天然气管道完整性管理建设及关键技术

董志，齐钊

(1.浙江浙能燃气股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.山东产研卫星信息技术研究院，山东 济南 250098)

0 引言

2022年度中国天然气消费量达到3663×108m3，长输天然气管线总里程达到了11.6×104km。

随着管道里程快速增加，不可避免地会穿越地势陡峭、环境多变的山区地段，这些区域地质灾害频发、交通运输不便，给管道的安全管理带来严峻挑战。例如：2017年，贵州晴隆县一输气管道因强降雨导致滑坡而发生泄漏事故，造成40多人死伤[1]；2021年，某天然气公司管道附近由于强降雨发生地质灾害超250次，对天然气管道的安全造成了严重威胁。传统的管理方式和方法与山区管道面临的风险特征并不匹配，为了保证天然气管道平稳运行、保证周边人民生命财产安全，需要结合山区管道特点制定针对性的完整性管理措施，构建山区管道风险防控体系。

1 山区管道完整性管理流程

1.1 山区管道风险识别

准确识别山区管道面临的风险是实现完整性管理的前提条件，结合山区管道的敷设环境，从“人、机、环境”三个角度开展山区管道风险识别。

(1)人为因素：误操作、施工、蓄意破坏；

(2)管道本体：电腐蚀、应力腐蚀；

(3)地质灾害：崩塌、滑坡、泥石流。

1.2 山区管道完整性管理流程

根据山区管道风险识别结果以及GB 32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》中的完整性管理六个步骤，制定出山区管道完整性管理流程。

如图1所示，山区天然气管道管理流程主要分为七个步骤：(1)根据高后果区等级对山区管道进行分区；(2)从管道、人员、环境三方面收集数据，管道数据包括管道本体数据以及水工保护措施数据，人员数据包括员工操作数据以及第三方人员数据，环境数据包括可能引发地质灾害的所有数据；(3)采用RBI、SIL等方法对管道、人员、地质灾害开展风险分析，确定风险大小、后果，并进行风险等级排序；(4)基于相关标准，开展管道本体、地灾易发性、水工保护措施有效性以及人员作业安全性的评价作业，确定管道以及保护措施的完整情况；(5)根据完整性评价结果，制定相应的处置方案，如地质灾害监测、水工保护措施修复、管道检测及维护等；(6)建立山区管道完整性管理数据库，将各个环节联系起来，打破信息孤岛，实现完整性管理数据共享；(7)开展完整性管理效能评价，不断改进、完善完整性管理各个环节。

图1 山区管道完整性管理流程

1.3 管理难点

1.3.1 灾害预测难

受到多方面因素影响，包括地形地貌、降水、植被、原生缺陷等，地质灾害的发生(概率、规模、位置)具有很强的不可预测性，导致灾害预测难度较大。

1.3.2 管道监测难

山区地形起伏剧烈、植被茂密，人工巡检难度较大，当山区管道发生事故或附近存在施工作业时，很难在第一时间发现。

1.3.3 事故处理难

当山区管道发生事故需要进行维抢修作业时，由于管道沿线地形复杂、交通恶劣、社会依托差，导致管道维修设备、机具很难运输至作业前线，增大了维抢修作业难度。

2 关键技术研究

从山区天然气管道管理难点可以看出，对山区管道，应该建立主动式的防护措施，利用卫星、无人机、光纤、视频行为分析系统等建立“空—天—地”的管道风险智能监测网络，构筑“面—点”结合的第三方施工监测系统，可以实现山区管道全方位监控，做到“事前早发现”。

2.1 卫星监测技术

激光雷达技术的快速发展使得卫星在地质灾害监测中的应用越来越普遍。目前常用的是利用卫星合成孔径雷达监测管道周围地面沉降情况，其原理是每隔一段时间(一般是12 d)利用合成孔径雷达对同一位置进行拍摄，通过比较两个时间段内的地表影像信息，可以获取管道周围地面的形变数据，识别管道沿线的地质灾害风险，其优点是全天时、全天候、灵敏度高、分辨率高、识别范围广[2]。

2.2 光纤预警技术

光纤预警技术在管道安全监测领域的应用越来越广泛，其原理是用管道同沟敷设的光缆作为传输媒介，从光缆一侧的发射器中注入探测光脉冲，当光缆受到外界干扰时，光缆中的光纤折射率发生改变，引起探测光的相位差。通过检测相位差的变化并解析，就能够判断受到干扰的位置以及干扰的类型。目前，光纤预警技术主要应用于天然气管道周围施工监测、泄漏监测以及周界安防等领域[3]。

2.3 无人机巡检技术

为了降低一线巡线人员的作业强度，一些管道营运公司开始使用无人机开展管道线路巡查工作，这些无人机下端均会搭载一个高清摄像头，用于拍摄管道沿线的影像信息，并将这些信息上传至后台服务器，后台工作人员能够根据这些信息判断管道周围是否存在危险源。

目前，无人机在长输管道中主要有两个工作：一种是日常巡检，另一种是定点核查[4]。在日常巡检工作模式下，无人机会从一个站场(阀室)飞向另一个站场(阀室)，将管道沿线的信息拍摄下来，传回后方供作业人员查看；在定点核查工作模式下，无人机起飞前需要先设定一个坐标位置，无人机到达坐标位置后才开启摄像头，对预定目标进行全方位、多角度的拍摄、取证，将结果发送至后台。

2.4 视频行为监控技术

目前，一些管道营运单位会在管道周围的施工区域放置视频行为监控系统，防止可能出现的越界施工、违规作业等情况[5]。视频监控系统的工作过程包括以下步骤：(1)摄像头录制管道周围影像；(2)后台计算机读取这些影像资料，并采用均匀稀疏采样的方式将其转化为图像；(3)读取这些图像中异物的特征，如挖掘机、作业人员等；(4)将提取到的信息与训练出的样本库里的样本进行对比，判断图像中的异物类型，若判断结果是挖掘机等对管道有威胁的物体，会自动保存该结果并将其推送至客户端，通知后台作业人员赶赴现场。

2.5 管道露管检测技术

尽管使用卫星系统可以大范围地开展管道周围地质灾害监测工作，但是受到卫星拍摄时间等因素的影响，难以在第一时间发现地质灾害发生的位置并做出报警，因此，管道运营单位在地质灾害易发区域都会埋设一些检测设备，这些设备的核心是光敏元件。当检测设备在地质灾害的作用下发生裸露时，光敏元件在阳光的照射下会触动报警装置，后者将这些信息发送至服务器，作业人员根据这些信息能知晓地质灾害发生位置。

2.6 联合防护体系建设

2.6.1 管道防护体系建设

搭建统一的山区管道防护平台，统一管理管道风险监测设备，打破数据壁垒，实现监测设备联合运作、管道风险智能识别、应急策略自动生成，可以起到事半功倍的作用。山区管道防护体系建设如图2所示。

图2 山区管道防护体系建设

整个体系分为三个层级，分别为感知层、数据处理层以及辅助决策层。其中，感知层由无人机、光纤、摄像头等现场设备(设施)构成，用于获取现场数据，并通过物联网技术将这些数据发送至处理器；数据处理层由若干电脑处理器组成，用于分析处理现场感知设备传回的数据。根据数据类型将其分类，判断这些数据的有效性，筛选出对管道风险识别有用的信息，并将这些信息与历史数据或设定的阈值进行对比，判断是否存在威胁，并将可能造成风险的信息全部传送至辅助决策层。辅助决策层收到数据处理层的信息后，针对风险的类型采取不同的措施。以第三方施工为例，说明本完整性管理平台的用法。

2.6.2 第三方施工核查

当光纤系统监测到管道周围存在施工活动时，会将施工信息发送给数据分析层，后者将危险事件类别和位置发送给辅助决策层。辅助决策层判断出这是一个可能威胁管道安全的第三方活动，然后立即给距离最近的无人机发送飞行任务，无人机飞行到指定位置后会下降一定的高度，对可疑位置进行全方位的拍摄。若确实发现存在第三方施工，会立即开展取证工作，同时作业人员也可以通过无人机向对方喊话，制止违法施工活动。

2.6.3 管道应急抢修

当第三方施工已经造成管道损毁时，除了派遣无人机前往现场调查取证外，辅助决策层还会根据现场特点、已有的维修案例自动生成维修方案，包括维修方法、作业人员、需要的设备及库存等，为管道应急抢修提供依据。

3 结论

本文以山区天然气管道为研究对象，从“人、机、环境”三方面介绍了山区管道面临的风险，提出了包含人、管道、环境的山区天然气管道完整性管理流程，在此基础上介绍了一些可以用于山区天然气管道风险监测与识别的新技术，详细叙述了每项技术的原理、实现方式和用途，得出以下结论：

(1)山区管道处于复杂的地形地貌中，面临的威胁和管理上的困难与其他管道存在明显不同，在制定管理方案时一定要考虑环境因素，重点关注地质灾害对管道的影响。

(2)介绍了卫星监测技术、光纤预警技术、无人机巡检技术、视频行为监控技术、管道露管检测技术的原理和用途，建立了包含感知层、数据分析层、辅助决策层的山区管道防护平台，并以第三方施工为例，说明不同情况下应急响应措施的区别。