动态闭环管道完整性智能分析决策系统*

崔凯燕，王晓霖，李 明，王 勇，齐先志

(中国石化大连石油化工研究院，辽宁大连 116045)

随着GB 32167[1]和发改能源[2016]2197号文件[2]的发布，国内管道开始全面实施完整性管理，以提升管道的安全水平[3-5]。同时，随着发改能源[2016]392 号文[6]的发布，石油天然气行业积极推进与“中国制造2025”、“互联网+”国家战略的融合创新，探索智能化发展道路[7]。管道完整性管理的需求也从计算机辅助管理逐渐向智能分析决策方向发展。

国外在完整性管理信息化建设方面起步较早[8]，形成了一系列的专业软件，如挪威船级社的Safeti风险评价软件，GE PII的PipeView内检测数据分析软件等；国内也有如中石油的风险评价软件和完整性管理系统PIS，中石化智能化管线系统的完整性数据管理模块等，国内学者在2010年就基于C/S的完整性管理系统方面做出了成果[9]。目前，兼具管理和专业分析决策的成熟系统有DNV GL的Synergi Pipeline[10]和英国ATP的PIMSlider[11]，均为标准版或针对国外管道开发的系统，无法满足我国的管道特点和企业需求。

1 现状与需求

完整性管理是一项长周期性工作，随着完整性管理的深化实施，管道运营企业问题频发，包括线下管理、层层任务下达和上报，从而导致工作效率低下；数据采集工作重复，批量数据冗余且无法有效管理和利用；核心业务独立分散、专业性强，必须依赖于专业人员；地方与企业评价标准不一致，导致重复性工作；专业评价结果无法直接指导管道运营管理等。

通过调研国内外研究现状，结合国内长输管道、集输管网、城市燃气管网的特点以及完整性管理实践，开发了基于动态数据流的完整性闭环智能分析决策系统。通过线上方式，解决完整性管理工作效率低下、数据冗余且无法有效利用、业务管理分散等问题，以提高企业完整性管理的专业水平和信息化水平。

2 系统功能架构与技术路线

完整性智能分析决策系统一方面需满足6步闭环循环的管理功能，另一方面需要具备数据分析和评价决策功能。此外，不同企业的评价方法存在差异，管理机构设置千差万别，故系统数据库应具备方法指标、组织层级的可配置功能，还应具备用户与核心业务权限管理等功能。

基于上述分析，完整性智能分析决策系统包括完整性管理系统和完整性专业评价与决策系统。管理系统基于B/S架构，功能包括数据管理、高后果区识别与管理、风险评价与管理、完整性评价管理、维修管理及效能评价与管理、业务活动等；评价与决策系统包括基于C/S的完整性评价与维修决策软件和管道内检测数据校验与对齐软件。系统架构如图1所示。

图1 管道完整性智能分析决策系统架构

3 数据流设计

完整性智能分析决策系统数据库基于Oracle与SQL server开发，通过数据端口实现B/S与C/S端的实时交互，数据流设计路线为：检测数据进入对齐软件数据库，经对齐后，传入B/S端Web主数据库的完整性评价模块，C/S端内检测评价数据库获取主数据库的基本数据和内检测对齐数据，经过分析计算，将评价数据回写至主数据库。数据流设计如图2所示。

图2 完整性智能分析决策系统数据流示意

4 核心功能模块

完整性智能分析决策系统包括6大核心业务模块，3个辅助模块和2个专业工具。6大核心模块分为数据管理、高后果区管理、风险管理、完整性评价、维修管理和效能评价模块；2个专业工具为管道内检测评价与维修决策软件和内检测数据校验与对齐软件，具体如图3所示。

4.1 数据管理模块

数据管理模块包括管线管理、管道基础数据管理和数据字典管理。数据字典可实现系统的字典式管理，可直接维护管道固定属性数据，供多条管道引用；可对高后果区识别准则、效能评价指标、风险评价指标等实现动态配置与更新，为评价提供标准。

4.2 高后果区管理模块

系统内置了目前国标[1]要求的输油管道和输气管道高后果区识别准则，用户采集高后果区基础信息、评估信息、登记卡和应急处置等数据后，后台分析高后果区等级。

图3 完整性智能分析决策系统功能模块示意

4.3 风险评价模块

开发基于指标评分法[12]的风险评价模块，主要功能包括管道自动分段、动态风险评价、风险实时展示和敏感性分析。

a)管道自动分段。根据管道属性和沿线周边环境，选择站场、阀室、敷设方式、高后果区、地区等级、防腐层类型等管道分段依据。分段依据与基础数据、高后果区数据和业务活动数据动态关联，后台依据用户所选分段依据将管道自动分为多个评价单元。

b)风险评价。将管道失效因素分为挖掘损伤、腐蚀、设计与施工、运行与维护、蓄意破坏和地质灾害，建立输油管道和输气管道失效概率指标评分细则。部分评分项参数与基础数据动态关联，部分需人为干预，系统后台进行每个管段的风险评价，计算管道风险值并划分风险级别。

c)结果展示与敏感性分析。风险展示模块与评价结果动态关联，展示管道失效概率与后果、风险等级及风险值。敏感性分析是筛选对管道风险值影响较大的二级评分项，以柱状图形式展现。用户可通过结果展示与敏感性分析更加直观地掌握管道风险水平，有针对性地开展管道风险防控工作。

4.4 完整性评价模块与C/S软件

4.4.1完整性评价管理模块

完整性评价模块包括内检测管理、外检测管理、水压试验管理和完整性评价结果展示。采用检测数据管理、评价结果管理和数据分析的模式。

内检测数据管理的对象是对齐软件输出的数据，内检测评价数据管理的对象则是评价软件输出的结果。外检测评价包括ECDA分段、外检测数据管理和外检测评价数据管理，可兼容10类检测方法的数据，同时可对埋深检测、占压、开挖检测等数据进行统计分析。

4.4.2内检测数据对齐软件

不同批次内检测数据对齐，可识别活性缺陷、新增缺陷，计算腐蚀速率，评估缺陷控制措施的有效性及检测器的检测精度等；同批次数据对齐，可查找复合缺陷与焊缝相关缺陷，避免内检测作业(漏磁与几何变形检测分批进行的情况)造成复合型缺陷的遗漏；管道地上与地下特征的对应，可帮助管道维护人员快速准确地定位管道的开挖位置。

通过开发管道不同批次内检测数据对齐方法、同批次缺陷与环焊缝交互影响判断算法、地面与地下特征对齐方法及缺陷对齐算法，集成开发了内检测数据校验与对齐软件。

4.4.3内检测评价与维修决策软件

内检测评价与维修决策软件集成了开发的金属损失缺陷快速图解法[13]，该方法通过图解法确定缺陷可接受水平，直观给出缺陷计划维修时间，可直接为现场操作人员所用；此外，软件集成现有成熟的评价方法包括ASME B31G、BS7910、DNVRP-F101、SY/T 6151和Shannon方法[14]等剩余强度评价方法，NACE方法、线性法等管道剩余寿命预测方法，软件采用自动分段方式求解管道腐蚀速率，采用现有定性标准分析凹陷和焊缝缺陷可接受性。

软件可综合考虑缺陷特征、评价结果、环境因素、高后果区及高风险影响，制定缺陷的维修决策判定准则，并实现维修决策指标的可配置。通过维修决策，软件自动给出缺陷计划维修时间、修复响应级别等。评价结果与维修决策结果分别自动回写至系统的内检测管理子模块和维修管理模块，直接指导管道的维修维护，如图4所示。

图4 内检测评价与维修决策分析流程

5 应用

管道完整性智能分析决策系统以工程实用为目的，主要针对长输管道，也可在集输管网和城市燃气管网上应用。该系统在国内某完整性管理数据较全面的成品油管道进行了工程实践。

高后果区识别管理模块中，系统自动获取数据字典新建的识别准则，根据采集录入的数据，共识别高后果区41处，占管道总长度14.2%，其中人口密集区占36%、重要设施区占50%、环境敏感区占14%。

在风险评价模块，以站场、阀室、敷设方式和高后果区为分段依据，管道自动分段61段。通过危害因素识别、失效概率评估、失效后果评估，风险分级确定该管道低风险管段有55 段，占总长度的91.01%，中等风险管段有6 段，无较高和极高风险管段，如图5所示。对风险值影响较大的敏感因素主要有内/外腐蚀、管体凹陷、焊缝异常、埋深不足、防腐层破损等。

对于数据对齐模块，因管道仅开展了一次内检测，因此无法进行不同批次数据对齐，只进行同批次缺陷关联、地上与地下特征对齐，若今后开展第二次内检测，可进一步分析。根据预设的偏差阈值，查找管道复合型缺陷。经分析，存在9处与凹陷组成的复合型缺陷；存在14处与环焊缝相交的缺陷。对于上述缺陷应进一步分析评价，提高维修响应等级。

图5 某成品油管道沿线风险值分布

对于内检测评价与维修决策软件，通过从B/S端获取数据后，软件统计共计6 713 处缺陷，其中腐蚀缺陷6 325处，变形6处，制造缺陷29处，焊缝异常353处。对比腐蚀缺陷剩余强度评价方法，采用ASME B31G进行评价；对于制造缺陷，使用Shannon方法；对于凹陷和焊缝异常，依据维修判定准则对严重程度进行定性分级。经分析，管道需要立即修复的缺陷有4处，一年内计划维修的缺陷为7处，腐蚀缺陷评价如图6所示。

图6 某成品油管道腐蚀缺陷在ERF曲线内的长度——深度分布

在维修管理模块，建立维修工程，导入经评价需要维修的缺陷，系统根据缺陷特征，给出建议修复方案，用户可进一步根据实际维修计划在系统内完成计划的提交与审核，在系统中维护缺陷维修信息及状态。

在效能评价模块，通过对各项效能指标进行评分，计算效能评价结果。

6 结论

a)开发的完整性智能分析决策系统，由6个核心业务模块，3个辅助模块和内检测评价与维修决策、数据对齐2个专业软件构成，可实现数据管理、风险管理、检测数据对齐、完整性评价、维修管理、效能评价等管理和专业分析，评价结果可直接指导管道维修维护。经实际应用表明，系统稳定，访问及响应速度快，可靠性高。

b)系统基于B/S与C/S结合的网络模式，采用Web数据模式，核心业务数据实时动态交互，实现全流程动态完整性管理；数据字典可实现方法、指标及数据库参数的可配置；采用专业评价软件搭载管理系统的方式，既具备专业分析与评价功能，还可实现核心业务的数据、作业流程、审批流程的统一规范管理；基于现有国内外标准开发，结果可靠，可满足不同企业完整性管理作业需求。

c)系统工程应用效果良好，具有较好的推广价值，未来还可借助云平台、搭载GIS，无人机在线传输等技术进一步提高智能化水平。