信息化技术在天然气管道高后果区管理的应用

2024-03-05延旭博

山西电子技术 2024年1期

延旭博

(河北省天然气有限责任公司,河北石家庄 050000)

长输天然气管道具有压力等级高、途径地区复杂、输气任务重要等特点,一旦发生事故其影响范围和经济、人员损失都较为严重[1]。高后果区、高风险区域管道安全管理是预防和防范管道安全事故的重要区域。在管道高后果区的管理实践中,要定期对管道的内、外部风险进行识别、判断,同时通过各类技术手段的应用,实现管道安全管理模式从“被动应对”转向“事前预防”,最大限度的控制风险、防范事故发生,保证管道的安全运行。

随着信息技术的发展,其在油气储运领域已逐步开始应用。特别是AI识别、GIS、4G/5G网络通信技术、边缘计算、大数据、光纤预警等技术的成熟,很多企业也开展了应用的探索。本文浅要地介绍了新一代信息技术在天然气管道高后果区管理的应用,同时介绍了现场应用中的一些问题和对策。

1 高后果区的定义和特点

1.1 高后果区的定义

高后果区的概念由《油气输送管道完整性管理规范》(GB32167―2015)提出,其中对高后果区的定义是指管道泄漏后可能对公众和环境造成较大不良影响的区域。该规范还明确了高后果区的判断方法、分级、识别周期等管理的基本要求。

1.2 高后果区的特点

阶段性变化是高后果区的主要特征之一。随着管道周边人口和环境的变化,高后果区的位置和范围也会随之改变。

如某管道A途径市区段有大量的违章建筑,为汽车配件市场,人员密集,经识别为Ⅲ级高后果区。近期政府大力进行违建的拆除工作,拆除了管道周边的违建和临时建筑,经过再次识别,其风险等级降至Ⅰ级。而管道B途径某经济开发区,在开发区刚成立时管道周边几乎全部为农田,不属于高后果区,近年来随着规划的落实和企业入住,其周边建筑、企业不断增加,风险等级不断增加,为此,企业对该段管道进行迁改以避免高风险区的形成。

1.3 高后果区管理难点

第三方破坏是高后果区管道事故的主要原因。特别是近年来,随着工程机械的普遍应用,由第三方施工如顶管穿越、春耕、种树、挖掘机开挖等造成管道破坏越来越高发,占到了管道事故的70%以上。高后果区本身处于周边企业、人员较为密集的区域,周边各类施工的频率也远高于一般地区。

高后果区的管道定期巡护是天然气储运企业管理的重点之一,也是防范第三方施工破坏的重要措施。以往采用人工定期巡检的方法,虽然起到了一定的效果,但人工巡检存在工作量大、耗时长、可溯源性差,已不能满足新时代对高后果区管理的要求。

此外,随着管道运行年限的增加,管道原有防腐材料老化、脱落,特别是早期环氧粉末防腐的管道,其内外腐蚀的风险不断增加,需要进行定期的监测。

2 视频监控技术

2.1 视频监控简介

视频监控是管道高后果区管理中常用的一种技术,主要应用有2种,一是通过在天然气管道沿线布置高清摄像头,对管道周边情况进行监控,发现问题及时处理,摄像头可以配备喊话等功能,对进入管道周边的人员及时劝离;二是在高后果区周边存在第三方施工时,在现场架设临时摄像头,进行全程影像记录。

图1 管道高后果区视频监控

2.2 视频监控的问题及对策

1) 数据处理问题。传统的视频监控虽然解决了对现场的监控问题,但实际上只能在现场发现异常后再查询录像,或者通过集中监控的方式对视频进行监测。事后对录像的查询往往占用大量的时间和精力,获取有效信息的效率很低[2]。随着高后果区的增加,视频监控系统往往同时存在数十路乃至更高数量级别的视频,其数据量巨大,监控工作非常繁重,仅通过人工难以有效的识别其中的风险,海量数据的有效利用成为新的问题。这种情况下,运行人员的现场工作量并没有得到减轻,还额外增加了对视频的监控工作。

2) 功耗问题。由于长输天然气管道的路由一般都在野外,接入220 V市电相对困难,设备需要采用太阳能供电。实现设备的24 h监控,就必须保证太阳能供电系统的容量及可靠性。特别是在尘土较多的地区,太阳能供电板污染会导致其供电能力大大下降。此外,还需要考虑其经济性和安全性问题。增加太阳能板及蓄电池容量可以增加设备在极端天气下的工作时间,但是这会带来更大重量、载荷,对杆体的稳定性等都会有较大的影响,由此增加杆体的基础施工,需要进行详细的核算和经济核算。

3) 安全问题。为了保证摄像头良好的视角,保证监控范围,摄像头往往要安装在较高的监控杆上。监控杆在使用中,不可避免的要进行维护和保养,如果杆体高度超过2m,就会涉及高处作业问题,需要相应的资质才可以操作。此外,由于监控杆本身较高,一般可达十米左右,其安装基础也是需要重视的问题,虽然监控杆生产厂家都会提供设备的基础图和安装图纸,但是并不能保证其广泛适用性,特别是长输天然气管道途径的地形地貌往往较为复杂多变,其可靠性和稳定性都存在风险。

4) 网络通讯问题。视频监控布置在野外现场,往往没有专线网络,高清视频回传会消耗大量的流量,成本较高。

2.3 视频监控问题的对策

1) 边缘计算技术的发展为解决上述问题提供了新路径。通过将现场摄像头接入边缘计算设备,在边缘计算设备中应用AI分析技术,对视频进行分析,提取目标,包括各类工程机械、可疑人员逗留、周界入侵等,并对提取出来的事件信息和视频数据进行记录,从而达到实时报警和有效视频检索的目的。在通讯方面只对存疑和报警的现场视频、照片进行推送传输,降低了运行人员的工作量,节约了流量数据。

2) 在设计中应对视频监控杆进行优化设计,尽量将配电、通讯模块布置在杆体的下部方便人员检修的高度,如确实无法满足情况,应考虑将杆体的附属设备设计为可通过滑轮等整体下降的方法,或将杆体设计为可折叠式,方便人员检修,避免高处作业风险。在监控杆安装过程中,要注意周边环境和车辆、人员安全,起吊作业要持证人员专人指挥,吊装前确认吊车及吊具、锁扣均能满足综合监控杆负荷。

3) 监控杆杆体及其基础应由专业设计院结合现场地质情况具体设计,除考虑杆体及附属设备的自重外,还需要考虑杆体承受的风载荷等。

3 阴极保护远传技术

3.1 阴极保护技术简介

阴极保护系统是长输天然气管道的重要组成和腐蚀控制的关键,其基本原理是通过电化学原理,向被保护的金属结构(钢制管道)施加外加电流,使得其成为阴极,抑制腐蚀过程的电子迁移,从而控制腐蚀速率在较低的水平。阴极保护系统的缺陷将会增加管道腐蚀的风险,特别是对于高后果区的管道,其腐蚀风险控制尤为重要,为此,需要定期检查阴极保护系统运行的参数,即电位数据,以判断其是否在合格范围内。以往采用人工定期测量阴极保护系统的电位数据,存在的弊端如下:

1) 因人工采集数据占用时间较长,往往以一个月为周期采集一次数据,当发现阴极保护数据异常时,往往无法判断异常出现的时间,无法指导故障的排查。

2) 人工记录的数据不便于电子化存档和分析,无法对阴极保护系统的运行趋势做出预判。

人工测量数据的准确度与操作人员的熟练度有很大关系,误差较大。

3.2 阴极保护数据远传技术

阴极保护数据远传技术是将采用单片机控制的电路,配套各类试片,可同时采集阴极保护系统的通电、断电(极化)电位及杂散电流干扰参数,并通过4G网络传输至云端服务器。

图2 阴极保护数据远传示意图

通过阴极保护数据远传改造,可以节约大量的人力,同时数据的采集频率可按需设置,特别是在发现系统受各类杂散电流干扰的工况下,可及时提高采集频率,实现对干扰的有效监控,运行人员可以将更多的精力投入到数据的分析和故障排查治理中,提高了阴极保护系统的可靠性。

3.3 阴极保护数据远传的现状和改进

阴极保护数据远传技术解决了人工测量工作量大、周期长、精度低的问题,但是还存在一定的问题。

1) 不同厂家的阴极保护远传系统的传输、存储和协议不统一,数据往往存储在厂家自己的服务器上,为后期数据的统一规划利用造成困难。解决方法是由管道运行单位统一建设数据中台和数据管理系统,提供标准化的数据协议,实现不同厂家的阴极保护远传设备的统一通讯和展示分析。

2) 远传采集设备电路复杂,一旦发生故障只有报警提示,无法说明故障的具体原因,需要运行人员现场排除。

3) 阴极保护数据远传大大增加了阴极保护数据的采集频率,但国内主流的系统仍然停留在简单的阈值报警、折线图展示等较为直观的功能,无法真正实现智能分析的功能。随着大数据技术的发展,如何对数据合理的利用分析是未来的研究重点。

4 漏磁内检测技术

4.1 漏磁内检测

管道漏磁内检测技术(MFL,Magnetic Flux Leakage)的基本原理是给一个导磁被测件施加外部磁场后[3],由于被测件近表面几何的不连续导致被测件外磁场局域性的扰动,该扰动的变化可以反过来判定缺陷的位置与尺寸信息。

图3 漏磁检测原理

检测器在管内运行时,利用其上安装的永久性磁铁将管道管壁饱和磁化,当管壁存在缺陷时,磁力线会穿出管壁产生漏磁[4]。主探头拾取金属损失处的漏磁信号,ID/OD探头能够区分管道内壁和外壁金属损失缺陷。里程轮系统实时记录管道里程信息。内检测中的地面标记系统记录检测器通过设标点上方的准确时间,结合所采集的管道里程信息,可以精确确定管道金属缺陷所在管道的里程位置,方便进行开挖和修复。

4.2 漏磁检测在高后果区的应用

漏磁内检测技术是唯一能够采取非开挖方式检测管道本体缺陷(如腐蚀、裂纹、机械破坏、焊缝异常、变形)的方法。这类缺陷无法通过外检测的方法发现,且如果采取措施控制,往往会造成如泄露、开裂等严重的损失。

通过对高后果区管道实施漏磁内检测,可以获取管道本体状况信息数据,特别是金属损失信息,这对于管道安全运行尤为关键。结合材料与结构可靠性等分析,可以对管道的安全状态进行全面评价,将严重的金属损失找出并加以整治,运用完整性管理将管道风险控制在可接受范围,就可以避免事故的发生。

4.3 漏磁内检测的难点

漏磁内检测技术在国内已经过了长期的现场应用,但仍存在一定的难点。

1) 漏磁内检测技术对管道及工况均有一定的要求。首先,受检管道的两侧要设有首发球筒,才能实现检测器的放入和取出;其次,检测器在管道内依靠气流推动,要保证检测的精度,检测器的运行速度要在1～3 m/s之间,球速过快将导致精确度下降,球速过慢则容易发生卡球事故,作业风险较高。这就要求检测期间气量平稳,压差合理,对运行调度人员的经验和理论技术要求较高。

2) 数据分析工作量大。漏磁检测技术对数据分析人员的技能要求较高,如果分析人员经验不足或水平不够,分析结果就会有较大误差。同时,对一段管道的内检测往往有上万条数据,人工处理工作量较大。目前已有研究人员探索使用AI识别方法自动判断缺陷的类型、大小、位置等信息,并取得了较好的成果。此外,漏磁检测的数据因为含有管道里程、坐标等敏感信息,需要进行一定的加密处理。

3) 焊缝缺陷评价问题。长输管道由钢管通过焊接链接而成,焊缝的质量是影响管道安全的重要因素。漏磁检测虽然可以对焊接过程中的未焊透、过度打磨等金属缺陷进行识别,但由于焊缝的外观本身具有不规则性,给数据分析带来了极大的难度,导致焊缝的缺陷评价一直是业内的难点。生产中发现部分漏磁检测技术评价为有缺陷的焊缝,经过现场开挖和射线检测质量并无问题的现象。因此,对焊缝缺陷的检测和评价是亟待解决的问题,目前国内已开展了电磁超声、电磁涡轮等技术在焊缝评价的试验[5]。