劉 歡

中國(guó)石油天然氣股份有限公司華北油田分公司,河北任丘 062550

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)算法的快速發(fā)展[1-7]，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出具有強(qiáng)大自學(xué)能力的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[8]、支持向量機(jī)[9]、相關(guān)向量機(jī)[10]等模型，其可在復(fù)雜的非線(xiàn)性數(shù)據(jù)中挖掘自變量與因變量的關(guān)系，被廣泛用于多輪內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊、腐蝕評(píng)價(jià)、焊縫缺陷識(shí)別等方面。但以上模型涉及較多的初始參數(shù)設(shè)定，如連接權(quán)值和閾值、懲罰因子、核函數(shù)寬度等，模型訓(xùn)練和預(yù)測(cè)的時(shí)間較長(zhǎng)。基于此，將內(nèi)檢測(cè)的特征要素信息與外檢測(cè)的里程信息相結(jié)合，采用極限梯度提升（XGBoost）算法建立兩者之間的聯(lián)系，預(yù)測(cè)每個(gè)內(nèi)檢測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的外檢測(cè)里程，并針對(duì)對(duì)齊結(jié)果進(jìn)行分析，研究環(huán)境對(duì)管道運(yùn)行的影響，為管道完整性管理提供理論依據(jù)。

1 內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊目標(biāo)函數(shù)

管道內(nèi)外檢測(cè)對(duì)齊的目標(biāo)為預(yù)測(cè)內(nèi)檢測(cè)點(diǎn)在外檢測(cè)點(diǎn)的位置，并將外檢測(cè)點(diǎn)映射至內(nèi)檢測(cè)中心線(xiàn)上，以糾正內(nèi)外檢測(cè)在一維里程上的差異，目標(biāo)函數(shù)應(yīng)保證糾正位置與真實(shí)位置的偏差（F）最小，公式如下：

式中：minL為映射函數(shù)g的最小化；H為外檢測(cè)點(diǎn)的真實(shí)位置；Z為外檢測(cè)點(diǎn)在內(nèi)檢測(cè)中心線(xiàn)上的對(duì)應(yīng)位置；g為H和Z兩點(diǎn)位置的映射關(guān)系。

2 模型建立

雖然內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)中均記錄了檢測(cè)點(diǎn)的位置信息，如里程、經(jīng)度、緯度等，但仍存在部分信息缺失，且不同檢測(cè)手段的精確度有所差別，導(dǎo)致可用于數(shù)據(jù)對(duì)齊的映射關(guān)系較少。采用XGBoost算法建立兩者之間的聯(lián)系，再預(yù)測(cè)每個(gè)內(nèi)檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的外檢測(cè)里程，其可分為數(shù)據(jù)收集、模型訓(xùn)練、模型預(yù)測(cè)和數(shù)據(jù)對(duì)齊等步驟。

2.1 數(shù)據(jù)收集

內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于管道的定期檢測(cè)，通常根據(jù)閥門(mén)、三通、彎管、穿跨越、定標(biāo)點(diǎn)等顯著特征進(jìn)行分段檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果分別儲(chǔ)存在不同的管理文件中。在數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)的過(guò)程中，因檢測(cè)器分辨率較低、人為操作不當(dāng)、管道路由選擇錯(cuò)誤等原因，會(huì)造成檢測(cè)數(shù)據(jù)的空白、缺失、重復(fù)和異常，故需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗。首先，對(duì)同一管段對(duì)應(yīng)的多個(gè)重復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除合并，最終一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)只對(duì)應(yīng)一個(gè)里程；其次，將字符串形式的異常數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為浮點(diǎn)型，并對(duì)空白數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性插值處理；最后，將檢測(cè)報(bào)告進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，以表格的形式顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)，并初步將內(nèi)、外檢測(cè)中心線(xiàn)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)間對(duì)齊，記錄每個(gè)特征里程的位置。

2.2 數(shù)據(jù)訓(xùn)練

將內(nèi)、外檢測(cè)中心兩個(gè)內(nèi)檢測(cè)點(diǎn)和兩個(gè)外檢測(cè)點(diǎn)之間的映射，采用XGboost算法進(jìn)行數(shù)據(jù)增強(qiáng)和預(yù)測(cè)。XGboost是T Chen在2016年提出的以決策樹(shù)為學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的集成學(xué)習(xí)模型，該算法對(duì)損失函數(shù)進(jìn)行了二階泰勒展開(kāi)，并在目標(biāo)函數(shù)中加入正則化項(xiàng)以獲得整體最優(yōu)解，有效避免了預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)過(guò)擬合和欠擬合，其目標(biāo)函數(shù)J為：

式中：yi為模型真實(shí)值；為模型預(yù)測(cè)值；L為真實(shí)值與預(yù)測(cè)值之間的差異；Ω（fk）為正則項(xiàng)，表示樹(shù)的復(fù)雜程度；n為樣本個(gè)數(shù)；K為決策樹(shù)的個(gè)數(shù)。

提取兩個(gè)內(nèi)檢測(cè)點(diǎn)之間的里程差、經(jīng)緯度信息、三通個(gè)數(shù)、閥門(mén)位置、焊接支管位置、熱煨彎頭位置等要素信息作為模型輸入變量，提取兩個(gè)外檢測(cè)點(diǎn)之間的里程差作為模型輸出變量。將數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本，訓(xùn)練樣本代入XGBoost算法進(jìn)行訓(xùn)練，采用網(wǎng)格搜索和交叉驗(yàn)證對(duì)其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，形成最優(yōu)預(yù)測(cè)模型。流程見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)據(jù)訓(xùn)練及預(yù)測(cè)流程

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)

數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的目的是使用訓(xùn)練好的XGBoost算法實(shí)現(xiàn)內(nèi)檢測(cè)點(diǎn)與外檢測(cè)里程的一一對(duì)應(yīng)，建立地面標(biāo)識(shí)點(diǎn)與里程樁之間的關(guān)系，當(dāng)一個(gè)內(nèi)檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)多個(gè)外檢測(cè)里程時(shí)，取外檢測(cè)里程的算術(shù)平均。

2.4 數(shù)據(jù)對(duì)齊

完成以上映射關(guān)系后，內(nèi)、外檢測(cè)數(shù)據(jù)在里程上仍存在一定的偏差，見(jiàn)圖2，A、B為外檢測(cè)對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)，A′、B′為內(nèi)檢測(cè)對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)，C為外檢測(cè)中心線(xiàn)上任意一點(diǎn)，C′為外檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)到內(nèi)檢測(cè)中心線(xiàn)上的點(diǎn)，可見(jiàn)三對(duì)點(diǎn)并不垂直對(duì)應(yīng)。一般內(nèi)檢測(cè)的位置信息或經(jīng)緯度坐標(biāo)精度均高于外檢測(cè)，故以?xún)?nèi)檢測(cè)信息為基準(zhǔn)，采用逐步平移將外檢測(cè)點(diǎn)對(duì)齊至內(nèi)檢測(cè)中心線(xiàn)上（以圖2為例，即C點(diǎn)向左平移，最終和C′點(diǎn)垂直即可），公式如下：

圖2 數(shù)據(jù)對(duì)齊示意

式中：SC′為外檢測(cè)C點(diǎn)對(duì)應(yīng)在內(nèi)檢測(cè)線(xiàn)C′點(diǎn)的里程，m；SC為外檢測(cè)C點(diǎn)的里程，m；SA、SB為外檢測(cè)中心線(xiàn)對(duì)應(yīng)的里程，m；SA′、SB′為內(nèi)檢測(cè)中心線(xiàn)對(duì)應(yīng)的里程，m。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊

某輸氣管道投產(chǎn)于2018年，管道全長(zhǎng)145 km，外徑1 219 mm，壁厚18.4～25.4 mm，管材采用X80管線(xiàn)鋼，最小屈服強(qiáng)度550 MPa，管道設(shè)計(jì)壓力12 MPa，運(yùn)行壓力6 MPa。2019年2月進(jìn)行了漏磁內(nèi)檢測(cè)，終點(diǎn)里程為149.3 km，2020年3月至5月進(jìn)行了GPS-RTK的外檢測(cè)，終點(diǎn)里程為164.5 km，測(cè)量起點(diǎn)為首站縱向埋弧焊縫，終點(diǎn)為末站球閥后的一個(gè)環(huán)焊縫。兩次檢測(cè)采用不同手段從不同角度記錄了檢測(cè)點(diǎn)在管道中的位置，但外檢測(cè)里程明顯大于內(nèi)檢測(cè)里程，采用XGboost和逐步平移算法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)和對(duì)齊，見(jiàn)表1、圖3。對(duì)齊后所有站場(chǎng)和閥室的里程誤差均在5 m以?xún)?nèi)，經(jīng)緯度分布變化高度一致，對(duì)齊結(jié)果點(diǎn)滿(mǎn)足精度要求，說(shuō)明本文方法的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

表1 數(shù)據(jù)對(duì)齊后站場(chǎng)和閥室誤差對(duì)比

圖3 部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)齊結(jié)果

對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)齊后的各類(lèi)內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將管道缺陷分為5類(lèi)（見(jiàn)圖4），其中外部金屬損失的比例較大，還存在少量的內(nèi)部金屬損失、凹陷、環(huán)焊縫異常和補(bǔ)口帶下陰影，內(nèi)部金屬損失較少，可能與管道位于平原地帶、地勢(shì)平緩、高差較小有關(guān)，且管道在投產(chǎn)初期進(jìn)行了多次清管吹掃，管內(nèi)存留的積液較少，在運(yùn)行期間介質(zhì)的水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)控制的較好。綜上所述，只分析外部環(huán)境與外壁金屬損失的關(guān)系。

圖4 缺陷統(tǒng)計(jì)

根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)齊后的各項(xiàng)指標(biāo)分布圖，見(jiàn)圖5～圖11，并參照GB∕T 19285—2014《埋地鋼制管道腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)》和SY∕T 5919—2009《埋地鋼制管道陰極保護(hù)技術(shù)管理規(guī)程》進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中，外部金屬損失深度大部分小于壁厚的20%，部分深度較大，但始終未超過(guò)壁厚的30%；缺陷軸向長(zhǎng)度較小，且集中在100 mm以下，說(shuō)明外部缺陷主要向徑向發(fā)展；防腐層破損點(diǎn)的等級(jí)多為3、4級(jí)，破損點(diǎn)集中在20 km以后；沿線(xiàn)陰極保護(hù)斷電電位大部分滿(mǎn)足規(guī)范要求，在-1 200～-850 mV之間，只有83 km處存在欠保護(hù)，但偏移程度不大，可能與恒電位儀未按正常周期校準(zhǔn)有關(guān)，不存在過(guò)保護(hù)區(qū)域；直流干擾采用兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)，分別為埋地管道附近的土壤表面電位梯度和未施加陰極保護(hù)時(shí)管地電位較自然電位的偏移程度，電位梯度均小于0.5 mV∕m，管地電位正向偏移均小于20 mV，說(shuō)明管道受高壓直流接地極、直流牽引運(yùn)輸系統(tǒng)、直流電焊系統(tǒng)等方面的干擾較??；根據(jù)測(cè)試樁的交流電壓數(shù)據(jù)得到交流電壓變化情況，干擾電壓的平均值均小于4 V，最大值中只有141 km和148 km處的干擾電壓大于4 V，說(shuō)明管道受交流干擾的程度較小；對(duì)比管道埋地處土壤的腐蝕性，共有29處弱腐蝕、135處中腐蝕和75處強(qiáng)腐蝕。

圖5 數(shù)據(jù)對(duì)齊后外部金屬損失深度沿里程分布

圖6 數(shù)據(jù)對(duì)齊后外部金屬損失軸向長(zhǎng)度沿里程分布

圖7 數(shù)據(jù)對(duì)齊后外防腐層電阻率沿里程分布

圖8 數(shù)據(jù)對(duì)齊后陰極保護(hù)電位沿里程分布

圖9 數(shù)據(jù)對(duì)齊后直流干擾沿里程分布

圖10 數(shù)據(jù)對(duì)齊后交流干擾沿里程分布

圖11 數(shù)據(jù)對(duì)齊后土壤腐蝕性沿里程分布

3.2 結(jié)果與討論

由于管道受交流干擾和直流干擾的程度較小，故只需考慮外部金屬損失與陰極保護(hù)有效性、防腐層破損之間的關(guān)系。第一，當(dāng)存在金屬損失、防腐層破損且陰極保護(hù)狀態(tài)較差時(shí)，此金屬損失點(diǎn)有發(fā)展為呈腐蝕活性點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。第二，當(dāng)存在金屬損失，但防腐層未破損且陰極保護(hù)狀態(tài)較好時(shí)，此金屬損失點(diǎn)可能是在制管成管過(guò)程中造成的缺陷，從母材分析，缺陷為分層、夾渣或軋制過(guò)程中混入異物導(dǎo)致；從焊縫分析，缺陷為未焊透、氣孔、咬邊、熱處理不當(dāng)?shù)仍蛟斐伞５谌?，?dāng)防腐層破損且陰極保護(hù)狀態(tài)較好時(shí)，此金屬損失點(diǎn)可能為運(yùn)輸或施工投產(chǎn)過(guò)程中造成的缺陷。當(dāng)檢測(cè)結(jié)果顯示金屬損失點(diǎn)為腐蝕活性點(diǎn)時(shí)，需進(jìn)行開(kāi)挖驗(yàn)證，還需關(guān)注腐蝕深度和長(zhǎng)度是否增長(zhǎng)。

該管道全線(xiàn)的土壤電阻率較低，土壤腐蝕性較強(qiáng)，但陰極保護(hù)狀態(tài)良好，說(shuō)明即使防腐層存在破損，陰極保護(hù)也會(huì)抑制腐蝕電流，阻止金屬損失點(diǎn)形成小陽(yáng)極、大陰極的腐蝕環(huán)境。綜合對(duì)比圖5～圖7，金屬損失點(diǎn)與防腐層破損點(diǎn)之間的關(guān)系存在三種情況，一是存在金屬損失且防腐層破損，二是不存在金屬損失但防腐層破損，三是存在金屬損失但防腐層未破損，每種情況取3個(gè)開(kāi)挖點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)開(kāi)挖點(diǎn)應(yīng)盡量避開(kāi)穿跨越或其他不具備開(kāi)挖條件的地段，見(jiàn)表2。

表2 開(kāi)挖驗(yàn)證結(jié)果

開(kāi)挖結(jié)果表明，情況一和情況二防腐層破損類(lèi)型均為輕微機(jī)械損傷，損傷原因?yàn)榭呐?、劃傷，損傷較淺的未傷及基材，損傷較深的基材表面出現(xiàn)壓坑和劃痕，劃痕0.15～0.4 mm，破損處無(wú)明顯的腐蝕坑和腐蝕產(chǎn)物，見(jiàn)圖12；情況三的基材表面光滑，同樣未見(jiàn)浮銹、腐蝕坑和腐蝕產(chǎn)物。綜上所述，說(shuō)明該管道的運(yùn)行狀態(tài)良好，無(wú)需采取換管或降壓運(yùn)行等措施，只需進(jìn)行常規(guī)定期檢測(cè)即可。

圖12 部分開(kāi)挖點(diǎn)防腐層破損情況

3 結(jié)論

（1）利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)的增強(qiáng)映射，采用逐步平移法實(shí)現(xiàn)了外檢測(cè)點(diǎn)在內(nèi)檢測(cè)中心線(xiàn)上的對(duì)齊，對(duì)齊后所有站場(chǎng)和閥室的里程誤差均在5 m以?xún)?nèi)，經(jīng)緯度分布變化高度一致，說(shuō)明了本文的算法是科學(xué)的和可靠的。

（2）對(duì)某管道對(duì)齊后的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析表明，管道受交流干擾和直流干擾的程度較小，陰極保護(hù)狀態(tài)良好；通過(guò)開(kāi)挖進(jìn)行驗(yàn)證表明，存在金屬損失且防腐層破損的開(kāi)挖點(diǎn)未見(jiàn)腐蝕坑和腐蝕產(chǎn)物，說(shuō)明管道運(yùn)行狀態(tài)良好。