王 旭

中國(guó)石油化工股份有限公司天然氣分公司山東天然氣銷(xiāo)售中心 山東 濟(jì)南 250000

近年來(lái)，我國(guó)油氣管道建設(shè)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)，到2025年全國(guó)油氣管網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到21萬(wàn)公里左右。長(zhǎng)輸管道發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)管道、數(shù)字管道、智能管道階段。數(shù)字管道改變了傳統(tǒng)管道的工作模式，由人工獲取管道運(yùn)行和環(huán)境數(shù)據(jù)，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^(guò)設(shè)備和軟件自動(dòng)獲取，使得管道運(yùn)行數(shù)字化、可視化，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)對(duì)管道的勘察、設(shè)計(jì)、施工、和運(yùn)營(yíng)都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。智能管道則在數(shù)字管道的基礎(chǔ)上，配備了控制處理單元，通過(guò)數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制設(shè)備，不僅能夠?qū)崟r(shí)掌握管道情況，還能夠智能地處理管道問(wèn)題。本文主要對(duì)油氣長(zhǎng)輸管道全生命周期的智能化管理技術(shù)進(jìn)行闡述分析。

1 數(shù)字化設(shè)計(jì)、施工與交付

數(shù)字化設(shè)計(jì)是指在三維模型中集成管道本體及周邊環(huán)境信息，通過(guò)數(shù)字化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的多專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，形成全生命周期的數(shù)據(jù)源頭。設(shè)計(jì)環(huán)境包括必要的數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)計(jì)軟件、設(shè)計(jì)流程以及相應(yīng)的圖形設(shè)計(jì)硬件資源等，同時(shí)需要植入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，利用虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)。

數(shù)字化施工是指通過(guò)借助全自動(dòng)焊機(jī)、機(jī)械化防腐設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、無(wú)人機(jī)及一體機(jī)以及智能移動(dòng)終端、智能感知設(shè)備等，結(jié)合可視化、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)物資采購(gòu)、工程質(zhì)量管理、造價(jià)控制、安全監(jiān)督等常規(guī)重點(diǎn)項(xiàng)目的智能化管理。

數(shù)字化交付是以管道工程設(shè)計(jì)、建設(shè)與管理全過(guò)程的數(shù)據(jù)庫(kù)為源頭，以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為基礎(chǔ)，借助智能移動(dòng)終端及智能感知等設(shè)備，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)及信息化等技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、流轉(zhuǎn)、分析、整合，形成數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像圖、基礎(chǔ)地理信息、站場(chǎng)三維模型、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、采辦數(shù)據(jù)等數(shù)字系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的直觀(guān)展示及有效管理。

中俄東線(xiàn)工程智能管道項(xiàng)目累計(jì)投入包括全自動(dòng)焊機(jī)、中頻加熱設(shè)備、機(jī)械化防腐設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、無(wú)人機(jī)及一體機(jī)等智能化設(shè)備，對(duì)焊接、防腐、開(kāi)挖、下溝全過(guò)程記錄，同時(shí)應(yīng)用AI識(shí)別技術(shù)、挖機(jī)駕駛艙攝像頭、管線(xiàn)交叉點(diǎn)監(jiān)控?cái)z像頭，加強(qiáng)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)、高后果區(qū)的監(jiān)控和安全隱患的排查。該工程通過(guò)統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集規(guī)范，暢通了數(shù)據(jù)對(duì)接渠道，以全生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)為載體，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、存儲(chǔ)與共享，以此推動(dòng)數(shù)字化移交的有序開(kāi)展，滿(mǎn)足實(shí)體管道與數(shù)字化管道同時(shí)交付的需求，并保證數(shù)據(jù)歷史的可追溯性[1]，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化施工、數(shù)字化交付，是我國(guó)首條智能化管道樣板工程。

2 智能化監(jiān)控技術(shù)

在管道運(yùn)行過(guò)程中，面臨的風(fēng)險(xiǎn)主要有第三方破壞、管道腐蝕、誤操作和地質(zhì)災(zāi)害，管道運(yùn)行時(shí)期不同，主要的風(fēng)險(xiǎn)源也不同。在管道運(yùn)行初期，主要風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自第三方損壞和誤操作，在管道運(yùn)行后期，主要風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自管道腐蝕。智能化監(jiān)控技術(shù)通過(guò)對(duì)管道內(nèi)部參數(shù)和外部環(huán)境的監(jiān)控，第一時(shí)間對(duì)面臨的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)出預(yù)警，為管道的安全運(yùn)行提供保障。

2.1 管道外部環(huán)境監(jiān)控

2.1.1 光纖預(yù)警技術(shù)

圖1 光纖預(yù)警系統(tǒng)的工作原理

光纖預(yù)警系統(tǒng)是利用與管道同溝敷設(shè)的通信光纜構(gòu)成基于光纖干涉儀原理的分布式震動(dòng)信號(hào)傳感器，獲取管道沿途的震動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)距離管道上方及周?chē)? m范圍內(nèi)動(dòng)土事件進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)的一種預(yù)警系統(tǒng)[2]。但是該系統(tǒng)在工況復(fù)雜的環(huán)境中，容易出現(xiàn)誤報(bào)警信息，而在管道沿線(xiàn)的第三方活動(dòng)較少且活動(dòng)方式較為固定的工況環(huán)境中，則能更好的應(yīng)用和提升預(yù)警能力。

2.1.2 無(wú)人機(jī)偵察與監(jiān)視技術(shù)

無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)系統(tǒng)組成如圖 2 所示。地面操控人員可利用無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換控制擁有人機(jī)混合智能光電偵查平臺(tái)進(jìn)行偵查與監(jiān)視活動(dòng)[3]。該技術(shù)具有長(zhǎng)距離自動(dòng)巡航、熱成像實(shí)時(shí)傳輸?shù)裙δ?，通過(guò)自動(dòng)沿管道視角巡檢航行，預(yù)防偷盜油、第三方施工破壞、覆蓋人力巡護(hù)盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)空中監(jiān)視。但無(wú)人機(jī)飛行受氣象條件、地形地貌、續(xù)航里程和空管等影響，不能實(shí)現(xiàn)不間斷飛行。

圖2 無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)系統(tǒng)組成

2.2 管道內(nèi)部參數(shù)監(jiān)控

圖3 泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

泄漏檢測(cè)及定位技術(shù)是多學(xué)科多技術(shù)的集成，特別是隨著傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等人工智能的發(fā)展，通過(guò)對(duì)流量、壓力、溫度、密度等管道和流體信息進(jìn)行采集和分析，建立信息分析或數(shù)學(xué)模型，確定管道泄漏位置。油氣管道的泄漏檢測(cè)技術(shù)常見(jiàn)的有負(fù)壓波法、音波法和質(zhì)量平衡法。但也存在泄漏量小時(shí)，帶來(lái)的波動(dòng)被日常生產(chǎn)壓力波動(dòng)所掩蓋的情況發(fā)生。

3 智能巡檢技術(shù)

智能巡檢技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間段的靈活任務(wù)或固定工作計(jì)劃，使巡檢人員的工作更加井序有然、高效便捷。同時(shí)，以GIS地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合GPS、藍(lán)牙、射頻識(shí)別等多重位置校驗(yàn)方式，實(shí)時(shí)接收巡檢設(shè)備上傳的巡檢數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員、車(chē)輛設(shè)備的可視化、規(guī)范化和網(wǎng)絡(luò)化管理，進(jìn)行各項(xiàng)工組的全過(guò)程重現(xiàn)，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能統(tǒng)計(jì)分析。巡檢人員發(fā)現(xiàn)隱患時(shí)，可第一時(shí)間提示管理人員進(jìn)行處理和調(diào)度，并且能夠圖文并茂的展現(xiàn)隱患現(xiàn)場(chǎng)和工單打印，及時(shí)加以處理，同時(shí)結(jié)合地圖和數(shù)據(jù)可掌握隱患分布，系統(tǒng)可對(duì)上報(bào)事件的時(shí)間、類(lèi)型、數(shù)量等信息進(jìn)行自動(dòng)的統(tǒng)計(jì)和分析，調(diào)整區(qū)域巡查力度，能夠?qū)崟r(shí)掌握工作重點(diǎn)，防隱患于未然。

4 智能化管道保護(hù)技術(shù)

現(xiàn)存的油氣長(zhǎng)輸管道多采用防腐涂層和陰極保護(hù)技術(shù)來(lái)防止管道的老化，隨著智能化的發(fā)展，管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)步入智能化的時(shí)代。陰極保護(hù)智能化監(jiān)控技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的陰極保護(hù)技術(shù)完美的結(jié)合，通過(guò)恒電位儀或犧牲陽(yáng)極的方式向管道施加負(fù)電位，使管道對(duì)地構(gòu)成陰極，形成防護(hù)、減緩腐蝕，并每天定時(shí)自動(dòng)采集通電電位、斷電電位、腐蝕電流、設(shè)備自身電池電壓等數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)定時(shí)上傳云服務(wù)器，通過(guò)軟件對(duì)管道腐蝕狀態(tài)進(jìn)行全面自動(dòng)監(jiān)測(cè)、異常數(shù)據(jù)在線(xiàn)診斷、管道保護(hù)電位自動(dòng)調(diào)整，完全代替了傳統(tǒng)的人工采集方式，徹底改變了原有陰極保護(hù)粗放的管理模式，實(shí)現(xiàn)全線(xiàn)陰保的集中統(tǒng)一管理。

5 智能輔助決策管理

數(shù)字孿生體是物理世界和數(shù)字空間交互的新技術(shù)，也智能輔助決策管理的新趨勢(shì)和重要抓手。以全生命周期的數(shù)字庫(kù)為基礎(chǔ)，在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)下開(kāi)展設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工等階段的數(shù)據(jù)采集，形成的數(shù)字化成果，通過(guò)數(shù)字化設(shè)計(jì)云平臺(tái)、智能工地及數(shù)據(jù)回流等，構(gòu)建管道數(shù)字孿生體。在管道進(jìn)入運(yùn)營(yíng)期后，管道數(shù)字孿生體隨著生產(chǎn)運(yùn)行、設(shè)備設(shè)施管理、管道線(xiàn)路風(fēng)險(xiǎn)控制等數(shù)據(jù)的接入而同生共長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)體空間的數(shù)據(jù)映射，支撐數(shù)字空間的監(jiān)控、分析與模擬，提升輔助決策水平。

油氣長(zhǎng)輸管道智能化是信息技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的深度融合，通過(guò)對(duì)管道狀態(tài)的全面智能感知、監(jiān)測(cè)、分析、模擬和控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)及管控水平的全面提升，同時(shí)也是未來(lái)油氣管道發(fā)展的必然趨勢(shì)和終極目標(biāo)。