董紹華  陳一諾  劉宗奇

中國石油大學(xué)（北京）管道技術(shù)與安全研究中心

摘要：我國管道行業(yè)通過(guò)研發(fā)高清晰度內檢測裝備、高精度變形檢測及應變預警系統、站場(chǎng)閥門(mén)內漏檢測配套技術(shù)裝備，以及大型壓縮機組監測與故障診斷系統等，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、檢測、監測、診斷等難題。詳細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，對日后開(kāi)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；檢測技術(shù)

管道完整性管理與技術(shù)起源于20世紀70年代，美國首先開(kāi)始借鑒經(jīng)濟學(xué)和其他工業(yè)領(lǐng)域中的風(fēng)險分析技術(shù)來(lái)評價(jià)油氣管道的風(fēng)險，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(cháng)重要干線(xiàn)管道的使用壽命，合理分配有限的管道維護費用。我國經(jīng)過(guò)幾十年應用發(fā)展，也逐步建立起管道安全評價(jià)與完整性管理體系及有效的評價(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Advantica公司完成中油管道局檢測公司（原中油管道技術(shù)公司）油管道檢測器適用于天然氣管道改造，率先實(shí)現陜京一線(xiàn)1000 km高壓大口徑天然氣管道的內檢測。2009年，中國石油管道公司編制《完整性管理規范》，并于2015年牽頭制定國家標準《油氣輸送管道完整性管理規范》（GB32167—2015），標志著(zhù)我國管道完整性管理進(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 管道完整性評估理論體系

相繼完善了管道氫致開(kāi)裂、焊縫、平面型缺陷、體積型缺陷、管道不同損傷狀況的評估理論。研究了在線(xiàn)、離線(xiàn)管道評估技術(shù)，提出了氫致開(kāi)裂斷裂判據，建立了含H2S管道安全評價(jià)模型和失效評定圖，解決了管道完整性評估理論與生產(chǎn)實(shí)踐脫節的問(wèn)題[5]。并首次建立了基于應力和應變雙重判據的管道失效評估方法，發(fā)現并揭示了管材氫致開(kāi)裂韌脆硬化分形擴展機理，重構了失效模型和評定圖；基于應力-強度干涉理論[6]，建立了不確定性條件下管道的失效概率模型。新理論和新方法評估準確度提高10%，詳見(jiàn)表1。

中國石油大學(xué)管道技術(shù)與安全研究中心建立了油氣管道完整性評價(jià)軟件系統（超級版）（Oil & Gas Pipeline Integrity Super Assessment System V3.0）軟件包，通過(guò)軟件系統來(lái)實(shí)現理論體系的工業(yè)化應用，用于油氣管道結構的適用性評估，具有較好的界面和良好的計算精度。軟件包分為API579軟件、BS7910、管道氫致開(kāi)裂與壽命預測、焊縫評價(jià)、ASME/Restreng/DNV腐蝕評價(jià)、內檢測數據對齊與評價(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檢測系列裝置

中國管道檢測公司、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)、中國石油大學(xué)（北京）等聯(lián)合研發(fā)三軸高清漏磁內檢測、全向勵磁漏磁檢測技術(shù)及系列裝置，發(fā)明了多通道高精度變形檢測裝置和管道應變監測系統。該系列裝置傳感器（圖2采用XYZ三維立體分布代替傳統單軸分布，開(kāi)發(fā)新型集成固化耦合傳感器和全數字化三維漏磁信號采集系統。使國內檢測技術(shù)指標值大幅提升，檢測缺陷深度門(mén)檻值壁厚由20%提高到5%（國際檢測指標），檢出率（POI）提高5%，達到90%[8-9]，詳見(jiàn)表2。

圖2 三維漏磁信號采集系統原理示意

1.3 多通道高精度變形檢測裝置和管道應變監測系統

多通道高精度變形檢測裝置和管道應變監測系統，采用高精度角位移傳感器、抗抖探頭擺動(dòng)裝置和拓撲算法代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)精準監測高風(fēng)險點(diǎn)管道應變，采集精度指標達到±10με（微應變），實(shí)現了管道應變數據采集策略的自動(dòng)控制及遠程維護（表3）。

1.4 管道地區等級升級風(fēng)險評價(jià)與控制

中國石油大學(xué)（北京）提出了管道高后果區四類(lèi)地區管道的目標失效概率，并將其按照低、中、高人口密度優(yōu)化修正；基于應力-強度干涉理論，提出了管道應力與強度的概率分布規律模型，建立了地區等級升級管道失效概率的半定量風(fēng)險評價(jià)模型和軟件，提出了相應指標體系和控制措施[10]（表4）。

1.5 站場(chǎng)安全保障技術(shù)

基于支持向量機（SVM）模型、聲發(fā)射理論以及現代傳感及信號處理技術(shù)開(kāi)發(fā)了雙通道天然氣管道球閥內漏檢測裝置及方法，最小可檢測內漏流量達到1.575 m3/h·m；提出了壓縮機組組合式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )自適應故障診斷方法和混合故障預警模型，壓縮機組故障發(fā)現率提高15%以上（表5）。建立了壓縮機振動(dòng)監測與診斷管理平臺，實(shí)時(shí)監測壓縮機組運行。

中石油北京天然氣管道公司創(chuàng )建了天然氣站場(chǎng)超聲導波檢測數據庫，優(yōu)化了管道單環(huán)、雙環(huán)和雙臺聯(lián)測等檢測方法，研究了埋地管線(xiàn)、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(xiàn)的檢測難題。同時(shí)結合現代傳感技術(shù)、信號分析處理技術(shù)開(kāi)發(fā)了適合天然氣管道特點(diǎn)的聲信號采集和處理系統、天然氣管道球閥內漏檢測系統，解決了球閥內漏的檢測問(wèn)題。單閥門(mén)檢測時(shí)間<10 min；最小可檢測內漏流量為：1.575 m3/h·m(或2.60 L/min·m)；最小檢測流量滿(mǎn)足石油行業(yè)API-6D標準。

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(kāi)發(fā)一種用于抑制天然氣輸氣管道細菌（微生物硫細菌、鐵細菌和硫酸鹽還原菌）腐蝕的殺菌劑。模擬仿真清管黑色粉塵在管內的運移特征，開(kāi)發(fā)了射流清管器。應用效果良好，使粉塵量減少90%。

1.7 儲氣庫安全保障技術(shù)

中國石油大學(xué)（北京）、中石油北京天然氣管道公司建立了儲氣庫完整性管理技術(shù)體系。研究了鹽穴型、枯竭油氣藏型地下儲氣庫風(fēng)險評估技術(shù)，建立了儲氣庫風(fēng)險評估及注采井管柱、套管、水泥環(huán)的完整性評估方法，開(kāi)發(fā)了儲氣庫風(fēng)險評估軟件，提出了相應的風(fēng)險控制措施，制定了儲氣庫風(fēng)險評估、儲氣庫井安全評價(jià)標準[11]。儲氣庫評價(jià)單元劃分及儲氣庫完整性管理流程如圖3、圖4所示。

圖3 儲氣庫評價(jià)單元劃分

圖4 儲氣庫完整性管理流程

1.8 完整性管理信息技術(shù)

陜京管道建成數字化管道應急決策支持GIS系統，實(shí)現了應急情況下管道數據的及時(shí)調取，一鍵式應急處置預案文檔輸出。滿(mǎn)足了應急指揮信息查詢(xún)需求，管道基本信息和竣工資料的關(guān)聯(lián)和調取。搭建完成了管道地理信息基礎數據庫、管道運維動(dòng)態(tài)數據庫。

圖5 GIS系統界面

2. 管道技術(shù)發(fā)展預測

自2014年以來(lái)，中國石油大學(xué)（北京）管道技術(shù)研究中心致力于管道全生命周期數據庫及管理系統的開(kāi)發(fā)，與中石油、中石化、中海油、城市燃氣部門(mén)、省級管網(wǎng)系統的多家單位共同研發(fā)管道全生命周期智能管網(wǎng)系統，取得重要成果(圖 6)。

圖6 基于大數據的智能管網(wǎng)

基于大數據可以進(jìn)行長(cháng)輸管道系統決策支持研究、管道數據質(zhì)量分析、第三方破壞預警技術(shù)研究、地質(zhì)災害洪水預測以及應急決策研究等，還可以構建泄漏和預警信號類(lèi)時(shí)間序列模型、內檢測大數據分析模型、管道腐蝕風(fēng)險大數據模型等，同時(shí)開(kāi)展油田集輸管道、城市燃氣大數據的研究[12-17]。

3 結論與建議

（1）我國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、檢測、監測、診斷等難題。（2）管道完整性管理正朝著(zhù)管道全生命周期方向發(fā)展，重點(diǎn)是數據整合和準確度控制，管理平臺對歷史、現狀和未來(lái)的趨勢分析，管網(wǎng)結構的完整性評價(jià)和風(fēng)險預測分析，大數據決策支持等。

（3）建議以大數據分析為研究重點(diǎn)，建立油氣管道大數據中心，破解材料、結構、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價(jià)方法，提出氫濃度的運行控制參數，開(kāi)發(fā)缺陷反射信號數據處理系統，形成裂紋、缺陷的顯示方法，最終開(kāi)發(fā)X80以上鋼級管線(xiàn)鋼裂紋檢測裝備。

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作者：董紹華，男，1972年生，教授，博士生導師。2001年博士畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣儲運工程專(zhuān)業(yè)，現主要從事管道完整性管理、管道信息化、管道運行維護、管道安全工程、大數據決策分析等領(lǐng)域的研究工作。

《管道保護》2018年第1期（總第38期）