黃知坤，董華清，盛安全，曾 奕

(1. 中石化川氣東送天然氣管道有限公司 湖北 武漢 430000； 2. 中國石化銷售有限公司華中分公司 湖北 武漢 430200)

0 引 言

數(shù)字化管道是集空間化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化為一體的技術(shù)系統(tǒng)[1]，西氣東輸冀寧聯(lián)絡(luò)段管道拉開了我國長輸管道全面采用數(shù)字化技術(shù)的序幕，數(shù)字化管道理念在國內(nèi)蓬勃發(fā)展，數(shù)字化管道已覆蓋到管道勘探設(shè)計(jì)、管道施工建設(shè)和管道運(yùn)營管理環(huán)節(jié)[2]。目前挖掘管道數(shù)據(jù)深度價(jià)值的應(yīng)用案例相對較少，僅限于在管道風(fēng)險(xiǎn)分析、內(nèi)檢測等方面的初步探索，尚無實(shí)質(zhì)性應(yīng)用，將管道各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、信息等集成于一體，有待攻關(guān)[3]。

管道數(shù)據(jù)整合技術(shù)是通過數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)對齊將管道全生命周期數(shù)據(jù)整合在統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)中，使管道數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)和管道里程可以相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)管道相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的整合分析。

1 管道數(shù)字化數(shù)據(jù)使用現(xiàn)狀

管道在運(yùn)營過程中會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，由于這些數(shù)據(jù)采集是在管道建設(shè)及管道運(yùn)營管理的不同時(shí)期，其管理、采集、存儲的內(nèi)容及方式不一致，同時(shí)按照多種不同的組織方式將不同類型的數(shù)據(jù)分別存放在不同的數(shù)據(jù)庫中，使得這些數(shù)據(jù)在利用過程中存在許多問題[4]。

1)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition，SCADA)、地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)、陰極保護(hù)遠(yuǎn)傳、地質(zhì)災(zāi)害管理、內(nèi)檢測數(shù)據(jù)管理、巡線、設(shè)備管理等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了管道大部分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字化。但是部分系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為獨(dú)立建設(shè)，數(shù)據(jù)庫之間缺少數(shù)據(jù)交互與共享機(jī)制，數(shù)據(jù)分散關(guān)聯(lián)性差，形成數(shù)據(jù)孤島[5]，不能滿足管道系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析的要求。

2)管理人員對油氣管道的預(yù)測和判斷只根據(jù)有限數(shù)據(jù)進(jìn)行決策。雖然建立了各種專業(yè)化的系統(tǒng)，搜集和整理了各種專業(yè)數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)利用方面多屬于事務(wù)型，較多為數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)，較少參與管道數(shù)據(jù)綜合分析與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測，對數(shù)據(jù)再挖掘較少。

所以需要應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)手段建立數(shù)據(jù)分析模型將各種管道數(shù)據(jù)統(tǒng)一起來，通過管道多類數(shù)據(jù)完整性整合分析，實(shí)現(xiàn)從隨機(jī)樣本向全體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變，從精確性向混雜性轉(zhuǎn)變，從因果關(guān)系向相關(guān)關(guān)系轉(zhuǎn)變[6]。

2 數(shù)據(jù)要求

2.1 數(shù)據(jù)范圍

為實(shí)現(xiàn)管道數(shù)據(jù)由無序到有序、由繁瑣到簡潔、由分散到集中、由孤立到關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)變，管道數(shù)據(jù)需實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化管理。將管道設(shè)計(jì)、建設(shè)期數(shù)據(jù)和運(yùn)行期數(shù)據(jù)分別整理到標(biāo)準(zhǔn)化表單中，包括但不限于以下數(shù)據(jù)。

1)設(shè)計(jì)、建設(shè)期數(shù)據(jù) 按管道整理設(shè)計(jì)壓力、輸送介質(zhì)、管節(jié)長度、爐批號、焊口號、焊工號、焊接材料、熱處理方法以及溫度曲線、無損檢測方法與結(jié)果、無損檢測數(shù)字化底片、割口、返修口、連頭口、金口以及管道竣工測量成果等數(shù)據(jù)。

2)內(nèi)檢測數(shù)據(jù) 包含管道基本信息、環(huán)焊縫、管道附件、參考點(diǎn)、壁厚變化、焊縫異常、金屬損失、凹陷以及空間坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。

3)外檢測數(shù)據(jù) 包含高后果區(qū)數(shù)據(jù)、陰極保護(hù)檢測數(shù)據(jù)、涂層檢測數(shù)據(jù)、土壤腐蝕性數(shù)據(jù)、交直流干擾數(shù)據(jù)等。

2.2 數(shù)據(jù)復(fù)核

管道數(shù)據(jù)對齊整合前，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核，復(fù)核內(nèi)容包含但不限于以下內(nèi)容。

1)內(nèi)容完整性 管道主要數(shù)據(jù)類型無缺失；數(shù)據(jù)的特征信息無缺失；數(shù)據(jù)數(shù)量及范圍無缺失。

2)邏輯關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確性 檢測數(shù)據(jù)與設(shè)備、設(shè)備與管道對應(yīng)準(zhǔn)確，如陰極保護(hù)檢測數(shù)據(jù)對應(yīng)測試樁、測試樁對應(yīng)管道。

3)時(shí)效合規(guī)性 不同專業(yè)的檢測數(shù)據(jù)在同一個(gè)檢測周期內(nèi)，例如內(nèi)檢測數(shù)據(jù)與外檢測數(shù)據(jù)對齊整合時(shí)，檢測時(shí)間間隔不能超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

4)空間坐標(biāo)的一致性 管道特征坐標(biāo)值是否準(zhǔn)確，相對位置關(guān)系是否準(zhǔn)確，坐標(biāo)系統(tǒng)是否統(tǒng)一，例如管道數(shù)據(jù)是否統(tǒng)一采用國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)及1985國家高程基準(zhǔn)。

3 管道數(shù)據(jù)整合思路及方法

3.1 管道數(shù)據(jù)整合思路

管道數(shù)據(jù)整合以內(nèi)檢測數(shù)字化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。內(nèi)檢測數(shù)字化數(shù)據(jù)是具有空間坐標(biāo)的數(shù)據(jù)，可以與運(yùn)營期的管道檢測、地理環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害、第三方施工等數(shù)據(jù)通過空間坐標(biāo)進(jìn)行整合。此外，內(nèi)檢測數(shù)字化數(shù)據(jù)還可以通過內(nèi)檢測管節(jié)與建設(shè)期管節(jié)對齊，建設(shè)期管節(jié)可以關(guān)聯(lián)建設(shè)期數(shù)據(jù)信息。由此建立以內(nèi)檢測數(shù)字化數(shù)據(jù)、建設(shè)期數(shù)據(jù)、運(yùn)營期數(shù)據(jù)組成的整合模型，實(shí)現(xiàn)以管節(jié)為最小分析單元的管道數(shù)據(jù)整合分析。管道數(shù)據(jù)整合模型如圖1所示。

圖1 管道數(shù)據(jù)整合模型

3.2 管道數(shù)據(jù)整合方法

3.2.1 內(nèi)檢測數(shù)據(jù)數(shù)字化

管道數(shù)據(jù)整合方法中內(nèi)檢測數(shù)字化數(shù)據(jù)是核心數(shù)據(jù)，是鏈接設(shè)計(jì)、建設(shè)期和運(yùn)行期數(shù)據(jù)的紐帶。國內(nèi)多條管道已采用油氣管道慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)內(nèi)檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)管道數(shù)字化。IMU檢測技術(shù)以三維正交的陀螺儀與加速度計(jì)組成的慣性測量單元為主要測量設(shè)備，以地面參考點(diǎn)與里程計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行位置與速度修正，能夠精確測繪管道環(huán)焊縫、閥門、三通、彎頭等管道本體特征以及管道缺陷的三維空間坐標(biāo)[7]。

非IMU檢測的管道采用內(nèi)檢測數(shù)字化技術(shù)，利用管道地面測繪的三維中線坐標(biāo)數(shù)據(jù)與內(nèi)檢測一維里程數(shù)據(jù)對齊和拉伸，管道三維中線坐標(biāo)數(shù)據(jù)擬合出管道環(huán)焊縫、閥門、三通、彎頭等管道本體特征以及管道缺陷的三維空間坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)檢測一維里程數(shù)據(jù)向三維空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換[8]。

3.2.2 建設(shè)期與運(yùn)營期數(shù)據(jù)整合

內(nèi)檢測管節(jié)與建設(shè)期數(shù)據(jù)對齊關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)管道建設(shè)期數(shù)據(jù)與運(yùn)行期內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的對齊整合，同時(shí)建設(shè)期數(shù)據(jù)通過內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的數(shù)字化坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。王波[9]等已提出通過內(nèi)檢測數(shù)據(jù)與施工數(shù)據(jù)的管節(jié)分布規(guī)律進(jìn)行比對，結(jié)合相似算法評估與人工干預(yù)的方法，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)檢測數(shù)據(jù)與施工數(shù)據(jù)的對齊。

管道存在多輪內(nèi)檢測時(shí)，采用內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對齊方法實(shí)現(xiàn)多輪內(nèi)檢測數(shù)據(jù)管節(jié)、管道缺陷對齊，通過分析管節(jié)上缺陷數(shù)量、缺陷尺寸的變化情況對分析和預(yù)測管道腐蝕狀態(tài)有重要意義。楊賀[10]等對管道多輪內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對齊算法展開研究，建立相關(guān)模型以提高數(shù)據(jù)對齊工作效率，實(shí)現(xiàn)了球閥、管件、彎頭、環(huán)焊縫、缺陷等特征向基線的對齊。

3.2.3 外檢測數(shù)據(jù)坐標(biāo)化采集

外檢測數(shù)據(jù)坐標(biāo)化采集使用實(shí)時(shí)動態(tài)(real-time kinematic，RTK)載波相位差分技術(shù)結(jié)合外檢測的聯(lián)合作業(yè)方式，采集管道高后果區(qū)起止點(diǎn)、陰極保護(hù)測試點(diǎn)、涂層破損點(diǎn)、交直流干擾點(diǎn)、地質(zhì)災(zāi)害等數(shù)據(jù)的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)。由于RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級定位精度的測量方法，將提高管道數(shù)據(jù)整合的可靠性、準(zhǔn)確性。為保障管道數(shù)據(jù)采集的精度，應(yīng)對控制點(diǎn)設(shè)置、采集點(diǎn)設(shè)置、采集精度、數(shù)據(jù)字典、數(shù)據(jù)格式，以及數(shù)據(jù)的錄入、校驗(yàn)、入庫等進(jìn)行質(zhì)量控制。

4 數(shù)據(jù)對齊整合應(yīng)用

管道數(shù)據(jù)對齊整合涉及海量數(shù)據(jù)整理、恢復(fù)及標(biāo)準(zhǔn)化入庫，數(shù)據(jù)采集坐標(biāo)化以及管道信息化系統(tǒng)開發(fā)等工作，各管道公司應(yīng)綜合考慮管道狀態(tài)、人員、技術(shù)、資源以及管道風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢，開展1項(xiàng)或多項(xiàng)數(shù)據(jù)對齊整合應(yīng)用。

1)單項(xiàng)多輪數(shù)據(jù)對齊分析，如多輪內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對齊分析、多輪陰極保護(hù)檢測數(shù)據(jù)對齊分析、多輪涂層檢測數(shù)據(jù)對齊分析等。

2)多維數(shù)據(jù)疊加對齊整合，如內(nèi)腐蝕綜合分析、土壤腐蝕性綜合分析、地質(zhì)災(zāi)害綜合分析、外腐蝕綜合分析、焊縫異常缺陷綜合分析等。

3)數(shù)據(jù)可視化，將管道數(shù)字化數(shù)據(jù)與遙感影像地圖等數(shù)據(jù)結(jié)合起來，利用RTK技術(shù)或其他地圖展示技術(shù)實(shí)現(xiàn)管道全生命周期數(shù)據(jù)的可視化。

5 案 例

某管道長180 km，陰極保護(hù)方式為強(qiáng)制電流保護(hù)，管道首站及末站均設(shè)置恒電位儀，管道涂層為3PE。該管道2018年完成IMU檢測，根據(jù)檢測結(jié)果，其外腐蝕嚴(yán)重。為探查管道外腐蝕原因，2019年開展了管道外檢測，主要包括管道外防腐層缺陷點(diǎn)檢測、陰極保護(hù)有效性評價(jià)、土壤腐蝕性檢查等，管道數(shù)據(jù)采集均使用RTK對外檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)化采集，且已完成內(nèi)檢測管節(jié)與建設(shè)期數(shù)據(jù)對齊關(guān)聯(lián)，滿足數(shù)據(jù)對齊整合條件。以下基于數(shù)據(jù)對齊整合對管道外腐蝕、焊縫缺陷進(jìn)行綜合分析。

5.1 外腐蝕綜合分析

由于埋地管線所處地區(qū)的不同，土壤腐蝕環(huán)境、管道防腐層的狀況、陰極保護(hù)有效性、管道運(yùn)行條件差異等的原因，導(dǎo)致了管體面對的腐蝕威脅狀況不同[11]。所以對涂層破損點(diǎn)、外部金屬損失、陰極保護(hù)欠保管段、土壤腐蝕性4個(gè)腐蝕相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對齊整合，分析腐蝕原因。涂層破損點(diǎn)、外部金屬損失、陰極保護(hù)欠保管段相關(guān)數(shù)據(jù)在管道里程上的對齊整合如圖2所示，管道涂層破損點(diǎn)與外部金屬損失在管道里程上的聚集趨勢相同，陰極保護(hù)欠保管段外部金屬損失缺陷數(shù)量多、深度大。管體發(fā)生腐蝕往往會伴有外防腐層破損，分析涂層破損點(diǎn)與外部金屬損失缺陷相關(guān)性的信息如表1所示，可見陰極保護(hù)欠保管段的涂層破損點(diǎn)與外部金屬損失缺陷存在相關(guān)性。

圖2 涂層破損點(diǎn)、外部金屬損失、陰極保護(hù)欠保管段相關(guān)數(shù)據(jù)在管道里程上的對齊整合

表1 涂層破損點(diǎn)與外部金屬損失缺陷相關(guān)性信息

在其他條件相同的情況下，土壤腐蝕性的強(qiáng)弱與管道外腐蝕成正相關(guān)。涂層破損點(diǎn)與外部金屬損失缺陷數(shù)據(jù)在管道里程上的對齊整合如圖3所示，可知管道土壤腐蝕性強(qiáng)弱與外部金屬損失在管道里程上的聚集趨勢不同，所以土壤的腐蝕性強(qiáng)弱與管道外腐蝕的相關(guān)性不明顯。

綜合以上腐蝕相關(guān)數(shù)據(jù)對齊整合分析，結(jié)合外檢測未發(fā)現(xiàn)直流干擾和交流干擾，判斷管道涂層破損點(diǎn)處管道陰極保護(hù)電流流失，導(dǎo)致陰極保護(hù)欠保，管道在涂層破損點(diǎn)處產(chǎn)生腐蝕。針對腐蝕原因，整改策略是調(diào)整陰極保護(hù)系統(tǒng)電流的輸出，再測試管道陰極保護(hù)的有效性，進(jìn)而判斷防腐層破損點(diǎn)維修的必要性，避免防腐層的盲目維修。

圖3 涂層破損點(diǎn)與外部金屬損失缺陷數(shù)據(jù)在管道里程上的對齊整合

5.2 焊縫缺陷綜合分析

國內(nèi)油氣管道腐蝕、施工缺陷、外力干擾及材料缺陷是造成管道事故的主要因素。施工缺陷導(dǎo)致的焊縫異常是管道的薄弱環(huán)節(jié)，溫度變化、壓力變化、施工裝配以及焊接等產(chǎn)生的殘余應(yīng)力在管道高程變化、壁厚改變處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中[12]。返修口經(jīng)過二次焊接，焊接質(zhì)量難以保障；金口不參與管道試壓，金口焊縫易發(fā)生泄漏和開裂。焊縫相關(guān)影響因素疊加將增加焊縫的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，高后果區(qū)與焊縫相關(guān)影響因素的對齊整合如圖4所示。

圖4 高后果區(qū)與焊縫相關(guān)影響因素的對齊整合

焊縫相關(guān)對齊整合數(shù)據(jù)在管道中線及地理環(huán)境的可視化展示如圖5所示，為管道焊縫缺陷排查、風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控、評價(jià)及焊縫開挖驗(yàn)證評估等工作提供了依據(jù)，如地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)焊縫異常管道應(yīng)力監(jiān)控、高后果區(qū)高風(fēng)險(xiǎn)焊縫異常的監(jiān)控與維修維護(hù)等，利于維修計(jì)劃的制定以及缺陷的定位，提高了維修效率，節(jié)省了維修費(fèi)用。

圖5 焊縫相關(guān)對齊整合可視化展示圖

6 結(jié)束語

本文研究管道數(shù)據(jù)整合分析技術(shù)的思路和方法，采用管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)數(shù)字化、建設(shè)期與運(yùn)營期數(shù)據(jù)整合、外檢測數(shù)據(jù)坐標(biāo)化采集的方法實(shí)現(xiàn)管道全生命周期數(shù)據(jù)綜合分析。并運(yùn)用于管道外腐蝕綜合分析、焊縫缺陷綜合分析，提高了風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測準(zhǔn)確性，完善了運(yùn)維管理措施，確保了管道安全運(yùn)行。

隨著管道大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，管道數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘?qū)⑹顷P(guān)鍵環(huán)節(jié)和重點(diǎn)，而管道數(shù)據(jù)整合分析是研究方向之一。當(dāng)前應(yīng)重點(diǎn)考慮如何在已有數(shù)據(jù)平臺的基礎(chǔ)上，通過資源整合，利用各管道系統(tǒng)平臺的優(yōu)點(diǎn)，研究各平臺之間管道數(shù)據(jù)交互、整合、應(yīng)用方式，建立數(shù)據(jù)對齊整合應(yīng)用的管道完整性大數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)平臺，采用多維統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘等打破不同類型數(shù)據(jù)之間的壁壘，實(shí)現(xiàn)管道數(shù)據(jù)對齊整合分析。