管道內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊在完整性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

　　摘要：為充分挖掘管道內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)的有用信息，以管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，將其與外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊，形成以位置信息為基準(zhǔn)的內(nèi)外檢測(cè)對(duì)齊數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而明確影響管道安全運(yùn)行的主要因素。結(jié)合某天然氣管道的工程實(shí)例，利用內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊方法實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)對(duì)齊和綜合分析，結(jié)果表明：該管道陰極保護(hù)狀態(tài)良好，土壤電阻率和交/直流雜散電流使外防腐層破損點(diǎn)處形成腐蝕的可能性小;開挖驗(yàn)證證實(shí)在管道外壁存在金屬損失處和管道外防腐層有破損處未發(fā)現(xiàn)腐蝕行為。對(duì)齊后的內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)有利于研究管道外部環(huán)境對(duì)管道安全運(yùn)營(yíng)的影響，進(jìn)而完善完整性評(píng)價(jià)體系。

　　關(guān)鍵詞：管道內(nèi)外檢測(cè);數(shù)據(jù)對(duì)齊;對(duì)齊模式;完整性評(píng)價(jià)

　　祝明; 姜曉紅; 李曉暉; 李春暉; 楊靜; 劉承磊 油氣儲(chǔ)運(yùn) 2021-12-20

　　油氣管網(wǎng)的建設(shè)是保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和促進(jìn)人民生活水平提高的重要手段，為此國(guó)家先后建設(shè)了西氣東輸天然氣管道、中緬天然氣管道、中俄原油天然氣管道等重要油氣能源輸送通道[1-4]。管道是油氣管網(wǎng)中油氣運(yùn)輸?shù)闹饕d體，但隨著其使用年限的增加，出現(xiàn)泄漏和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)不斷增大。為規(guī)避管道事故的發(fā)生，需定期開展管道完整性評(píng)價(jià)以排查管道中存在的風(fēng)險(xiǎn)，保證管道安全運(yùn)營(yíng)，做到防患于未然[5]。管道完整性評(píng)價(jià)通過持續(xù)不斷地獲取內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)，以對(duì)管道管體缺陷類型進(jìn)行識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并采取相應(yīng)的措施將風(fēng)險(xiǎn)控制在可控范圍[6-7]。管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)是完整性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)[8-13]，管道進(jìn)行一次內(nèi)檢測(cè)可獲取缺陷的位置和特征，多輪次內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊可明確管道中存在的活性腐蝕，并分析缺陷產(chǎn)生的原因[14-18]。 Reber 等[19]采集多輪次管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過對(duì)齊分析建立了相應(yīng)的腐蝕增長(zhǎng)模型，并得出了管道缺陷的增長(zhǎng)速率。Gu 等[20]通過多輪次內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊，計(jì)算出缺陷的增長(zhǎng)率，同時(shí)對(duì)缺陷修復(fù)提出解決方案。姜曉紅等[21]通過多輪次內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊，找出了管道存在的各類缺陷，有效分析了缺陷形成原因，并提出了相應(yīng)的防護(hù)措施。管道外檢測(cè)可對(duì)土壤電阻率和交/直流雜散電流干擾進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)陰極保護(hù)效果進(jìn)行評(píng)估，對(duì)管道防腐層的缺陷進(jìn)行定位[12,22]。

　　利用漏磁檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)的管道內(nèi)檢測(cè)可準(zhǔn)確采集管道管體缺陷的里程和周向位置信息，其位置精度高;利用人為手持檢測(cè)設(shè)備在管道上方實(shí)現(xiàn)的管道外檢測(cè)可準(zhǔn)確獲取管道外部環(huán)境因素(土壤電阻率、交/直流雜散電流、陰極保護(hù)效果及管道外防腐層)對(duì)管道安全運(yùn)行的影響，但其位置精度差[23-25]。管道內(nèi)檢測(cè)和外檢測(cè)位置精度的差異使獲取的內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)位置匹配和有效利用。因此，有必要結(jié)合相應(yīng)理論和專業(yè)技術(shù)軟件以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊[26]，從而滿足管道檢測(cè)數(shù)據(jù)再利用的生產(chǎn)需要，并結(jié)合工程實(shí)例，研究管道外部環(huán)境對(duì)管道安全運(yùn)營(yíng)的影響。

　　1 內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊 1.1 對(duì)齊模式

　　內(nèi)檢測(cè)采用漏磁方式采集管道特征及管體缺陷的里程位置信息。外檢測(cè)通常采用兩種方式采集管道外部屬性位置信息：①利用測(cè)試樁+相對(duì)距離定位管道外部屬性;②利用 GPS 定位管道外部屬性。相比于外檢測(cè)，內(nèi)檢測(cè)記錄的里程信息精度相對(duì)更高。外檢測(cè)中的 GPS 定位精度比測(cè)試樁+相對(duì)距離方式的定位精度高，但其操作更復(fù)雜。通常，內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊存在兩種組合模式(表 1)。

　　1.2 對(duì)齊方法

　　由于內(nèi)檢測(cè)的位置信息或經(jīng)緯度坐標(biāo)的精度均優(yōu)于外檢測(cè)，所以內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊通常以內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，以內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊模式 2 為例說明其對(duì)齊步驟。

　　(1)管道外檢測(cè)數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度和高程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)。利用高斯坐標(biāo)投影正算公式[27]求解外檢測(cè)管道某點(diǎn) n 處的經(jīng)緯度(L, B)對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)(xn, yn)(式 1、式 2)，高程坐標(biāo) H 通過式(3)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫娴?Zn 軸坐標(biāo)。 ( , ) xn ? F1 L B (1) ( , ) yn ? F2 L B (2) zn ? H ? M ? D/ 2 (3)式中：F1 和 F2 分別為經(jīng)緯度(L，B)對(duì)應(yīng)的投影函數(shù)，m;M 為外檢測(cè)點(diǎn) n 的埋深，m;D 為管道外徑， m。

　　(2)利用獲取的平面坐標(biāo)計(jì)算相鄰?fù)鈾z測(cè)點(diǎn) n 和 n+1 之間的間距?Dn?1：? ? ? ? ? ? 2 1 2 1 2 n 1 n 1 n n n n n ?D ? x ? x ? y ? y ? z ? z ? ? ? ? (4)(3)利用線性插值法實(shí)現(xiàn)內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊。根據(jù)管道里程上的特征坐標(biāo)(測(cè)試樁、站場(chǎng)、閥室、彎頭或穿跨越等)將管道分成若干段，每一段的開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)之間一共有 m 個(gè)外檢測(cè)點(diǎn)，相鄰?fù)鈾z測(cè)點(diǎn)之間的里程累加求和可得該段的外檢測(cè)里程(圖 1)。由于內(nèi)外檢測(cè)獲取每一段里程的方法和精度不同，需要對(duì)每一段管道的內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)通過線性插值法對(duì)齊(式 5)。對(duì)齊后的管道缺陷具有其他的屬性信息，如外防腐層破損點(diǎn)、陰極保護(hù)電位、交/直流雜散電流、土壤電阻率等，后期利用這些屬性信息可實(shí)現(xiàn)缺陷的致因分析，進(jìn)而提出缺陷的完整性管理解決方案。

　　式中：Sk和 Sk+1 分別為點(diǎn) k 和點(diǎn) k+1 對(duì)齊后的里程;?L 為外檢測(cè)點(diǎn)所在管段的內(nèi)檢測(cè)里程; 為該段累加求和后的外檢測(cè)里程。(4)利用管道上固有特征對(duì)內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。可選擇內(nèi)檢測(cè)和外檢測(cè)都測(cè)量的管道固有特征(如閥室、站場(chǎng)、彎頭、管道穿跨越起始位置等)進(jìn)行對(duì)齊結(jié)果的驗(yàn)證，輔助判斷數(shù)據(jù)對(duì)齊的準(zhǔn)確性。具體方法是里程誤差驗(yàn)證： Δδ=La-Sa (6)式中：Δδ 為里程誤差，m;La 和 Sa 分別為管道固有特征點(diǎn)的實(shí)際內(nèi)檢測(cè)里程和對(duì)齊后的里程，m。

　　2 完整性評(píng)價(jià)應(yīng)用

　　基于上述對(duì)齊方法，自主開發(fā)了內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊軟件，并確定了內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊及其完整性評(píng)價(jià)的主要流程：①內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)輸入;②利用數(shù)據(jù)對(duì)齊軟件實(shí)現(xiàn)內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊，并形成對(duì)齊數(shù)據(jù)庫(kù);③ 基于對(duì)齊數(shù)據(jù)對(duì)管道安全運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行綜合分析;④基于分析結(jié)果，制定管道維護(hù)和維修的解決方案。以中國(guó)某條天然氣管道為例進(jìn)行了內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊，基于對(duì)齊的內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)分析管道外部環(huán)境對(duì)管道安全運(yùn)營(yíng)的影響。

　　2.1 內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊

　　該管道全長(zhǎng) 176 km。內(nèi)檢測(cè)時(shí)間為 2018 年，內(nèi)檢測(cè)里程 173.6 km，采用漏磁方式采集數(shù)據(jù)，基于內(nèi)檢測(cè)獲取了位于管道內(nèi)外壁的缺陷。外檢測(cè)時(shí)間為 2017 年，外檢測(cè)里程 201.0 km，采用 GPS 方式采集數(shù)據(jù)，基于外檢測(cè)獲取了管道外防腐層破損點(diǎn)、土壤電阻率、交/直流雜散電流及陰極保護(hù)等的數(shù)據(jù)。借助內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊軟件，整合得到對(duì)齊后的各類內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)，可知：管道外壁金屬損失點(diǎn)較少，且金屬損失深度均小于管道壁厚的 30%(圖 2);該管道的外防腐層破損點(diǎn)主要分布在 26~170 km(圖 3);陰極保護(hù)斷電電位均處于-850~-1 200 mV(圖 4);交流干擾電壓均小于 4 V，并且交流干擾電流密度絕大多數(shù)小于 30 A/m2，直流干擾土壤的垂直管道電位梯度值、平行管道電位梯度值及電位梯度值絕大多數(shù)小于 0.5 mV/m，管道受交直流干擾強(qiáng)度均為“弱”(圖 5、圖 6);該管道有 58 處土壤電阻率測(cè)量點(diǎn)的土壤腐蝕性等級(jí)評(píng)價(jià)為“弱”，有 91 處評(píng)價(jià)為“中”，有 36 處評(píng)價(jià)為“強(qiáng)”(圖 7)。

　　內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)，已考慮了由于外檢測(cè)數(shù)據(jù)采集方式不同所造成的誤差。在數(shù)據(jù)對(duì)齊完成后，需要對(duì)該管道沿線閥室和站場(chǎng)里程誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)對(duì)內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證(表 2)，可知：所有在閥室和站場(chǎng)處的對(duì)齊里程誤差約為 1 m，滿足對(duì)齊精度的要求。

　　2.2 對(duì)齊數(shù)據(jù)的綜合分析

　　管道內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊后，需要對(duì)其進(jìn)行分析、整合及開挖驗(yàn)證，以確定金屬損失是否存在活性腐蝕行為。從各數(shù)據(jù)沿里程分布圖可分析得出管道外壁的缺陷類型：若管道存在外壁金屬損失和防腐層破損，且陰極保護(hù)狀況欠保護(hù)或此管段存在交/直流雜散電流的情況，則管道此處缺陷可能會(huì)發(fā)展成活性腐蝕缺陷;若管道存在外壁金屬損失和防腐層破損，但陰極保護(hù)狀況良好，則管道此處缺陷可能為第三方造成的機(jī)械損傷;若管道防腐層和陰極保護(hù)狀況良好，但管體存在外壁金屬損失，則管道此處缺陷可能為管材制造異常。若金屬損失是活性腐蝕缺陷，則此點(diǎn)需要開挖并維修，否則需要在下輪檢測(cè)之前進(jìn)行開挖調(diào)查或關(guān)注，并在下輪內(nèi)檢測(cè)時(shí)關(guān)注此金屬損失是否增長(zhǎng)。

　　由 2.1 節(jié)的檢測(cè)結(jié)果分析可知：通過高壓輸出電線和故障強(qiáng)電流等產(chǎn)生的交流干擾，以及由直流電運(yùn)輸系統(tǒng)和直流電焊接等產(chǎn)生的直流干擾較弱，因此交/直流雜散電流不是管道外壁產(chǎn)生金屬損失的關(guān)鍵因素;管道周圍環(huán)境的大部分土壤電阻率較低，容易使管道外壁破損點(diǎn)處于易腐蝕狀態(tài)，若此時(shí)陰極保護(hù)不佳，則破損點(diǎn)處易于形成腐蝕，而通過檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)管道全程處于有效保護(hù)狀態(tài)，可有效避免由于土壤電阻率較低而使外防腐層破損點(diǎn)處形成腐蝕的可能性。因此，在陰極保護(hù)處于有效狀態(tài)的條件下，土壤電阻率和交/直流雜散電流使外防腐層破損點(diǎn)處形成腐蝕的可能性小。

　　通過對(duì)比圖 2 和圖 3 可知，管道外防腐層破損點(diǎn)和管道外壁金屬損失點(diǎn)存在 3 種對(duì)應(yīng)關(guān)系：①管道外壁存在金屬損失但管道外防腐層無破損;②管道外壁不存在金屬損失但管道外防腐層有破損;③管道外壁存在金屬損失且管道外防腐層有破損。對(duì)比這 3 種對(duì)應(yīng)關(guān)系可知：管道外壁存在金屬損失且管道外防腐層有破損處最易形成腐蝕。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果綜合評(píng)價(jià)等級(jí)以及可開挖性選取了開挖點(diǎn)，由管道外檢測(cè)獲取的開挖點(diǎn)腐蝕情況沿里程分布情況(圖 8)可知，通過開挖驗(yàn)證并未發(fā)現(xiàn)第 3 種對(duì)應(yīng)關(guān)系下存在腐蝕行為。因此，可以得出 3 種對(duì)應(yīng)關(guān)系下均無腐蝕行為，說明該管道運(yùn)行狀態(tài)良好，在現(xiàn)階段可有效安全運(yùn)行。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　提出了一種管道內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊方法，從而充分挖掘內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)的有用信息，明確影響管道安全運(yùn)行的主要因素，進(jìn)而提出相應(yīng)的完整性管理解決方案，完善完整性評(píng)價(jià)體系。以中國(guó)某天然氣管道為例，進(jìn)行了內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊，得到對(duì)齊后的外壁金屬損失、管道外防腐層破損點(diǎn)、土壤電阻率、交/直流雜散電流及陰極保護(hù)沿里程分布圖。通過分析可知，該管道陰極保護(hù)狀態(tài)良好，土壤電阻率和交/直流雜散電流使外防腐層破損點(diǎn)處形成腐蝕的可能性小;開挖驗(yàn)證未發(fā)現(xiàn)管道外壁存在金屬損失處或管道外防腐層有破損處存在腐蝕行為。該管道運(yùn)行狀態(tài)良好，在現(xiàn)階段可有效安全運(yùn)行。在未來的研究中，可通過減小外檢測(cè)采樣間距和增加檢測(cè)設(shè)備的精度以減少對(duì)齊里程誤差，提高內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)齊精度。