天然气长输管道抢修作业数字化展望

王志方

[摘    要] 随着国内天然气需求量的快速增长，天然气长输管道的运行保供任务越来越重，对管道抢修作业的时效性也提出了越来越高的要求，实现抢修作业数字化越来越迫切。作业数字化不仅缩短抢修时间且大幅提高作业质量和作业安全。文章以管道换管抢修作业为例，在分析目前作业过程的基础上提出了各工序实现数字化的可行性和方向，为抢修作业信息化、自动化、数字化的研究提供了指导。

[关键词] 天然气管道;抢修;换管作业;数字化

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 19. 043

[中图分类号] F270.7    [文献标识码]  A      [文章编号]  1673 - 0194（2020）19- 0103- 02

1      引    言

随着我国经济的发展，國内天然气需求量快速增长，长输天然气管道建设步伐加快。随着管线钢技术不断进步，采用大口径高钢级管道进行高压输送，在有效增加了天然气输量的同时，也给管道抢修带来了更多的挑战。管道由于腐蚀、第三方、施工质量、管道材质等问题发生失效[1]，为了快速恢复生产需用最短的时间高质量完成修复，一旦发生泄漏往往采用换管的方式[2]。为了降低抢修对管道输量的影响，对抢修作业的时效性提出了更高的要求。传统手工操作为主的作业越来越不能满足需求，特别是对于大口径、高钢级管道的换管抢修作业。随着大数据、云计算、物联网、人工智能的应用，以及智能管道、智慧管网的建设，抢修作业数字化的需求越来越迫切。

抢修作业数字化包括抢修作业方案的确定、抢修物资、人员的调拨和作业工序等复杂多变的信息转变为可以度量数据，通过数字化模型进行统一处理后给出最优的解决方案[3]。以换管作业为例，某处管道发生失效后，通过抢修作业数字化平台给出抢修作业方案并确定抢修需要的物资、人员以最快的速度到达现场，针对换管作业的各个工序[4-5]，作业坑开挖、断管吊离、测量、下料、组对、焊接、检测全过程通过数据的自动采集上传至数字化平台进行处理，数字化平台给出具体方案反馈到作业现场，作业现场接到指令后进行作业，作业过程通过数字化平台进行数据的收集、现场可视化监控和纠偏，最后实现用最短的时间高质量的完成作业过程。

2      抢修作业数字化平台建设

搭建抢修作业数字化平台的目的是发生突发事件后可以快速确定抢修方案及物资、人员调拨的最优方案[6]，对作业过程信息和数据进行采集，通过数据库进行储存，通过数据的统计分析，对作业工艺及设备参数进行处理、整合、分析，反馈并优化施工工艺和设备参数，达到作业过程的整体优化。通过人机交互界面远程操作和监控作业过程，使作业过程安全受控。

3      换管作业过程数字化

3.1   作业准备

当管线发生泄漏等突发事件并启动应急响应后，换管抢修作业顺利进行的前提是抢修方案的确定、物资和人员的及时到位、现场作业环境满足要求。根据抢修方案通过数字化平台快速调拨所需抢修物资和人员，并实时跟踪动态进展。在物资和人员调拨过程中，同时进行现场作业坑的开挖、供电和夜间照明、指挥部的搭设等工作，通过无线通信将现场画面实时传递到抢修作业平台，同时抢修作业平台监控的画面和数据在应急通讯车设置监视终端，为现场指挥提供辅助决策。

3.2   断管吊离

管线完成放空和氮气置换后，现场开始进行受损管段的断管吊离，断管的方式目前有冷切割和火焰切割，使用火焰切割必须确认管道内无凝析油以防发生爆燃，冷切割的方式目前有铣刀、钻铣、金刚石绳锯、水刀等，切管机通过控制器都可以实现数字化。受管道应力的影响，怎么能够快速安全地把受损管段切掉并顺利吊出，目前一般采用人工抽条的方式，即在切割两道口后管段受到应力作用无法取出则增加切割一道进行抽条，实现抽条和切割的一体化。数字化控制既可以提高作业效率，又可以降低管道断开瞬间应力释放期间的风险。同时对管道应力的准确测量和断开后释放的预测，也是目前断管作业迫切需要解决的安全问题。

3.3   测量下料

精准测量是换管抢修作业顺利完成的关键工序之一，目前普遍还是采用人工拉线、尺子测量和互相测量验证的方式，测量准确度取决管工的技能水平和责任心。如果遇到弯管和弯头的情况，精准的测量计算和下料耗时长、易出错。当前有些抢修队已尝试使用三维激光扫描测量，通过三维激光扫描仪对断管后的管口进行整体扫描，通过软件进行处理得到管口及管口间的三维数据，再通过软件进行计算得到需要下料的数据和尺寸，测量和计算快速准备，将测量计算软件与抢修作业平台关联就可以远程监控作业过程，是实现测量计算数字化的方向。

准确的测量计算数据是下料的依据，目前下料作业普遍使用火焰切割机在新管材和管件上进行切割，且利用爬管式数控管相贯线火焰切割机可实现数字化操作，但是切割后管工的打磨量比较大。将测量后计算的数据通过控制系统与机械切管机联动实现数字化快速机械切割，则是实现下料自动化、数字化的研究方向之一。将数控机床搬运到抢修现场受大口径管道尺寸的影响，实现起来较困难，利用钻铣和铣刀切管机进行数字化改进再应用到抢修作业现场会更快捷。

3.4   组对

抢修期间管口的组对质量直接影响焊接成功率和焊接时长，但又受管道应力、管口椭圆、壁厚差等各种因素的影响，目前抢修作业的组对往往借助于外对口器、挖掘机等设备来解决，再通过管工的反复打磨和调节，组对时间长、质量差，由此实现组对的自动化、数字化是非常迫切的，但是实现组对的数字化技术难点多，以更换管道短节为例，将切割后的短节放入自动升降和自动轴向移动的平台上，两端通过自动液压外对口器进行组对，组对管口间隙、错边量及椭圆度要通过激光三维扫描仪进行确认，扫描后的数据通过抢修作业平台控制系统再反馈到自动液压外对口器，反复自动调整将可实现组对数字化，当然这需要现场的大量实践才能真正地达到组对精度要求。

3.5   焊接

实现焊接过程的数字化首先想到的是全自动焊，目前大口径、高钢级长输管道施工已普及适用全自动焊，但是由于全自动焊对焊口组对质量要求高，在实际抢修作业过程中比较难实现，由此目前的换管抢修作业焊接工艺一般采用氩弧焊打底、半自动焊填充的方式。针对氩弧焊和半自动焊工艺可以通过焊接参数的采集与焊评的对比分析进行作业过程监控，监控平台发现问题及时反馈到现场作业指挥人员和作业人员，从而实现质量监控，但是无法直接反馈到焊机进行焊接参数的自动调整和优化。如果应用全自动焊就可以实现焊接过程的數据采集、反馈和自动调整优化，不仅提高焊接质量和成功率，更是缩短了焊接时间。由此，抢修作业采用全自动焊工艺是实现数字化的发展方向，同时全自动焊还需进一步提高数字化程度，如焊口组对质量适应性、焊弧的跟踪和微调等。

焊接前的预热目前已经普遍推广使用中频加热器，不管是进口的还是国产的中频加热器都已实现数字控制加热速率和加热温度，通过温度传感器与中频加热器的连接，已实现自动加热，将中频加热器的数据上传至抢修作业平台即可实现远程监控。

焊接前的消磁目前已推广使用大功率消磁机，利用高斯计进行磁场强度测量，通过操作人员反复调节消磁机进行消除，但耗时长且有时无法全部消除。对组对后管口间磁场规律的研究是实现消磁自动化、数字化的基础，掌握了磁场规律后利用抢修作业平台将数据反馈至消磁机实现数字化调节。

3.6   检测

焊接完成后焊道的无损检测是确定抢修后能否及时恢复生产的关键。目前抢修作业已经推广使用DR检测，但是数字化影像还得通过评片员反复地观看才能找到缺陷点，再依据标准进行评价，评片的速度取决于评片员的能力和经验，将数字化影像底片上传到抢修作业数字化平台，通过专家决策系统进行自动评价是检测数字化的发展方向，既可缩短检测时间，又减少了人员的误判。

4      小    结

目前的抢修作业还是以手工操作为主，一些信息的采集只是独立地存放在计算机系统内，缺乏专业系统进行融合和处理。通过近几年智能管道和智慧管网建设的发展，抢修作业正逐渐向数字化迈进，搭建数字化平台，对数据和信息进行集成和整合，对作业过程进行自动控制。但是受抢修作业环境的复杂性和设备自动化程度的影响，距离数字化、智能化还有大量的技术难题需要攻关，如数据、知识、经验与自动控制相融合，专家经验辅助管理和决策指挥系统，作业过程自动感知、预测、控制和处理，系统自我改进与过程的持续优化等。

主要参考文献

[1]曹根苗.关于长输油气管道应急抢修技术的研究[J].化工管理，2020（3）：87-88.

[2]寇振东. 石油天然气管道泄漏抢修技术研究[J].中国石油和化工，2016（10）：56.

[3]谭伟业.浅谈管道数字化与智能化[J].中国管理信息化，2014（18）：45-48.

[4]徐葱葱，姚学军.中俄天然气管道抢修关键点标准对比分析[J].石油工业技术监督，2018（1）：31-33.

[5]吕文全.长输管道换管抢修作业工艺研究[J].化工管理，2017（3）：83.

[6]吴昀.天然气长输管线应急抢修决策支持系统的构建[J].现代工业经济和信息化，2017（14）：23-25.