构建新一代油气管道智能完整性管理系统

崔万祥 欧曙辉 刘严强

（1. 浙江省能源集团城市燃气有限公司，浙江 杭州 310016；2. 浙江钰烯腐蚀控制股份有限公司，浙江 宁波 315000）

0 引言

随着我国经济的快速发展，油气管道已成为我国必不可少的能源大动脉。截至2015年，我国油气长输管线总里程10.87万公里，按照“十三五”规划，至2020年年底，我国油气长输管道里程数将达到16.9万公里。燃气管道将覆盖东部地区大部分乡镇。这些管道系统在运行中面临多重威胁，外来破坏、腐蚀、地质灾害都可能对管道系统造成严重影响。同时，由于油气管道上的缺陷不可避免，且随着时间的增长，逐步恶化；人类活动和自然环境变化都会对管道产生影响。油气管道破坏会造成泄漏、燃烧、爆炸、环境污染等严重后果。因此，必须采用适宜的技术手段和管理措施，保障管道的安全性，延长管道的使用寿命。

管道完整性管理的概念就是在这种需求下产生的，其通过对油气管道运行中面临的风险因素进行识别和评价，通过监测、检测、检验等各种方式，获取管道完整性的信息，并制定相应的风险控制对策，不断改善有害因素，从而将管道运行的风险水平控制在合理的、可接受的范围内，并最终达到持续改进、减少和预防管道事故发生、经济合理地保证管道安全运行的目的。

美国国会于2002年11月通过了专门的H.R.3 609号法案，该法案要求管道运营商在高风险地区实施管道完整性管理计划。管道完整性管理正式以法律形式确定和提出，世界各国管道公司纷纷开始采用完整性管理模式进行运行管理。世界各国主要的管道公司都在近些年采用了这一管理理念，实施的管道的完整性管理。如美国Willams Gas、英国TRANSCO、加拿大TRANSCANADA等著名管道公司都率先实施了管道完整性管理，并建立了专门的完整性管理机构。我国也在2015年发布了《GB32167油气输送管道完整性管理规范》，并于2016年3月1日正式实施，管道企业实施管道完整性管理在我国正式进入一个新阶段。国内中石油管道公司、中石化、中海油有关管道部门都已经开始实施管道完整性管理工作。

1 管道完整性管理

管道完整性管理包括：数据收集、高后果区识别、风险评价、完整性评价、维修与维护、效能评价六个环节（如图1所示）[1]。管道企业要保证管道完整性管理的有效实施，需要进行完整性管理体系建设，这是实施完整性管理的基础，管道完整性体系建设就是对涉及管道完整性管理的信息、技术、工作流程、组织机构及文件体系等要素进行集成，将其转化为管理要素和经济要素，经济合理地保障管道安全可靠运行，是一项系统工程。

管道完整性数据的及时收集和处理，是实施管道完整性管理的基础。收集的数据应属于管道完整性管理相关，并充分满足高后果区识别、风险评价、完整性评价、管道修复等管理环节对数据的要求，其涉及多个专业的繁杂数据，应具有统一的存储逻辑，并形成管道完整性数据库，满足后续数据处理分析的需要。形成有效的管道完整性数据收集机制，对于保证有效的管道完整性管理是至关重要的。

图1 管道完整性评价流程

高后果区是指如果管道发生泄漏或断裂等事故，会对公众安全、财产、环境、社会等造巨大损失的区域。依据相关的标准规范，收集管道沿线风险相关属性数据为基础，识别管道沿线的高后果区（HCA）。

风险评价是依据管道属性数据和运行数据、相关环境数据，并依据HCA高后果区数据，对管道的破坏风险进行评价分级。以确定管道沿线各区段的风险值，并加以排序。定量风险评价需要较好的数据基础，在数据质量差时可采用定型或半定量的方式。

完整性评价，是采用各种检测、监测手段对管道进行检测，已确定存在的影响管道完整性的风险因素，如管体缺陷、腐蚀、变形、应力集中等。对埋地油气管道可采用内检测、外检测直接评价、试压等方式。由于各种现有的检测技术均有局限性，因此应根据管道实际情况选择适宜的检测和监测方法，以准确全面获得管道完整性相关信息。

维护与维修是利用完整性检测获得的信息和风险评价结果，按照风险排序，采用适宜手段，如：换管、打磨、堆焊、套筒修复补强、防腐层大修等手段，通过修复管道完整性相关缺陷，实现管道风险的降低。

效能评价是针对管道完整性管理系统本身进行评价，评价其有效性，发现不足并加以改进。

经过多年的推广发展，管道完整性管理已经成为我国主要管道企业的管理规范和标准，但是，由于各企业重视程度不同，加之管道完整性管理本身也还存在诸多与管道企业的适应问题，如数据采集困难、管道数字化程度不足等都影响了管道完整性实施的有效性，这些都需要充分利用现代技术和管理手段加以改进，以保证其有效实施。

2 物联网、人工智能和大数据

随着近些年信息技术的迅猛发展，新一代的信息技术喷薄而出，如物联网、大数据及人工智能技术，这些技术已经开始深刻地改变工业生产和社会生活。

物联网的英文名称为“The Internet of Things” ,简称：IOT。由该名称可见，物联网就是“物物相连的互联网”。其有两层含义：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过物体传感器和通信协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换、通信和控制，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。对于油气管道系统而言，物联网则是通过各种工业传感器对管道沿线设备和环境进行测量、感知，并获取数据。现代传感器技术进步巨大，已出现多种可用于油气管道监测的传感器，如在线的管道位移、变形监测设备可监测管道由于滑坡、地震、塌方等造成的管道位移、变形，敷设在管道沿线的通信光缆，还可用于监测管道沿线可能的开挖、打孔盗油等。

大数据技术是随着物联网产业的发展、智能化硬件设备的普及而产生的，工业和社会活动产生的新信息数据已达海量级别，如此数量的数据传统数据处理方式无法满足实际需求，也无法发掘其价值。大数据技术即针对这些海量数据而产生的数据处理和分析技术，目的即为充分挖掘海量数据的价值，更好的服务于社会。对于管道系统，大量管道、环境监测工业传感器和管理活动，都产生数据，如何有效整合、分析这些数据，进而充分发掘其价值，对于提高管道完整性管理的效率和水平有现实意义。

图2 物联网示意图

人工智能技术在近些年获得了快速发展，人工智能围棋选手已经击败人类顶尖选手。现代人工智能以深度学习神经网络为特征，可对多因素、非线性关联的数据进行处理。针对影响管道完整性的因素，利用收集数据和专家经验数据，可以在管道完整性有关决策环节，利用人工智能技术进行处理进而减少人为干预，可大大提高管道完整性管理系统的效率。

3 构建基于物联网、大数据和人工智能的新一代管道完整性管理系统

随着技术的进步，可用于获取管道完整性状态信息的传感器种类增多，使得管道完整性状态监测系统成为可能。可利用的针对管道完整性监测技术如表1所示，现有的传感器可覆盖管道完整性管理的大部分需求，可用于监测管道的完整性相关状态，如外部干扰（第三方破坏、打孔盗油可利用光纤传感器、管道压力波传感器）、腐蚀（阴极保护电位监测、关键部位无损监测、腐蚀监测）、地质灾害（管道位移监测、管道变形监测）、误操作可由自动控制系统逻辑加以控制。对于无法利用在线监测获取的信息则可以通过管道检测手段得到，管道内检测、试压可获得有关管道本体制造、材料缺陷以及外来损伤造成的管体缺陷，试压可以获得有关影响管道承压能力的一定程度的缺陷，外检测直接评价可获得有关管道防腐层劣化信息、阴极保护有效性以及存在的活性腐蚀信息（如表2所示）。

表1 管道完整性监测技术

表2 管道完整性检测技术

国内新一代的全智能化新型阴极保护系统，包括全智能数字化恒电位仪、智能测试桩、特种柔性阳极地床。与现有的床头阴极保护系统相比，具有全智能、可靠性高、兼容性好、施工简便、寿命长的优势。还可作为管道沿线的数据传输节点，可兼容接驳其他传感器（为传感器供电和提供通信通道），可作为管道沿线传感器的通信节点，满足管道沿线的传感器安装要求。

利用现代物联网、大数据和人工智能技术，收集处理大量的管道系统完整性信息，利用大数据技术处理数据，并利用人工智能技术处理相关风险评价、效能评价、维护维修相关决策环节，可大幅度提高管道完整性管理系统的效率。

4 结论与建议

随着技术的进步，可用于获取管道完整性状态信息的传感器种类增多，使得管道完整性状态监测系统成为可能。现代物联网技术的快速进步使得管道完整性监测越来越完善，可大幅度提高管道完整性监测的时效性。大数据和人工智能技术的发展，使得建设真正意义上具备自我感知、自我威胁处理决策的智能数字管道成为可能。对于管道企业而言，建立适应于管道完整性管理的管理和责任体系，在此基础上，充分利用现有的物联网、大数据和人工智能技术，可构建出新一代高效、智能的管道完整性管理信息系统，进而有效保障管网的安全高效运行。