吳 翔 郭 永 茍建仁 黃 森 劉艷軍

(1.中石油塔里木輸油氣分公司，新疆庫爾勒，841000； 2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都，610500)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，管道運(yùn)輸作為國家重大輸送生命線，逐漸成為了目前最經(jīng)濟(jì)、性價(jià)比最高的油氣輸送方式。但據(jù)權(quán)威研究表明：我國大部分油氣運(yùn)輸管道的服役運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)超過20年。在漫長的使用過程中，由于管道自身存在的材質(zhì)質(zhì)量等問題和外界環(huán)境不可控因素的影響，各類油氣輸送管道會產(chǎn)生各種類型的缺陷隱患。因此對管道進(jìn)行缺陷檢測和安全風(fēng)險(xiǎn)評估勢在必行。

在大數(shù)據(jù)和管道數(shù)字信息化的時(shí)代環(huán)境下，以多輪內(nèi)檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合管道建設(shè)期資料等其他數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)管道大數(shù)據(jù)的綜合風(fēng)險(xiǎn)評估成為了新興的管道安全評估方式[1]。2017年，中國石油提出建設(shè)智慧管道、數(shù)字化管道，對管道檢測數(shù)據(jù)的采集和應(yīng)用提出了更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)。其中，內(nèi)檢測數(shù)據(jù)是管道安全風(fēng)險(xiǎn)評估的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一[2-5]。目前，內(nèi)檢測數(shù)據(jù)庫主要通過開展多輪內(nèi)檢測來采集構(gòu)建。但多輪內(nèi)檢測數(shù)據(jù)會存在結(jié)果差異，不僅與管道施工建設(shè)數(shù)據(jù)存在偏差，也造成檢測出的缺陷難以對齊匹配。當(dāng)多輪內(nèi)檢測采用不同的方式和工具時(shí)，上述現(xiàn)象則愈發(fā)嚴(yán)重[6]。因此，各油氣運(yùn)營單位需要開展多輪內(nèi)檢測數(shù)據(jù)整合對齊，將積累的大量建設(shè)期數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)以及開挖驗(yàn)證數(shù)據(jù)對齊至管道里程基線，形成沿管道里程的“管道缺陷狀況圖”[7-8]。最后基于對齊后的數(shù)據(jù)庫，對管道各類型缺陷進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評估，以保障油氣管道正常運(yùn)行工作。

本文基于庫鄯輸油管道庫爾勒-馬蘭段建設(shè)施工數(shù)據(jù)和檢測數(shù)據(jù)，采用合適的數(shù)據(jù)對齊方法，實(shí)現(xiàn)了多輪內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對齊；并結(jié)合對齊數(shù)據(jù)對重要的管道缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行了多方面深度分析，且根據(jù)分析結(jié)果對管線安全進(jìn)行了科學(xué)評估，不僅為實(shí)現(xiàn)該管段完整性評價(jià)以保障安全運(yùn)行提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，也為基于內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對齊而對管道進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評估的研究方向提供了實(shí)例支撐。

1 內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對齊

1.1 概念

數(shù)據(jù)對齊是將多次內(nèi)檢測數(shù)據(jù)在同一基準(zhǔn)的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配。其主要依據(jù)是利用管道建設(shè)施工數(shù)據(jù)和檢測數(shù)據(jù)中相同且固定的特征[9](例如閥門、三通、彎頭等)作為對齊起始點(diǎn)，再通過管節(jié)長度，缺陷特征點(diǎn)距環(huán)焊縫位置等檢測數(shù)據(jù)信息進(jìn)行環(huán)焊縫、金屬損失等匹配對齊。最終獲得風(fēng)險(xiǎn)環(huán)焊縫、腐蝕缺陷等特征點(diǎn)的具體位置及其風(fēng)險(xiǎn)變化情況，以便進(jìn)行管道完整性評價(jià)和安全評估。

1.2 對齊方法

諸多學(xué)者開展過相關(guān)的內(nèi)檢測數(shù)據(jù)整合對齊比對方法的研究，例如現(xiàn)狀分析、參數(shù)比對、對比方法總結(jié)和里程誤差等[10-13]，孫鵬[14]等提出內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對比模型，實(shí)現(xiàn)了多輪數(shù)據(jù)快速對齊。雖然對齊方法有所差異，但核心思路為：

(1)基于建設(shè)數(shù)據(jù)和兩次內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的相對類型，提取相同且固定的特征。

(2)根據(jù)提取的固定特征進(jìn)行分段，計(jì)算每一段各個(gè)特征的分布相似度，分布相似度可用相對熵DKL來表征，如式(1)所示。

(1)

對于隨機(jī)變量，DKL表征如式(2)所示。

(2)

式中：x——分布變量；P——數(shù)據(jù)的真實(shí)分布；Q——數(shù)據(jù)的理論分布；DKL——概率分布P和Q差別的非對稱性的度量。

(3)通過持續(xù)迭代調(diào)整分段及對應(yīng)關(guān)系，持續(xù)計(jì)算DKL直至達(dá)到達(dá)到最小值。然后引入Pearson系數(shù)來評估對齊結(jié)果的可接受程度。

數(shù)據(jù)對齊整體流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)對齊整體流程圖

對于數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，即是對數(shù)據(jù)采取統(tǒng)一規(guī)則，主要有：特征類型、特征識別、特征編號、絕對距離、上游環(huán)焊縫相對距離、管節(jié)長度、管節(jié)壁厚及缺陷尺寸或時(shí)鐘方位等。因內(nèi)檢測數(shù)據(jù)存在多因素的差異，例如特征點(diǎn)漏報(bào)誤報(bào)、多次檢測周期之間存在改管換管等，模型無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分段匹配對齊。因此對齊過程中，需人為干預(yù)對齊，即人為參考特征屬性，判斷相對位置關(guān)系而進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配。數(shù)據(jù)分析包括未對齊數(shù)據(jù)原因分析和對齊數(shù)據(jù)的分析，最終在分析結(jié)果上進(jìn)行管道的完整性安全評估。

2 應(yīng)用測試

選擇兩次采用了同種內(nèi)檢測方式的管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行測試應(yīng)用試驗(yàn)。選取管段為中石油管道聯(lián)合有限公司西部塔里木輸油氣分公司管轄的庫鄯輸油管道(庫爾勒站—馬蘭站)，管道信息如表1所示。

表1 測試管道信息表

該管道庫爾勒—馬蘭段，分別于2016年5月、2021年9月采用了三軸高清漏磁內(nèi)檢測，檢測數(shù)據(jù)完整。經(jīng)數(shù)據(jù)對齊，管道特征數(shù)據(jù)對齊結(jié)果如表2所示。管道缺陷數(shù)據(jù)對齊結(jié)果如表3所示。

表2 管道特征數(shù)據(jù)對齊結(jié)果

表3 管道缺陷數(shù)據(jù)對齊結(jié)果

由表2可知，兩次內(nèi)檢測管道特征數(shù)據(jù)對齊情況良好，整體對齊比例達(dá)到97.16%。其中三通、套管、彎頭的檢測識別存在一定的誤差：2021年在管線3號閥室封堵口較2016年少識別2處三通；2021年較2016年多識別了4處套管和54處彎頭，但2016年識別出的162處套管有157處能與2021年數(shù)據(jù)匹配，82處彎頭均能與2021年數(shù)據(jù)匹配，說明數(shù)據(jù)匹配效果良好。

由表3可知，兩次內(nèi)檢測管道缺陷數(shù)據(jù)對齊情況良好，整體對齊比例達(dá)到79.63%。其中環(huán)焊縫異常對齊比例最差，為42.93%。經(jīng)過查證，其原因?yàn)?016年的312處輕度異常環(huán)焊縫由于檢測儀器的識別誤差在2021年中并未被定義為異常。除去異常環(huán)焊縫，對齊比例達(dá)到85.74%。

兩者對比可知，管道特征數(shù)據(jù)對齊比例較管道缺陷數(shù)據(jù)對齊比例較高，其原因在于：缺陷存在變化性，既有新增缺陷，也有部分缺陷在第一次檢測后被修復(fù)；檢測儀器的識別精度誤差，導(dǎo)致識別缺陷的標(biāo)準(zhǔn)不同。

部分?jǐn)?shù)據(jù)未對齊的原因在于：管道特征處的識別誤差，造成儀器漏報(bào)誤報(bào)；檢測儀器的識別能力不同；兩次檢測之間，管道存在缺陷修復(fù)等施工情況。

3 基于對齊結(jié)果的分析評估

對管道進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評估，主要圍繞影響管道安全運(yùn)行的管道缺陷進(jìn)行分析評估。主要的缺陷特征有金屬損失、焊縫異常以及凹陷。

3.1 基于金屬損失的評估

未對齊的金屬損失點(diǎn)是指在2016年檢測到，2021年未檢測到的特征點(diǎn)，這類特征點(diǎn)需從腐蝕率進(jìn)行評估；對齊的金屬損失點(diǎn)則需基于腐蝕速率計(jì)算剩余壽命，缺陷體積增長倍率來進(jìn)行綜合評估。

根據(jù)《鋼質(zhì)管道管體腐蝕損失評價(jià)方法》、《鋼制管道及儲罐腐蝕評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》及檢測實(shí)際數(shù)據(jù)，將腐蝕率在10% 及以下定義為Ⅳ級風(fēng)險(xiǎn)；腐蝕率在10% 至20%(含20%)之間為Ⅲ級風(fēng)險(xiǎn)；20% 至最大壁厚減薄率(含最大壁厚減薄率)之間為Ⅱ級風(fēng)險(xiǎn)；腐蝕率在最大壁厚減薄率以上為Ⅰ級風(fēng)險(xiǎn)，各級風(fēng)險(xiǎn)對應(yīng)建議如表4所示。最大壁厚減薄率為管道允許的最大減薄厚度占實(shí)際壁厚的百分比。而管道允許的最小剩余壁厚按式(3)計(jì)算。

δ=PD/(2Kφσs)

(3)

式中：δ——設(shè)計(jì)內(nèi)壓力(MPa)；P——設(shè)計(jì)內(nèi)壓力(MPa)；D——管道外直徑(mm)；K——設(shè)計(jì)系數(shù)，計(jì)算管道允許最小壁厚時(shí)取1；ψ——焊縫系數(shù)；σs——管道最低屈服強(qiáng)度(MPa)。

數(shù)據(jù)分析對應(yīng)的管道中，各壁厚管段最小壁厚和最大壁厚減薄率計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表4 管道腐蝕率風(fēng)險(xiǎn)等級及建議

表5 各壁厚管段最小壁厚和最大壁厚減薄率計(jì)算結(jié)果表

金屬損失缺陷腐蝕速率計(jì)算方法為：

s=Δd/t

(4)

式中：s——腐蝕速率；Δd——缺陷深度增加的絕對值；t——檢測周期。

剩余壽命評估按腐蝕速率和管道允許的最小剩余壁厚來進(jìn)行，其中新增金屬損失2016年對應(yīng)的缺陷深度值默認(rèn)為0mm；缺陷體積增長倍率為2021年與2016年的缺陷絕對體積差值占2016年缺陷絕對體積的百分比。

按上述計(jì)算和判斷方法，所有未對齊金屬損失評估如表6所示；對齊金屬損失評估如表7所示。

表6 未對齊金屬損失評估表

表7 對齊金屬損失評估表

3.2 基于焊縫異常的評估

焊縫異常包括環(huán)焊縫異常、螺旋焊縫異常以及直焊縫異常。對于焊縫異常，需評估其異常程度的變化。經(jīng)數(shù)據(jù)對齊匹配后，并未發(fā)現(xiàn)存在異常程度變化的螺旋焊縫和直焊縫，而環(huán)焊縫異常程度變化結(jié)果如表8所示。

表8 對齊環(huán)焊縫程度變化表

由對齊環(huán)焊縫程度變化表可作出評估：異常程度為重度的異常環(huán)焊縫存在高風(fēng)險(xiǎn)，對管道安全運(yùn)行產(chǎn)生重大影響，需立即開挖修復(fù)。

3.3 基于凹陷的評估

對于凹陷特征點(diǎn)，其凹陷面積是影響管道安全運(yùn)行的最大因素，因此需對其面積進(jìn)行分析評估。其結(jié)果如表9所示。

表9 對齊凹陷面積結(jié)果表

由對齊凹陷面積結(jié)果表可作出評估：0.3m2以上的凹陷存在高風(fēng)險(xiǎn)，對管道安全運(yùn)行產(chǎn)生重大影響，需立即開挖修復(fù)。

4 總體評估結(jié)果

通過以上分析，庫鄯輸油管道庫爾勒—馬蘭段總體情況較好，經(jīng)評價(jià)當(dāng)前滿足安全運(yùn)行條件；管道腐蝕隨時(shí)間增長而增長，說明當(dāng)前陰保系統(tǒng)未能完全杜絕管道腐蝕，應(yīng)定期開展檢測、治理，確保陰保系統(tǒng)可靠性；對于檢測報(bào)告的缺陷，應(yīng)及時(shí)開展完整性評價(jià)及修復(fù)措施，確保管道安全。

5 結(jié)論

(1)管道運(yùn)營企業(yè)應(yīng)開展多輪內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對齊工作，并基于對齊后的數(shù)據(jù)庫，對管道各類型缺陷進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評估，以保障油氣管道正常運(yùn)行工作。

(2)本文通過對庫鄯輸油管道(庫爾勒站—馬蘭站)進(jìn)行內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對齊，發(fā)現(xiàn)其管道特征對齊比例達(dá)到97.16%，管道缺陷特征對齊比例達(dá)到79.63%，數(shù)據(jù)對齊匹配情況良好。

(3)本文根據(jù)對齊數(shù)據(jù)的多方面分析結(jié)果，對管線安全進(jìn)行了科學(xué)評估，不僅為實(shí)現(xiàn)該管段完整性評價(jià)以保障安全運(yùn)行提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，也為基于內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對齊而對管道進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評估的研究方向提供了實(shí)例支撐。