董紹華  陳一諾  劉宗奇

中國(guó)石油大學(xué)（北京）管道技術(shù)與安全研究中心

摘要：我國(guó)管道行業(yè)通過研發(fā)高清晰度內(nèi)檢測(cè)裝備、高精度變形檢測(cè)及應(yīng)變預(yù)警系統(tǒng)、站場(chǎng)閥門內(nèi)漏檢測(cè)配套技術(shù)裝備，以及大型壓縮機(jī)組監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)等，建立了較為完善的管道完整性管理技術(shù)體系，解決了油氣管道重大安全隱患的發(fā)現(xiàn)、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、診斷等難題。詳細(xì)解讀了管道完整性管理關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展情況與發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)日后開展相關(guān)研究有重要參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：完整性管理；管道安全；檢測(cè)技術(shù)

管道完整性管理與技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代，美國(guó)首先開始借鑒經(jīng)濟(jì)學(xué)和其他工業(yè)領(lǐng)域中的風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)來評(píng)價(jià)油氣管道的風(fēng)險(xiǎn)，以期最大限度減少油氣管道的事故發(fā)生率和盡可能延長(zhǎng)重要干線管道的使用壽命，合理分配有限的管道維護(hù)費(fèi)用。我國(guó)經(jīng)過幾十年應(yīng)用發(fā)展，也逐步建立起管道安全評(píng)價(jià)與完整性管理體系及有效的評(píng)價(jià)方法。2001年，陜京天然氣管道將管道完整性管理程序文件、作業(yè)文件納入HSE（健康安全環(huán)境管理）體系中；2002～2003年聯(lián)合英國(guó)Advantica公司完成中油管道局檢測(cè)公司（原中油管道技術(shù)公司）油管道檢測(cè)器適用于天然氣管道改造，率先實(shí)現(xiàn)陜京一線1000 km高壓大口徑天然氣管道的內(nèi)檢測(cè)。2009年，中國(guó)石油管道公司編制《完整性管理規(guī)范》，并于2015年?duì)款^制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》（GB32167—2015），標(biāo)志著我國(guó)管道完整性管理進(jìn)入一個(gè)新階段[1-2]。

1 管道完整性管理技術(shù)進(jìn)展

1.1 管道完整性評(píng)估理論體系

相繼完善了管道氫致開裂、焊縫、平面型缺陷、體積型缺陷、管道不同損傷狀況的評(píng)估理論。研究了在線、離線管道評(píng)估技術(shù)，提出了氫致開裂斷裂判據(jù)，建立了含H2S管道安全評(píng)價(jià)模型和失效評(píng)定圖，解決了管道完整性評(píng)估理論與生產(chǎn)實(shí)踐脫節(jié)的問題[5]。并首次建立了基于應(yīng)力和應(yīng)變雙重判據(jù)的管道失效評(píng)估方法，發(fā)現(xiàn)并揭示了管材氫致開裂韌脆硬化分形擴(kuò)展機(jī)理，重構(gòu)了失效模型和評(píng)定圖；基于應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論[6]，建立了不確定性條件下管道的失效概率模型。新理論和新方法評(píng)估準(zhǔn)確度提高10%，詳見表1。

中國(guó)石油大學(xué)管道技術(shù)與安全研究中心建立了油氣管道完整性評(píng)價(jià)軟件系統(tǒng)（超級(jí)版）（Oil & Gas Pipeline Integrity Super Assessment System V3.0）軟件包，通過軟件系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)理論體系的工業(yè)化應(yīng)用，用于油氣管道結(jié)構(gòu)的適用性評(píng)估，具有較好的界面和良好的計(jì)算精度。軟件包分為API579軟件、BS7910、管道氫致開裂與壽命預(yù)測(cè)、焊縫評(píng)價(jià)、ASME/Restreng/DNV腐蝕評(píng)價(jià)、內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊與評(píng)價(jià)6個(gè)模塊（圖1）。

圖1 軟件包界面

1.2 管道三軸高清漏磁內(nèi)檢測(cè)系列裝置

中國(guó)管道檢測(cè)公司、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)、中國(guó)石油大學(xué)（北京）等聯(lián)合研發(fā)三軸高清漏磁內(nèi)檢測(cè)、全向勵(lì)磁漏磁檢測(cè)技術(shù)及系列裝置，發(fā)明了多通道高精度變形檢測(cè)裝置和管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系列裝置傳感器（圖2采用XYZ三維立體分布代替?zhèn)鹘y(tǒng)單軸分布，開發(fā)新型集成固化耦合傳感器和全數(shù)字化三維漏磁信號(hào)采集系統(tǒng)。使國(guó)內(nèi)檢測(cè)技術(shù)指標(biāo)值大幅提升，檢測(cè)缺陷深度門檻值壁厚由20%提高到5%（國(guó)際檢測(cè)指標(biāo)），檢出率（POI）提高5%，達(dá)到90%[8-9]，詳見表2。

圖2 三維漏磁信號(hào)采集系統(tǒng)原理示意

1.3 多通道高精度變形檢測(cè)裝置和管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

多通道高精度變形檢測(cè)裝置和管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用高精度角位移傳感器、抗抖探頭擺動(dòng)裝置和拓?fù)渌惴ù�替原有直位移傳感器和模擬算法，提高了定位精度；采用振弦式高精度抗干擾傳感器，實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)管道應(yīng)變，采集精度指標(biāo)達(dá)到±10με（微應(yīng)變），實(shí)現(xiàn)了管道應(yīng)變數(shù)據(jù)采集策略的自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程維護(hù)（表3）。

1.4 管道地區(qū)等級(jí)升級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與控制

中國(guó)石油大學(xué)（北京）提出了管道高后果區(qū)四類地區(qū)管道的目標(biāo)失效概率，并將其按照低、中、高人口密度優(yōu)化修正；基于應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論，提出了管道應(yīng)力與強(qiáng)度的概率分布規(guī)律模型，建立了地區(qū)等級(jí)升級(jí)管道失效概率的半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型和軟件，提出了相應(yīng)指標(biāo)體系和控制措施[10]（表4）。

1.5 站場(chǎng)安全保障技術(shù)

基于支持向量機(jī)（SVM）模型、聲發(fā)射理論以及現(xiàn)代傳感及信號(hào)處理技術(shù)開發(fā)了雙通道天然氣管道球閥內(nèi)漏檢測(cè)裝置及方法，最小可檢測(cè)內(nèi)漏流量達(dá)到1.575 m3/h·m；提出了壓縮機(jī)組組合式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)故障診斷方法和混合故障預(yù)警模型，壓縮機(jī)組故障發(fā)現(xiàn)率提高15%以上（表5）。建立了壓縮機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷管理平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)組運(yùn)行。

中石油北京天然氣管道公司創(chuàng)建了天然氣站場(chǎng)超聲導(dǎo)波檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，優(yōu)化了管道單環(huán)、雙環(huán)和雙臺(tái)聯(lián)測(cè)等檢測(cè)方法，研究了埋地管線、穿墻管段、跨越管段等，解決了高水位、高粘土、瀝青防腐層管線的檢測(cè)難題。同時(shí)結(jié)合現(xiàn)代傳感技術(shù)、信號(hào)分析處理技術(shù)開發(fā)了適合天然氣管道特點(diǎn)的聲信號(hào)采集和處理系統(tǒng)、天然氣管道球閥內(nèi)漏檢測(cè)系統(tǒng)，解決了球閥內(nèi)漏的檢測(cè)問題。單閥門檢測(cè)時(shí)間<10 min；最小可檢測(cè)內(nèi)漏流量為：1.575 m3/h·m(或2.60 L/min·m)；最小檢測(cè)流量滿足石油行業(yè)API-6D標(biāo)準(zhǔn)。

1.6 管道腐蝕控制

中石油北京天然氣管道公司建立了系統(tǒng)的輸氣管道黑色粉塵組成分析技術(shù)。分析腐蝕產(chǎn)物的化合物成分。研究H2S、CO2以及微生物腐蝕機(jī)理，建立了以鐵元素濃度變化表征管壁腐蝕速率的物理模型。開發(fā)一種用于抑制天然氣輸氣管道細(xì)菌（微生物硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌和硫酸鹽還原菌）腐蝕的殺菌劑。模擬仿真清管黑色粉塵在管內(nèi)的運(yùn)移特征，開發(fā)了射流清管器。應(yīng)用效果良好，使粉塵量減少90%。

1.7 儲(chǔ)氣庫(kù)安全保障技術(shù)

中國(guó)石油大學(xué)（北京）、中石油北京天然氣管道公司建立了儲(chǔ)氣庫(kù)完整性管理技術(shù)體系。研究了鹽穴型、枯竭油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)，建立了儲(chǔ)氣庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及注采井管柱、套管、水泥環(huán)的完整性評(píng)估方法，開發(fā)了儲(chǔ)氣庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件，提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，制定了儲(chǔ)氣庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、儲(chǔ)氣庫(kù)井安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[11]。儲(chǔ)氣庫(kù)評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐旨皟?chǔ)氣庫(kù)完整性管理流程如圖3、圖4所示。

圖3 儲(chǔ)氣庫(kù)評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?/p>

圖4 儲(chǔ)氣庫(kù)完整性管理流程

1.8 完整性管理信息技術(shù)

陜京管道建成數(shù)字化管道應(yīng)急決策支持GIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急情況下管道數(shù)據(jù)的及時(shí)調(diào)取，一鍵式應(yīng)急處置預(yù)案文檔輸出。滿足了應(yīng)急指揮信息查詢需求，管道基本信息和竣工資料的關(guān)聯(lián)和調(diào)取。搭建完成了管道地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、管道運(yùn)維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖5 GIS系統(tǒng)界面

2. 管道技術(shù)發(fā)展預(yù)測(cè)

自2014年以來，中國(guó)石油大學(xué)（北京）管道技術(shù)研究中心致力于管道全生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)及管理系統(tǒng)的開發(fā)，與中石油、中石化、中海油、城市燃?xì)獠块T、省級(jí)管網(wǎng)系統(tǒng)的多家單位共同研發(fā)管道全生命周期智能管網(wǎng)系統(tǒng)，取得重要成果(圖 6)。

圖6 基于大數(shù)據(jù)的智能管網(wǎng)

基于大數(shù)據(jù)可以進(jìn)行長(zhǎng)輸管道系統(tǒng)決策支持研究、管道數(shù)據(jù)質(zhì)量分析、第三方破壞預(yù)警技術(shù)研究、地質(zhì)災(zāi)害洪水預(yù)測(cè)以及應(yīng)急決策研究等，還可以構(gòu)建泄漏和預(yù)警信號(hào)類時(shí)間序列模型、內(nèi)檢測(cè)大數(shù)據(jù)分析模型、管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)大數(shù)據(jù)模型等，同時(shí)開展油田集輸管道、城市燃?xì)獯髷?shù)據(jù)的研究[12-17]。

3 結(jié)論與建議

（1）我國(guó)已建立了較為完善的管道完整性管理技術(shù)體系，解決了油氣管道重大安全隱患的發(fā)現(xiàn)、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、診斷等難題。（2）管道完整性管理正朝著管道全生命周期方向發(fā)展，重點(diǎn)是數(shù)據(jù)整合和準(zhǔn)確度控制，管理平臺(tái)對(duì)歷史、現(xiàn)狀和未來的趨勢(shì)分析，管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的完整性評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)分析，大數(shù)據(jù)決策支持等。

（3）建議以大數(shù)據(jù)分析為研究重點(diǎn)，建立油氣管道大數(shù)據(jù)中心，破解材料、結(jié)構(gòu)、失效等關(guān)鍵性難題，改進(jìn)制約油氣管道行業(yè)發(fā)展的安全、質(zhì)量、能耗、經(jīng)營(yíng)等影響因素。（4）建議完善氫環(huán)境下X80管道含裂紋缺陷的完整性評(píng)價(jià)方法，提出氫濃度的運(yùn)行控制參數(shù)，開發(fā)缺陷反射信號(hào)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，形成裂紋、缺陷的顯示方法，最終開發(fā)X80以上鋼級(jí)管線鋼裂紋檢測(cè)裝備。

參考文獻(xiàn)

[1]李柯, 張文艷, 武曉麗. 油氣長(zhǎng)輸管道外防腐層的檢測(cè)與評(píng)價(jià)[J]. 石油和化工設(shè)備, 2012(11):66-67.

[2]王良軍，李強(qiáng)，梁菁嬿.長(zhǎng)輸管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2015，34（3）：233-236.

[3]董紹華, 楊祖佩. 全球油氣管道完整性技術(shù)與管理的最新進(jìn)展——中國(guó)管道完整性管理的發(fā)展對(duì)策[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2007, 26(2):1-17.

[4]秦金, 郝點(diǎn), 宋軍艦. 油氣管道完整性管理體系分析與應(yīng)用[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備, 2011(3):7-8.

[5]董紹華.管道完整性管理技術(shù)與實(shí)踐[M].北京：中國(guó)石化出版社，2015：19-31.

[6]宋占勛, 方少軒, 謝基龍,等. 基于應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型的疲勞損傷[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 37(3):52-56.

[7]燕冰川. 基于三軸高清漏磁內(nèi)檢測(cè)的完整性評(píng)價(jià)技術(shù)[A]. 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)理化檢驗(yàn)分會(huì)、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)失效分析分會(huì).2013年全國(guó)失效分析學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)理化檢驗(yàn)分會(huì)、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)失效分析分會(huì):,2013:4.

[8]馮慶善.在役管道三軸高清漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2009,28(10):72-75+84+93-94.

[9]白港生,張永江,臧延旭,等高精度系列變形檢測(cè)器[J].石油科技論壇,2014,33(01):51-54.

[10]姚安林,周立國(guó),汪龍,等.天然氣長(zhǎng)輸管道地區(qū)等級(jí)升級(jí)管理與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].天然氣工業(yè),2017,37(01):124-130.

[11]董紹華,韓忠晨,費(fèi)凡,等.輸油氣站場(chǎng)完整性管理與關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究[J].天然氣工業(yè),2013,33(12):117-123.

[12]郭磊, 許芳霞, 周利劍,等. 管道完整性系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成與應(yīng)用[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2014, 33(6):593-598.

[13]林現(xiàn)喜，李銀喜，周信，等. 大數(shù)據(jù)環(huán)境下管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)管理[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2015，34（4）：349-353.

[14]黃誼, 程耀瑜, 任毅. 基于X射線焊縫圖像缺陷特征提取的研究[J]. 電子測(cè)試, 2012(7):30-33.

[15]蔣中印，李澤亮，張永虎，等.管道焊縫數(shù)字射線 DR 檢測(cè)技術(shù)研究[J].遼寧化工，2014，43（4）：427-429.

[16]周永濤, 董紹華, 董秦龍,等. 基于完整性管理的應(yīng)急決策支持系統(tǒng)[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2015, 34(12):1280-1283.

[17]董紹華, 張河葦. 基于大數(shù)據(jù)的全生命周期智能管網(wǎng)解決方案[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2017(1):28-36.

作者：董紹華，男，1972年生，教授，博士生導(dǎo)師。2001年博士畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事管道完整性管理、管道信息化、管道運(yùn)行維護(hù)、管道安全工程、大數(shù)據(jù)決策分析等領(lǐng)域的研究工作。

《管道保護(hù)》2018年第1期（總第38期）