利用石油資源，提高石油資源的加工深度及石油資源綜合利用程度[1]，石化企業(yè)大型化已成為基本趨勢，且石化裝置通常是在高溫、高壓及介質腐蝕性強等條件下工作，為了確保裝置的長周期安全運行，承壓設備的安全管理水平的提高至關重要。

近年來，許多企業(yè)和研究單位針對石化裝置的各類風險評估、管理及控制進行了大量的研究以確保裝置長周期安全可靠運行，但缺少一套綜合完善的石化裝置預知維修管理系統(tǒng)。而地利信息系統(tǒng)（GIS）技術的飛速發(fā)展為承壓設備的安全管理提供了一種新模式。最早在二十世紀60年代，由加拿大測量學家R.T.Tomlison提出并建立了世界上首個的GIS系統(tǒng)，主要用于自然資源的管理和規(guī)劃[2]。直到二十世紀70年代，隨計算機硬件和軟件技術的飛速發(fā)展，特別是大容量存儲設備的問世，使得GIS技術開始進入實際使用階段。Sylvestre Baufume′等人[3]開發(fā)了基于GIS技術的管線建設系統(tǒng)，并將其運于德國氫能源管線的建設。劉兵等人[4]將三維GIS技術用于設備的可視化管理，提高了設備的安全管理水平和企業(yè)生產(chǎn)效率。肖慶來等[5]運用道化學公司評估火災和爆炸危險的數(shù)學模型，結合GIS技術，開發(fā)了針對石化裝置的安全評價系統(tǒng)。王金柱等[6]研究了管道失效模式及相關數(shù)據(jù)的處理方法，進行了管道事故嚴重度對環(huán)境影響的評估，并運用GIS技術實現(xiàn)管道事故風險評估的可視化。王耀彬對油田事故環(huán)境風險可視化進行了研究，結合了油田事故風險源的識別、環(huán)境污染評估模型及GIS技術，建立了一套基于GIS技術的油田事故風險可視化預警系統(tǒng)[7]。Yang等人[8]運用3D-GIS技術開發(fā)了一套用于城鄉(xiāng)電力配送線路設計的新方法。張書華介紹了一種基于GIS平臺的石油管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)，闡述了GIS技術在小范圍內用于評估管道安全管理的優(yōu)越性[9]。目前GIS技術在石油化工行業(yè)的應用尚處在初始階段。

本文針對承壓設備的特點與要求，將GIS技術與設備的安全管理相結合，制定一套集成了各類腐蝕、風險管理和控制措施的實施及實施結果的管理和應用工具，這對于提高設備管理的科學性，企業(yè)安全生產(chǎn)水平、減少和避免安全事故都具有重要意義。

1 GIS技術

GIS是一種十分重要的空間信息系統(tǒng)。它是在計算機硬件和軟件支持下，對整個或部分地球表層空間中的有關地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統(tǒng)[10]。

三維GIS是利用三個空間坐標軸（X、Y、Z）來定義空間目標的，通過目標之間的水平、垂直和空間相對位置之間的關系來展示目標的三維空間信息。與二維GIS相比，其對空間的有限—互斥—完整劃分和拓撲關系更加復雜。此外，三維GIS不但具備了二維GIS對空間對象平面信息展示等各項功能，而且囊括了空間目標之間的垂直關系，具有對空間目標三維信息的分析和管理能力，為用戶提供了一個更加形象直觀的空間對象可視化平臺。

經(jīng)過多年的發(fā)展，三維GIS技術已成功地運用于采礦、地質和石油等領域，并開發(fā)了相應的三維GIS系統(tǒng)[11]。

2 系統(tǒng)特點

通過GIS構造煉廠設備的地理信息模型，結合煉廠煉油裝置的工藝流程，在操作平臺上直觀展示成套裝置的工藝流程和設備的風險等級，提高設備管理的可視化程度及設備風險管理的快速反應能力。

1）裝置仿真二維三維一體化。煉廠實際管道數(shù)量眾多，排布復雜，使得對于設備和管線的管理較為困難，運用GIS技術對煉廠裝置進行了地理信息模型的構建，并整合了煉廠工藝流程PFD圖，實現(xiàn)了整套工業(yè)流程的二維展示，同時展示了設備和管線三維模型，如圖1所示。通過GIS平臺，可以隨時提取不同流程的不同位置的設備和管線三維分布圖，使得設備和管線的空間分布及流程監(jiān)測更加清晰便捷，提高了設備和管線管理的便利程度。

2）獲取設備信息便捷。該SuperMap GIS平臺集成了煉油設備，如塔器、換熱器、儲罐等設備的編號、尺寸及操作條件等信息，通過操作平臺輸入需要查詢設備或管線的編號，系統(tǒng)將所查詢的設備或管線在流程圖中以紅色顯示，并以列表的形式自動彈出所點擊設備的相關信息，使得煉廠相關設備的屬性信息的獲取變得更加方便快捷，如圖2所示。

圖2 設備信息獲取

3）直觀的風險預警。本系統(tǒng)基于SuperMap GIS平臺的專題圖功能，集成了煉廠設備的風險評級數(shù)據(jù)、測厚數(shù)據(jù)快速生成風險專題圖、減薄超標預警專題圖、壽命不足預警專題圖，以直觀的方式展示預警信息，將數(shù)據(jù)進行可視化處理，在裝置工藝流程圖上顯示屬性數(shù)據(jù)和預警信息，使得設備的各級管理者能夠及時有效地了解裝置的風險等級、減薄和腐蝕狀況。

3 系統(tǒng)功能

1）裝置風險動態(tài)可視化監(jiān)測。利用RBI技術對裝置進行風險檢測，將裝置風險劃分為高風險、中高風險、中風險和低風險，并分別以紅色、橙色、黃色和綠色進行標識。各個裝置的風險等級通過GIS平臺在裝置流程圖中進行顯示，如圖3所示，同時該平臺可以對裝置的風險進行更新計算，實現(xiàn)了裝置風險的動態(tài)監(jiān)測。

圖3 裝置風險動態(tài)監(jiān)測

2）減薄超標與壽命不足預警。當管道同一點兩次測量數(shù)據(jù)誤差10%，則系統(tǒng)以黃色形式預警，需要設備人員對管道進行重新確認，確認后由領導審核確認。若管道減薄超過25%，則系統(tǒng)以紅色形式預警，這時需要對預警的管道進行壽命評價，確認管道剩余壽命是否滿足繼續(xù)使用要求。將相關管線的數(shù)據(jù)集成到SuperMap GIS平臺中，實現(xiàn)對重點監(jiān)測管道壁厚減薄及壽管線壽命不足預警等信息的展示，如圖4所示。

圖4 減薄超標與壽命不足預警

3）管道沖蝕狀況顯示。管道沖蝕減薄是影響管道壽命的一個重要因素，通過現(xiàn)場管道的實測結果，并對比FLUENT模擬結果，分析管道中流體的流動狀態(tài)，將管道的沖蝕分析結果整合進入GIS平臺，設備管理人員可以通過操作平臺，點擊所監(jiān)測的管道，系統(tǒng)即彈出相應管道的數(shù)值計算結果，用戶可以從不同視角觀察管道內流場的流動狀態(tài)，如圖5所示。

4）測厚計劃與測厚點分布顯示。管道壁厚是管道壽命預測的一個重要參數(shù)，合理有效地布置管道壁厚測點是監(jiān)控管道運行狀況的前提。本系統(tǒng)集成管道風險評級、沖蝕腐蝕狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)對相關管道不同位置進行測點的選擇。將各管線的測點數(shù)量及分布狀況輸入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫內，實現(xiàn)管道測厚點在管道三維仿真模型的展示，如圖6所示。

圖5 管道沖蝕狀況展示圖

圖6 管道測厚點分布圖

4 結論

1）本系統(tǒng)利用GIS技術實現(xiàn)了成套石化裝置流程圖的平面展示，并集成設備及管線的三維信息，實現(xiàn)了成套裝置設備和管線的二維三維一體化展示。

2）將GIS技術與RBI技術相結合，完成了裝置風險等級的劃分及實時更新，實現(xiàn)了裝置風險動態(tài)可視化監(jiān)測。

3）本系統(tǒng)結合了SuperMap GIS的專題圖功能，整合了風險評級數(shù)據(jù)、測厚數(shù)據(jù)快速生成風險專題圖、減薄超標預警專題圖、壽命不足預警專題圖，實現(xiàn)了裝置風險預警的可視化。

4）通過數(shù)值計算進行了整套裝置中管道內的流動分析，得到了管道內的流動狀態(tài)及沖蝕分布，本GIS平臺可以隨時提取整個流程中各條管道內的流動狀態(tài)，并以云圖的方式進行直觀展示，便于及時迅速地掌握管道流體的流動狀態(tài)。

5）本系統(tǒng)通過大量的管道風險評估、管道沖蝕腐蝕研究，確定管道測厚計劃的制定及測點分布，可以在管道三維圖上直觀地顯示不同部位測點的分布情況，使得管線的安全檢測更加快速便捷。