数字孪生在长输油气管道无损检测中的应用

安志彬

(中国石油天然气管道科学研究院有限公司,河北 廊坊 065000)

0 引言

我国是能源消费大国,也是能源进口大国,油气资源的输送很大程度依赖于长输油气管道。由于油气资源的特殊性和管道运营环境的多变性,长输油气管道运行的安全问题越来越受到人们的关注。传统的管道无损检测方法包括超声波检测、磁粉检测、涡流检测等。这些方法虽然可以检测出管道的表面缺陷,但是不易检测出微小及隐蔽缺陷,也无法进行缺陷预测。此外,这些方法需要人工解析缺陷的位置、大小、形状等参数,对操作者的技能和专业知识要求较高。因此,对于管道安全运行评估,需要借助新型的检测手段和技术。

数字孪生技术是近年来兴起的一种新型技术,是从物理实体(如机器、系统或进程等)的设计、制造、操作等过程中实时获得的大量数据,然后通过数字方法分析、处理和集成这些数据,形成与之相对应的虚拟实体的一种技术。数字孪生技术不仅可以在生产设计过程中进行优化预测,对于实体的运行维护也具有重要意义。由于数字孪生技术具有精度高、可重复性好、时效性强、成本低等优点,因此被广泛应用于管道设计和生产中[1-2]。

1 数字孪生技术的基本概念和研究进展

1.1 数字孪生技术的基本概念

数字孪生技术是将实体的信息建模为数字信息,并利用这些数字信息来模拟实体的运作状况、影响和结果的技术。数字孪生技术由数学模型、传感器、机器学习和实时模拟等核心技术组成,与传统的仿真技术相比[3],具有以下优势:

数字孪生技术数据来源丰富。传统仿真技术主要是设计师根据经验和参数估算效果,而数字孪生技术可以利用生产过程中实时获得的大量数据,实现数据的实时更新和数据共享。

数字孪生技术精度更高。数字孪生技术可以在数字模型中完整地反映物理实体的细节、结构和特征,可以在数字孪生中更加精确地模拟物理实体的运转状况和效果。

数字孪生技术可重复性更好。数字孪生技术的数学模型可以更新和迭代,更好保证预测结果的稳定性和可靠性。

1.2 数字孪生技术的研究进展

自从2003年微软公司提出数字孪生的概念以来,数字孪生技术得到了广泛关注和应用。在工业领域,数字孪生技术可以通过数字化物体来帮助企业在设计、生产和维护过程中优化生产效率和品质;在医疗领域,数字孪生技术可以模拟人体器官和疾病,帮助医生准确诊断病症,制定个性化治疗方案;在教育领域,数字孪生技术可以模拟历史事件、物理实验和化学反应等,帮助学生更好地理解概念和现象;在市政和城市规划领域,数字孪生技术可以模拟城市迁移、土地利用和交通流量等,帮助城市规划者设计出更加合理的城市规划方案。

2 数字孪生技术与管道无损检测应用的结合

管道无损检测是安全运营的必不可少的环节,如何引入数字孪生技术减少运行安全风险,降低管道维护成本,需要分析数字孪生技术能够在哪些方面对目前传统的检测进行改进提升,并建立管道的数字孪生模型,发掘数字孪生技术与管道无损检测技术的结合点,真正意义上打造数字管道、智慧管道。

2.1 数字孪生技术在管道无损检测中的关键技术

数字孪生技术应用于长输油气管道的无损检测过程,关键技术主要体现在以下3个方面。

2.1.1 数据融合和预处理

数字孪生技术可以对管道的实际情况进行数字化处理,并对管道的设计参数数据、各类传感器数据、视频图像数据等进行融合和预处理。通过对管道的数字化处理,可以准确记录管道的几何形态和物理特性,生成管道运行的参数库。

2.1.2 缺陷检测与定位

基于建立的合适数学模型,数字孪生技术将管道运行数字信息与已知的管道缺陷、异常等数据进行比对和分析,可以准确地检测管道的缺陷并定位其位置、尺寸和形态,减少管道发生事故的风险。

2.1.3 安全评估与预测

数字孪生技术可以对管道的安全性进行评估和预测,对不同工况下的管道运行安全性进行模拟,预测管道未来发生事故的可能性和风险程度,从而及时采取措施进行修复和维护,提高管道的安全性和可靠性。

2.2 数字孪生技术在管道无损检测中的应用案例

下面从实际应用案例出发,探讨数字孪生技术在长输油气管道无损检测中的应用场景。

2.2.1 数字孪生技术在管壁厚度检测中的应用

在长输油气管道中,管道壁厚是非常关键的参数之一。管壁增厚或者减薄都会对管道的安全运行产生重要影响。传统的管壁厚度检测方法主要依靠人工检查,效率低、检测精度有限。而数字孪生技术可以通过传感器在线布局、建立数学模型对壁厚实施快速、精准地监测。一旦发现异常,数字孪生技术可以及时告警并提供管道维修建议。

2.2.2 数字孪生技术在管道泄漏检测中的应用

长输油气管道泄漏是管道运行过程中的一大隐患,一旦发生泄漏就会对环境安全造成严重破坏。传统的泄漏检测方法往往需要人员长时间巡检或运用成本高昂的设备进行监测,而数字孪生技术可以在管道建模时预设泄漏判定规律,通过实时采集管道的压力流量等数据进行泄漏监测。一旦泄漏情况发生,数字孪生技术可以通过数学模型反演出泄漏口的位置、泄漏量等关键信息,从而实现准确的泄漏监测。

2.2.3 数字孪生技术在管道腐蚀检测中的应用

长输油气管道的腐蚀问题一直是影响管道安全运营的重要问题。传统的管道腐蚀检测方法主要是人工巡检或通过放射性同位素检测腐蚀程度,而这些方法不仅效率低、检测精度有限,同时放射性物质存储和使用还存在着较大的安全隐患。数字孪生技术可以利用数学模型来建立管道的腐蚀规律,通过实时的数据采集和处理,准确预测管道腐蚀程度并提供修复建议。

2.3 数字孪生技术在长输油气管道无损检测中的流程

数字孪生技术在长输油气管道无损检测中的流程如图1所示。

图1 长输油气管道无损检测中数字孪生技术应用流程

2.4 数字孪生技术在管道无损检测中的优势

在管道无损检测中应用数字孪生技术,可以实现对管道运行状况的预测,可以有效降低运行风险,显著优点如下[4]。

2.4.1 提高检测精度

数字孪生技术的应用可以对管道真实运行情况进行动态数字展示,提高管道无损检测的实时性和准确性。建立数学模型,通过数字孪生技术可以对管道进行缺陷检测和准确定位,同时可以对损伤的发展趋势进行预测,为决策判断提供参考依据。

2.4.2 增强管道运行安全性

在管道运行安全领域,数字孪生技术可以为管线运维提供全生命周期的智能化管理。通过对管道系统的日常运行状态进行数据采集和监测,数字孪生技术可以实现对管道系统全面、实时的三维建模和数据分析,并且根据建模结果对管道运行状态进行预测和优化。数字孪生技术还可以为管道系统的巡检、维修、保养提供数据支持和决策参考,同时也能够在发生安全事故时提供现场应急指导和救援支持。

2.4.3 提高管道经济性

数字孪生技术的应用可以大大降低管道的维护成本和管理成本,提高管道的经济性。通过对管道进行实时监测和数据分析,可以及时发现管道存在的问题并进行修复,避免管道出现大规模的损伤和事故,从而降低管道的维护成本和管理成本。

2.5 数字孪生技术在无损检测中的挑战

虽然数字孪生技术在长输油气管道无损检测的应用中具有很大的优势和潜力,但是也面临一些挑战和难点[5],主要表现在以下3个方面。

(1)数字孪生技术需要获取高精确性和准确性的数据,否则会影响到评估预测的可靠性和有效性。数字孪生模型必须能够真实复现待检测管道的物理性质、材质、几何形状、缺陷特征等各个方面的细节。然而,在实际应用中,由于长输管道的复杂性以及获取数据的限制,数字孪生模型的建立和验证难度较大。

(2)数字孪生技术在无损检测中应用还面临着数据获取和存储的挑战[6]。模型构建和训练需要大量的数据,涉及各类传感器、计算机视觉以及无损检测仪器设备等,需要投入大量的时间和资金成本以及专业人员。此外,数据的存储和处理也需要专业人员操作,并考虑数据安全保密需求,否则可能会引发数据泄露等问题。

(3)在实际应用中,数字孪生技术还需要克服一些软硬件的限制。例如,在硬件上,数字孪生技术需要使用高性能的数据采集设备和处理器,以处理大量的数据和复杂的算法。在软件上,数字孪生技术需要应用先进的算法和技术,以实现精确度和可靠性。此外,数字孪生技术需要采集和分析大量的数据,才能得出准确的结果。因此,为了在无损检测中更好地应用数字孪生技术,需要不断进行技术创新和优化,以提高数字孪生技术的性能和可靠性。

3 数字孪生技术在无损检测中的总结与展望

本文介绍了数字孪生技术的概念以及研究进展,并针对如何在长输油气管道无损检测领域中引入数字孪生技术进行了探讨,通过实际案例说明,在长输油气管道无损检测方面,数字孪生技术有着非常大的应用前景。

未来随着科技的不断发展,数字孪生技术的应用可以对长输管道进行数字化监测、预测和维护,降低管道的维护和管理成本,提高管道的安全和可靠性;数字孪生技术可以与人工智能技术进行深度融合,建立管道的智能安全预警系统,实现对管道的自动监测和预警,对潜在的安全风险进行及时告警和处理;数字孪生技术的应用可以通过云平台的构建和应用,实现对管道数据的集中管理和共享,加强数据的安全和隐私保护,便于数据的全面分析和处理,从而提高管道的运行效率和安全性。数字孪生技术在长输油气管道无损检测领域有着非常广阔的应用前景。

随着科技的不断发展,数字孪生技术已经在很多行业得到了广泛应用。在长输油气管道无损检测方面,数字孪生技术也有着非常大的应用前景。数字孪生技术的应用可以对长输管道进行数字化监测、预测和维护,降低管道的维护和管理成本,提高管道的安全和可靠性。数字孪生技术可以与人工智能技术进行深度融合,建立管道的智能安全预警系统,实现对管道的自动监测和预警,对潜在的安全风险进行及时告警和处理。数字孪生技术的应用可以通过云平台的构建和应用,实现对管道数据的集中管理和共享,加强数据的安全和隐私保护,便于数据的全面分析和处理,从而提高管道的运行效率和安全性。因此,数字孪生技术在长输油气管道无损检测领域的应用前景非常广阔。