崔萬祥 歐曙輝 劉嚴強
(1. 浙江省能源集團城市燃氣有限公司,浙江 杭州 310016;2. 浙江鈺烯腐蝕控制股份有限公司,浙江 寧波 315000)
隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,油氣管道已成為我國必不可少的能源大動脈。截至2015年,我國油氣長輸管線總里程10.87萬公里,按照“十三五”規(guī)劃,至2020年年底,我國油氣長輸管道里程數(shù)將達到16.9萬公里。燃氣管道將覆蓋東部地區(qū)大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)。這些管道系統(tǒng)在運行中面臨多重威脅,外來破壞、腐蝕、地質(zhì)災(zāi)害都可能對管道系統(tǒng)造成嚴重影響。同時,由于油氣管道上的缺陷不可避免,且隨著時間的增長,逐步惡化;人類活動和自然環(huán)境變化都會對管道產(chǎn)生影響。油氣管道破壞會造成泄漏、燃燒、爆炸、環(huán)境污染等嚴重后果。因此,必須采用適宜的技術(shù)手段和管理措施,保障管道的安全性,延長管道的使用壽命。
管道完整性管理的概念就是在這種需求下產(chǎn)生的,其通過對油氣管道運行中面臨的風險因素進行識別和評價,通過監(jiān)測、檢測、檢驗等各種方式,獲取管道完整性的信息,并制定相應(yīng)的風險控制對策,不斷改善有害因素,從而將管道運行的風險水平控制在合理的、可接受的范圍內(nèi),并最終達到持續(xù)改進、減少和預(yù)防管道事故發(fā)生、經(jīng)濟合理地保證管道安全運行的目的。
美國國會于2002年11月通過了專門的H.R.3 609號法案,該法案要求管道運營商在高風險地區(qū)實施管道完整性管理計劃。管道完整性管理正式以法律形式確定和提出,世界各國管道公司紛紛開始采用完整性管理模式進行運行管理。世界各國主要的管道公司都在近些年采用了這一管理理念,實施的管道的完整性管理。如美國Willams Gas、英國TRANSCO、加拿大TRANSCANADA等著名管道公司都率先實施了管道完整性管理,并建立了專門的完整性管理機構(gòu)。我國也在2015年發(fā)布了《GB32167油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》,并于2016年3月1日正式實施,管道企業(yè)實施管道完整性管理在我國正式進入一個新階段。國內(nèi)中石油管道公司、中石化、中海油有關(guān)管道部門都已經(jīng)開始實施管道完整性管理工作。
管道完整性管理包括:數(shù)據(jù)收集、高后果區(qū)識別、風險評價、完整性評價、維修與維護、效能評價六個環(huán)節(jié)(如圖1所示)[1]。管道企業(yè)要保證管道完整性管理的有效實施,需要進行完整性管理體系建設(shè),這是實施完整性管理的基礎(chǔ),管道完整性體系建設(shè)就是對涉及管道完整性管理的信息、技術(shù)、工作流程、組織機構(gòu)及文件體系等要素進行集成,將其轉(zhuǎn)化為管理要素和經(jīng)濟要素,經(jīng)濟合理地保障管道安全可靠運行,是一項系統(tǒng)工程。
管道完整性數(shù)據(jù)的及時收集和處理,是實施管道完整性管理的基礎(chǔ)。收集的數(shù)據(jù)應(yīng)屬于管道完整性管理相關(guān),并充分滿足高后果區(qū)識別、風險評價、完整性評價、管道修復(fù)等管理環(huán)節(jié)對數(shù)據(jù)的要求,其涉及多個專業(yè)的繁雜數(shù)據(jù),應(yīng)具有統(tǒng)一的存儲邏輯,并形成管道完整性數(shù)據(jù)庫,滿足后續(xù)數(shù)據(jù)處理分析的需要。形成有效的管道完整性數(shù)據(jù)收集機制,對于保證有效的管道完整性管理是至關(guān)重要的。
圖1 管道完整性評價流程
高后果區(qū)是指如果管道發(fā)生泄漏或斷裂等事故,會對公眾安全、財產(chǎn)、環(huán)境、社會等造巨大損失的區(qū)域。依據(jù)相關(guān)的標準規(guī)范,收集管道沿線風險相關(guān)屬性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),識別管道沿線的高后果區(qū)(HCA)。
風險評價是依據(jù)管道屬性數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)、相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù),并依據(jù)HCA高后果區(qū)數(shù)據(jù),對管道的破壞風險進行評價分級。以確定管道沿線各區(qū)段的風險值,并加以排序。定量風險評價需要較好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),在數(shù)據(jù)質(zhì)量差時可采用定型或半定量的方式。
完整性評價,是采用各種檢測、監(jiān)測手段對管道進行檢測,已確定存在的影響管道完整性的風險因素,如管體缺陷、腐蝕、變形、應(yīng)力集中等。對埋地油氣管道可采用內(nèi)檢測、外檢測直接評價、試壓等方式。由于各種現(xiàn)有的檢測技術(shù)均有局限性,因此應(yīng)根據(jù)管道實際情況選擇適宜的檢測和監(jiān)測方法,以準確全面獲得管道完整性相關(guān)信息。
維護與維修是利用完整性檢測獲得的信息和風險評價結(jié)果,按照風險排序,采用適宜手段,如:換管、打磨、堆焊、套筒修復(fù)補強、防腐層大修等手段,通過修復(fù)管道完整性相關(guān)缺陷,實現(xiàn)管道風險的降低。
效能評價是針對管道完整性管理系統(tǒng)本身進行評價,評價其有效性,發(fā)現(xiàn)不足并加以改進。
經(jīng)過多年的推廣發(fā)展,管道完整性管理已經(jīng)成為我國主要管道企業(yè)的管理規(guī)范和標準,但是,由于各企業(yè)重視程度不同,加之管道完整性管理本身也還存在諸多與管道企業(yè)的適應(yīng)問題,如數(shù)據(jù)采集困難、管道數(shù)字化程度不足等都影響了管道完整性實施的有效性,這些都需要充分利用現(xiàn)代技術(shù)和管理手段加以改進,以保證其有效實施。
隨著近些年信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,新一代的信息技術(shù)噴薄而出,如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù),這些技術(shù)已經(jīng)開始深刻地改變工業(yè)生產(chǎn)和社會生活。
物聯(lián)網(wǎng)的英文名稱為“The Internet of Things” ,簡稱:IOT。由該名稱可見,物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。其有兩層含義:第一,物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng),是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上的延伸和擴展的一種網(wǎng)絡(luò);第二,其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間,進行信息交換和通信。因此,物聯(lián)網(wǎng)的定義是通過物體傳感器和通信協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接,進行信息交換、通信和控制,以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。對于油氣管道系統(tǒng)而言,物聯(lián)網(wǎng)則是通過各種工業(yè)傳感器對管道沿線設(shè)備和環(huán)境進行測量、感知,并獲取數(shù)據(jù)?,F(xiàn)代傳感器技術(shù)進步巨大,已出現(xiàn)多種可用于油氣管道監(jiān)測的傳感器,如在線的管道位移、變形監(jiān)測設(shè)備可監(jiān)測管道由于滑坡、地震、塌方等造成的管道位移、變形,敷設(shè)在管道沿線的通信光纜,還可用于監(jiān)測管道沿線可能的開挖、打孔盜油等。
大數(shù)據(jù)技術(shù)是隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、智能化硬件設(shè)備的普及而產(chǎn)生的,工業(yè)和社會活動產(chǎn)生的新信息數(shù)據(jù)已達海量級別,如此數(shù)量的數(shù)據(jù)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方式無法滿足實際需求,也無法發(fā)掘其價值。大數(shù)據(jù)技術(shù)即針對這些海量數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù),目的即為充分挖掘海量數(shù)據(jù)的價值,更好的服務(wù)于社會。對于管道系統(tǒng),大量管道、環(huán)境監(jiān)測工業(yè)傳感器和管理活動,都產(chǎn)生數(shù)據(jù),如何有效整合、分析這些數(shù)據(jù),進而充分發(fā)掘其價值,對于提高管道完整性管理的效率和水平有現(xiàn)實意義。
圖2 物聯(lián)網(wǎng)示意圖
人工智能技術(shù)在近些年獲得了快速發(fā)展,人工智能圍棋選手已經(jīng)擊敗人類頂尖選手。現(xiàn)代人工智能以深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為特征,可對多因素、非線性關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)進行處理。針對影響管道完整性的因素,利用收集數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗數(shù)據(jù),可以在管道完整性有關(guān)決策環(huán)節(jié),利用人工智能技術(shù)進行處理進而減少人為干預(yù),可大大提高管道完整性管理系統(tǒng)的效率。
隨著技術(shù)的進步,可用于獲取管道完整性狀態(tài)信息的傳感器種類增多,使得管道完整性狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)成為可能??衫玫尼槍艿劳暾员O(jiān)測技術(shù)如表1所示,現(xiàn)有的傳感器可覆蓋管道完整性管理的大部分需求,可用于監(jiān)測管道的完整性相關(guān)狀態(tài),如外部干擾(第三方破壞、打孔盜油可利用光纖傳感器、管道壓力波傳感器)、腐蝕(陰極保護電位監(jiān)測、關(guān)鍵部位無損監(jiān)測、腐蝕監(jiān)測)、地質(zhì)災(zāi)害(管道位移監(jiān)測、管道變形監(jiān)測)、誤操作可由自動控制系統(tǒng)邏輯加以控制。對于無法利用在線監(jiān)測獲取的信息則可以通過管道檢測手段得到,管道內(nèi)檢測、試壓可獲得有關(guān)管道本體制造、材料缺陷以及外來損傷造成的管體缺陷,試壓可以獲得有關(guān)影響管道承壓能力的一定程度的缺陷,外檢測直接評價可獲得有關(guān)管道防腐層劣化信息、陰極保護有效性以及存在的活性腐蝕信息(如表2所示)。
表1 管道完整性監(jiān)測技術(shù)
表2 管道完整性檢測技術(shù)
國內(nèi)新一代的全智能化新型陰極保護系統(tǒng),包括全智能數(shù)字化恒電位儀、智能測試樁、特種柔性陽極地床。與現(xiàn)有的床頭陰極保護系統(tǒng)相比,具有全智能、可靠性高、兼容性好、施工簡便、壽命長的優(yōu)勢。還可作為管道沿線的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點,可兼容接駁其他傳感器(為傳感器供電和提供通信通道),可作為管道沿線傳感器的通信節(jié)點,滿足管道沿線的傳感器安裝要求。
利用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù),收集處理大量的管道系統(tǒng)完整性信息,利用大數(shù)據(jù)技術(shù)處理數(shù)據(jù),并利用人工智能技術(shù)處理相關(guān)風險評價、效能評價、維護維修相關(guān)決策環(huán)節(jié),可大幅度提高管道完整性管理系統(tǒng)的效率。
隨著技術(shù)的進步,可用于獲取管道完整性狀態(tài)信息的傳感器種類增多,使得管道完整性狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)成為可能。現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速進步使得管道完整性監(jiān)測越來越完善,可大幅度提高管道完整性監(jiān)測的時效性。大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展,使得建設(shè)真正意義上具備自我感知、自我威脅處理決策的智能數(shù)字管道成為可能。對于管道企業(yè)而言,建立適應(yīng)于管道完整性管理的管理和責任體系,在此基礎(chǔ)上,充分利用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù),可構(gòu)建出新一代高效、智能的管道完整性管理信息系統(tǒng),進而有效保障管網(wǎng)的安全高效運行。