无人机技术在管道维护方面的应用

金 博，邓宝刚，王卫华，汪 超

（渤海装备南京巨龙钢管有限公司，江苏南京 210061）

0 引言

据估算，世界范围内的油气管道大约有124 万英里（200 万千米），比如欧洲就有8.7 万英里（14 万千米）。传统的管道维修方式已不能适应时代的需要，目前使用远程控制的机器人或清管器巡逻管道并进行内部检查已成为司空见惯的事情。

当前，管道行业可以购买各种各样的自动化、管理、监控、维修和提高管道基础设施和运营安全的技术。现代管线技术包括空中和海底无人机、机器人、传感器网、人工智能、软件、云计算等。包括北美、亚太、欧洲、中东、非洲和南美在内的全球油气管线和运输自动化市场，预计在2021 年至2025 年间增加约7.424 亿美元。

1 外部监控

在全球范围内，管道开发商和运营商，包括英国石油（BP）、壳牌（Shell）和埃克森（Exxon）都在利用轨道卫星、空中和海底无人机，实时监控管道的状况。空中监测非常适合探测地质灾害，例如山体滑坡、地震或河流侵蚀，不仅可以探测特定管道走廊沿线的某些地理区域，还可以探测意想不到的地方。移动平台这种带有热成像技术和传感器的有效载荷的空中无人机可以探测和监控地面微小的移动，即使每个月只有几毫米的移动也能探测到。虽然它需要地面人员掌握大量地质和技术知识才能监测这些灾害，但卫星和无人机技术可以迅速定位和识别这些威胁，因此对于确保管道安全运营至关重要。领先的管道无人机监控供应商有英国的Telespazio 公司，芬兰的ICEYE 公司和荷兰的Orbital Eye 公司。格拉斯哥的Balmore 公司，马萨诸塞州的Sky X 公司和纽约的ULC 机器人公司也提供无人机监控的相关服务项目。此外，根据巴黎协议，移动平台供应商正在采用替代燃料，包括为无人机提供液化天然气和氢燃料电池，以及各种混合技术，以延长无人机在空中飞行的时间和距离。

2 维修机器人

传统的管道维修方式是先让技术人员定位并确认需要修补的位置，然后再派出维修队进行修补作业。在过去的10 年左右，使用远程控制的机器人或清管器巡逻管道并进行内部检查已成为司空见惯的事情，远程控制机器人检查管线内部情况如图1 所示。

图1 远程控制机器人检查管线内部情况

目前第一代清管器的性能有所增强，配备有一系列传感器、摄像机和工具以便根据需要对维修项目进行定位、识别并进行修补作业。通常，这种清管器可以清理管道、修补并密封管道内的裂纹，从而切断潜在的泄漏。这样就省得派人去挖管道了。使用最先进的清管器定期检查和维修管道节省时间和资金。在某些情况下，使用机器清管器可以避免管道停工修理的巨大费用和破坏。

总的来说，使用机器人挖管道比施工人员更安全，它还能让员工远离管道中的有害物质。

3 HDS 技术

HDS（High frequency Dynamic Sensing，高频动态传感）技术将成为管道监控的新的全球标准。HDS 使用专门的光纤（不要与电信光纤混淆）沿管道全面布置，以便检测潜在和实际的泄漏，甚至微小的针孔漏点都能检测到。HDS 技术适合应用在原油、沥青、天然气、提炼产品和废水管线中。在实践中，传感器沿着有通行证的管线，在自给自足的传输站收集和分析数据。

“事件数据”有时是通过无线方式，安全地传输到操作员的控制中心。被确认的警报，如完成了精准定位的音频文件和相关的应变和温度测量，将在几秒钟内到达控制中心。这些技术可以识别管道泄漏的特征，如山体滑坡、地震或洪水等地质工程事件，以及附近的挖掘、干扰活动和森林火灾等安全侵入事件。加拿大领先的管道运营商Enbridge 管道，是HDS 技术的领先使用者。

4 云计算

越来越多的石油和天然气管道运营商正在利用云计算作为处理和分析海量数据的手段，以提高管理生产力和安全性，从而降低成本和降低风险。比如传统的计算需要几个月的时间来开发和分析一个“如果”情景，云计算的威力使运营商能够在几天内研究多组“如果”情景。通过云计算进行数据分析更加快捷、廉价，并且有助于改进管理决策，机器人检查管线外焊缝的缺陷如图2 所示。

图2 机器人检查管线外焊缝的缺陷

此外，现在可以使用基于云的处理和分析将动态实时数据与静态基础设施数据相关联。一个高价值、高影响的案例是地震期间地震数据到管道位置的映射。这在俄克拉荷马州尤其有价值，该州有超过70 000 km 的国家管理的管道，而且最近地震活动越来越频繁。现在，俄克拉荷马州的管道运营商可以立即实时评估地震的严重性和深度，如果有必要，通知监管人员，监管人员可以反过来警告和通知管道完整性专家，需要迅速检查和修理以防止泄漏或破裂的地点。

云计算还可以降低勒索软件攻击的有效性，比如最近发生的侵入殖民地管道的事件，该管道不得不暂时关闭。向管道运营商提供基于云计算的服务的供应商包括总部位于西雅图的亚马逊子公司AWS 云服务、微软子公司Azure 和总部位于伦敦的OMS 公司。

5 地理空间解决方案

管道开发人员经常使用地理空间管道路由软件来确定新的或更换基础设施的替代管道路线。这项技术对于通过分析管辖权、环境和土地所有权数据来评估许可要求是无价的。

此外，确定管道建设方法、所需材料和土地购置费用估计数的穿越和影响报告的详细内容可以下载。这种专业软件有助于识别和减轻环境、政治、考古和社会风险的重新安排和维护项目。评估管辖区内的挖掘或管道更换许可要求、土地所有权和地质特征（如洪泛平原）的能力，只需按一下按钮就可以彻底改变管道路线的规划、建设和维护。

提供管道路由软件的公司包括Terracon 子公司、总部位于密苏里州的Pivvot、总部位于不列颠哥伦比亚省的Trimble TILOS 管道管理软件以及总部位于挪威的DNV。客户包括奥杜邦、管道完整性工程师有限公司和金利·霍恩等工程咨询公司。

现代技术减少了外地工作的时间，便利了桌面站点评估、综合外地数据收集备选办法和获取专家专题说明的能力，这些技术将帮助各国升级、修复或更换其老化的管道。

随着新的管道项目变得越来越复杂，这套新技术将被证明对于降低成本、提高生产效率和满足更严格的环境法规的努力是无价的。

6 机器人在钢管检测中的安装及布置

机器人在钢管检测中的安装及布置主要是通过全景摄像机为4 个摄像头，按360°均布结构，尾端按摄像机安装接口制作带有3 组照明灯带的摄像机安装支架，支架的另一端与检测悬杆安装连接，摄像机及灯带线缆由相机支架出线后，顺检测悬杆穿杆布置到尾座接入。机器人自带摄像头及灯带在钢管检测的安装布置如图3 所示，机器人的全景摄像机及灯带支架在钢管检测如图4 所示。

图3 机器人自带摄像头及灯带在钢管检测的安装布置

图4 机器人的全景摄像机及灯带支架在钢管检测示意

7 机器人的视觉检测传感器

机器人的视觉检测传感器是采用一个相机同时实现面成像与深度测量，由面成像相机和深度测量相机组成；面成像器件是由面阵相机及相应的照明装置或线阵扫描相机及相应的照明装置组成；深度测量器件由结构光组成，机器人的视觉检测传感器如图5 所示。

图5 机器人的视觉检测传感器

8 结束语

HDS 技术将成为管道监控新的全球标准，它使用专门的光纤沿管道全面布置，能检测到微小针孔型的漏点。云计算能够在几天内研究多组“如果”情景。且通过云计算进行数据分析更加快捷、廉价，并且有助于改进管理决策。地理空间管道由软件用来确定新的或更换基础设施的替代管道路线。该项技术对于通过分析管理、环境保护等数据来评估许可要求是无价的。