无人机在石油石化领域的应用分析

雷 珂,陈义保

(烟台大学 机电汽车工程学院,山东 烟台 264005)

在人类航空事业的发展史上,无人机已成为载人飞行器的一个重要分支。从1903年莱特兄弟创造的原始双翼飞机滑跑起飞成功开始,再到现在无人机产业强势崛起,无人机已经历了一个多世纪的洗礼。随着无人机技术的不断发展和相关政策法规的陆续出台,经过无数先辈不断探索和实践,迄今无人机不仅仅局限于军事领域,也在遥感航拍、通信中继、森林防火、环境监测和快递服务等诸多民用领域中得到了不同程度的应用[1-5]。国家工业发展离不开众多产业的支持,而石油石化产业占有举足轻重的地位。一方面石油、天然气等能源为工业发展提供不竭的动力,另一方面大部分其他产业的发展都与石油石化产品密切相关。笔者分析无人机在中国石油石化领域中的应用前景及其发展趋势，以期为石油石化领域的发展保驾护航,从而为国家能源新的发展发挥重要作用。

1 无人机的发展及现状

无人机即无人驾驶飞机(Unmanned Aerial Vehicle,简称UAV),是一种以无线电遥控(半自助控制方式)或由自身程序控制为主(全自主控制方式)的无人(不搭载驾驶员)飞行器。在莱特兄弟完成了原始双翼飞机试飞的十多年后的1917年,皮特库柏(Peter Cooper)和埃尔默A斯佩里(Elmer A. Sperry)发明了世界上第一台自动陀螺稳定器,这种装置解决了飞行器的飞行平衡问题,美国海军将该项技术应用于寇蒂斯N-9型教练机上,成功改造出世界上首架由无线电控制的不载人飞行器,从而揭开了无人飞行器的发展新篇章[6]。1935年英国皇家空军设计了一款名为蜂王号的无人机,通过技术改进使得无人机能够回到起飞点,便于回收无人机并重复使用,自此无人机的应用真正进入实用化阶段。二战期间,由于战争需要,1944年德国工程师设计了一款可携带炸药的高速不载人飞行器即著名的V1有翼飞弹,使得无人机的应用迈入了一个崭新的阶段。二战之后,各个国家开始意识到无人机具有诱人的应用前景,无人机的研究和应用逐渐在工业发达国家得到不同程度的发展。尤其是美国在当时拥有雄厚的经济和工业基础,而且获得了德国的部分先进技术,再加上极具前瞻性的无人机发展规划,先后研发了用于各种军事用途的无人机型,如火蜂原型机XQ-2、黑鸟系列、MQ捕食者、RQ-7B幻影、全球鹰和RQ-170哨兵号等,使得无人机在军事领域中的应用被美国人推向了极致,其众多型号军用无人机已成为当时的应用典范,为美国军事发展注入一股强心剂,这可谓无人机在军事领域应用发展的最好佐证[7]。

但是无人机是一个大家族,按不同的使用领域来划分,无人机则可分为军用级、工业级和消费级三大类,总体来说军用级性能要求最高,工业级次之,消费级最低。虽然无人机最大的市场需求主要还是来自于军事领域,但近几年来民用无人机迅速发展,其成绩斐然,并开始与其他行业紧密融合。以发展迅速的快递行业为例,国外快递巨头美国亚马逊公司已率先开始探索并尝试将无人机应用在物流领域,该公司有一项名为Prime Air的无人机项目,其目的是测试无人机能够在较短的时间配送顾客在亚马逊网站上网购的商品,希望可以在竞争日益激烈的快递行业占得先机,且于2013年12月发布了试验视频,引起了广泛的关注。国内最大的快递公司之一的顺丰速运公司也紧跟快递无人机应用的潮流,自主研发了一款能够低空飞行自动送货的无人机,其特点是飞行高度约为100 m,位置误差能控制在2 m以内,希望通过无人机解决偏远地区的配送问题,提高快递效率,节约成本[7]。随着经济的迅猛发展和相关技术的不断提高,无人机在民用领域中的需求必将会呈现出一种快速增长的势头。来自美国Teal集团统计数据显示[8]:2014年全球无人机市场规模已经达到64亿美元,预计到2023年将增长至115亿美元,其中民用无人机市场份额将会逐步扩大,约占2023年市场总额的14%左右。

虽然目前无人机在民用领域不同行业的应用发展参差不齐,但业已证明无人机具有不可估量的商业价值和应用潜力,这必将引发各民用行业对无人机应用研究的极大热情。

2 无人机应用分析

随着中国经济的快速稳健增长,国家对石油能源和石油石化产品的需求日益增加。与此同时作为输送工业能源的油气管道在中国已形成覆盖全国东西南北,联通多个海外国家的管网格局。根据中国国家统计局官方网站公布的数据显示[9]:时至2015年,中国管道输油(气)里程已达到了10.87×104km,是地球赤道周长的2.7倍多。中哈原油管道和中俄原油管道,至今已累计向国内输送原油数千万吨[10-11]。无人机可以凭借其优越性能配合当下先进的遥感、图像处理、通信、互联网等技术,便于石油石化领域的应用推广[12-14]。

现代民用领域无人飞行器按照技术来划分主要有固定翼无人机、无人直升机、多旋翼无人机、无人飞艇、无人伞翼机、扑翼式无人机六大类[8]。而前三类可以较好地应用于石油石化领域,其中固定翼无人机是目前的主流产品,其最大优势是飞行速度快;无人直升机则灵活性最强,可以原地垂直起降和空中悬停;多旋翼无人机的特点介于固定翼无人机和无人直升机之间,操作简单、成本较低。因此,无人机应用于石油石化行业之中(如油气管道和石化产区巡检、油气管道沿线地貌勘察、突发事故应急巡查等方面),与常规工程应用相比,具有不可比拟的优势。

2.1 油气管道和石化产区巡检

油气管道和石化产区巡检是指相关的安全管理部门定期巡视和检查其管辖范围内的油气输送管道和石化产区内的作业设备、储油设施等,巡检的内容大致包括油气管道和石油产区附属设备损坏或腐蚀情况,以及统计清查管道与设备的使用年限是否超期,以保证油气输送的安全,防止事故的发生。石油石化行业所涉及的原料和产品大多是高温高压、易燃易爆有毒的危险品,规模庞大,设备复杂,极有可能微小的事故就会造成重大影响,甚至是灾难性的。

传统的油气管道巡检工作一直主要采用人工巡检的工作方式,又称为一表制。即在油气管道沿线设置巡检点,巡检人员每到一个巡检点就记录该点的巡检结果,最后巡检人员返回管道管理处将所有的巡检结果汇总统计。随着相关技术的发展,目前已经利用管道泄露检测系统实时监测输油管道是否泄露等情况,从而在一定程度上减轻了巡检人员工作负担,提高了其工作效率。但这种监测手段只能在事故发生后才能察觉,就如何防范于未然,仍然需要派出巡检人员实地巡查。这种人工巡检工作方式极大地受限于管道距离长、范围广、环境复杂等因素影响。无人机凭借其跨越地形、超远距离、快速到达的能力,必将成为未来油气管道和石化产区巡检高效手段之一[15]。

无人机油气管道巡检方式大致可分为两阶段。第一阶段是实时巡检,巡检人员通过地面站或监控中心给无人机发送命令控制无人机飞行作业,飞行路径沿着待巡检的管道,在飞行的过程操纵无人机自身搭载的专业航拍设备(高清摄像机、红外热像仪等),拍摄获得真实的油气管道影像资料,并回传到地面站或监控中心,同时巡检人员就可以实时观察到管道的真实情况。在这一阶段可以快速及时地发现管道安全隐患。第二阶段就是将巡检结果进行后置处理,即将第一阶段中所获得的管道影像资料使用专业图像处理软件,绘制出整套的油气管线无人机航测图,以便后期的统计和分析。长庆油田于2016年7月至8月采用固定翼无人机、多旋翼无人机等多款机型进行多次无人机石油管路巡线试验,探索无人机在管线巡查中的适应性。结果表明[16],通过无人机进行管线巡查能大大缓解员工山区巡护工作量,减少事故发生的概率和人员损伤的风险。同时采用无人机巡检改善了在崎岖地区传统依靠目测或望远镜徒步巡护的情况,解决了巡检人员无法靠近的管道泄漏区域的巡检难题。对油气管道和石化产区开展无人化巡检工作,加入到安全管理的系统之中,更有利于提高巡线效率,减轻人员工作量,维护管道和产区的安全运行。

2.2 油气管道沿线地貌勘察

油气管道沿线地貌勘察是指在管线铺设之前和管线维护之时,通过勘察沿线各地段的地质地貌特征,分析出不良地质现象出现的可能性、发生原因和扩散范围等问题,并就如何防治或整治不良地质现象提出必要的建议措施,也可以判定沿线环境水土对管道建筑材料的腐蚀危害程度。

传统的地貌勘察方法主要采用人工方式,需要勘察人员进行实地考察,采集当地的地质样本、水质样本等资料,这种勘察方法不仅工作量大而且条件艰苦,特别是对山区、河流、沼泽以及无人区等地的油气管道的地貌勘察,或是在冰灾、水灾、地震、滑坡、夜晚期间地貌勘察,费时费力,而且有一些复杂地质环境的勘察项目(如地下物探、化探等)依靠常规方法还难以完成。另外,由于管道沿线自然环境(主要指管道沿线地貌)和社会环境(主要指管道途经的城市和乡村)时过境迁,有可能随着管道沿线人类经济活动持续活跃,所穿越的人类定居点周围的人口密度增大,道路、建筑物增多,绿化带覆盖率增加,管道检查工作变得越来越困难,导致部分管道腐蚀老化加重却无法得到及时的勘察和维护。

随着国内长输油气管道建设规模范围的不断增加,管道施工技术及装备更加先进。但是由于油气管道铺设可能位于复杂特殊地形地貌,必然会对施工质量和效率带来一系列的影响[17-18]。采用现代化无人机技术,通过地面站或遥控器操控无人机对管道沿线地貌进行巡航飞行,利用航拍设备可以轻松实现远程空间信息、地貌信息和地理信息的回传,另外，无人机又可以搭载物质采集装置(如机械臂,液体收集器等)将所需的勘察资料迅速带回,能有效降低工作强度,极大提高地貌勘察工作效率。

2.3 突发事故应急巡查

突发事故应急巡查是指在面对油气管道和石化产区发生事故、灾害等突发事故时,安全管理部门能够借助巡查手段在第一时间了解到现场情况,根据应急预案做出相应的应急措施,尽可能地减轻事故影响和降低灾害损失。输油管线的泄露极大地威胁着群众的生命和财产安全,2014年6月30日晚7时许,位于辽宁省大连市金州新区的中石油新大一线输油管线发生爆裂,原油溢出流入市政污水管网导致爆炸起火,浓重的汽油味弥漫在辽宁大连金州开发区空中,输油管中的石油从地下水管线返到地面,并引发重大火灾[19]。同样输油管道的另一个安全影响因素就是盗油事故,看似只是在油管打一个小孔,却对国家财产和管道安全造成极其严重的威胁。首先是破坏了管道的防腐层,这必将加快管道的腐蚀速度,降低管道使用寿命。其次盗油事故极可能引起输油管道阻塞,更为严重的是引发起火爆炸,导致国家能源动脉被破坏,炼油厂无油可用,设备停产,其损失不可估量[20]。

对于输油管道漏油、起火爆炸等突发事故目前主要依靠油气管道或石化产区的安全管理部门巡查监控管理,并依靠当地消防公安部门的紧急救援,两者缺一不可,而且这些部门单位对于输油管道漏油、起火爆炸等事故处理早已形成比较完备的应急预案,有些学者也进行了相关的对策分析[21-23]。一般情况下,起火爆炸类事故往往伴随着明火、烟云和爆音现象,比较明显且易于察觉,但输油管道的漏油事故应急巡查则会受限于多种因素(黑夜、大雾等)影响。因此,如何快速预警对于降低事故损失至关重要。

应急消防所面对的石油化工各类灾害事故现场往往瞬息万变。发生突发事故的时候,无人机可以快速巡查发生事故的可疑地段,并通过无人机搭载的航拍设备实时传回现场的影像资料,应急巡查部门能够迅速准确地做出相应的事故处理措施。在灾害事故的处置过程中,同样可以利用无人机进行实时监视追踪灾情,为各级应急救援指挥部及时提供灾情信息,也可以作为指挥部与救援小组之间的通信中继,方便现场支援调度,从而最大限度地减少灾害事故损失。另外无人机可针对管道偷油情况进行应急巡查,管道盗油事故发生地点随机性强,一般集中在人烟稀少处,无人机灵活机动,可使用多架无人机协同巡查[24],快速搜寻事故位置,进行应急处理,保障油气管道运营安全。

3 结束语

虽然目前无人机在石油石化领域的应用还存在一些问题制约,譬如民用无人机管理的政策法规和行业标准还需要政府的不断完善;还有，如果要应用到石油石化领域,不能仅仅是简单的移植,而是需要结合石油石化领域特色,研发定制专用的无人机应用产品和其相关的辅助设备。当然好的无人机理念、技术和设备也需要积极在石油石化领域大范围推广,这样才能降低成本,促进无人机在石油石化领域的发展,也助力石油石化产业的革新。随着相关法律法规的陆续出台,在现代科学技术的强力支持下,无人机以其出色的性能,在石油石化领域中必将占有一席之地。“无人机+石油石化”的应用发展模式不仅会促进石油石化产业的发展,也将会反作用于无人机产业,共同进步。未来的无人机在石油石化领域绝不会仅仅局限于管道巡检、地貌勘察、应急巡查这几个方面,随着互联网、大数据、云计算等高新技术的发展,无人机在石油石化领域中的应用前景必将得到充分体现。

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