董紹華 葉迎春 劉宗奇 宋頂

中國石油大學(xué)（北京）管道技術(shù)與安全研究中心

為確保油氣管道安全運(yùn)行，中國石油大學(xué)（北京）管道技術(shù)與安全研究中心在管道完整性管理的基礎(chǔ)上，結(jié)合大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，開發(fā)了管道智能一體化監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對引起管道失效的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測、處理、預(yù)測與報警，有效地提高了管道的安全管理水平。系統(tǒng)在開發(fā)過程中應(yīng)用了多項標(biāo)準(zhǔn)，如GB32167―2015 《油氣輸送管道系統(tǒng)完整性管理規(guī)范》Q/SY 1672―2014《油氣管道沉降監(jiān)測與評價技術(shù)規(guī)范》SY/T688-011《油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險管理技術(shù)規(guī)范》等。

1 管道智能一體化監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

管道技術(shù)與安全研究中心長期開展油氣管道失效原因分析，在大數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上提出了管道智能監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)，研發(fā)了數(shù)據(jù)采集設(shè)備，開發(fā)了管道智能一體化監(jiān)測系統(tǒng)，形成了一系列關(guān)鍵技術(shù)。

（1）管道監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)

對管道安全影響較大的監(jiān)測參數(shù)包括應(yīng)力監(jiān)測、變形監(jiān)測、溫度監(jiān)測、位移監(jiān)測、陰極保護(hù)電位監(jiān)測、泄漏監(jiān)測、視頻監(jiān)測等（圖1~6）。

圖1振弦式表面應(yīng)變計

圖2振弦式土壓計

圖3振弦式水壓計

圖4管道沉降測量

圖5視頻監(jiān)測

圖6管道泄漏監(jiān)測

（2）油氣管道在線監(jiān)測信號采集技術(shù)

開發(fā)了應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測傳感器、土壤壓力監(jiān)測傳感器、地層水壓力監(jiān)測傳感器、土體變形監(jiān)測傳感器，實現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測參數(shù)的采集�；�于硫酸銅參比電極實現(xiàn)了對陰極保護(hù)電位的實時采集。基于加速度計采集振動信號，研究基于振動的管線位移計算方法。建立管道關(guān)鍵點(diǎn)視頻監(jiān)控技術(shù)，并對異常事件進(jìn)行撲捉、識別和判定。

（3）管線監(jiān)測信號數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳輸關(guān)鍵技術(shù)

針對不同類型輸出和采樣要求，研究多參數(shù)、多通道統(tǒng)一采集技術(shù)，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效自動采集（圖 7）�；�于4G傳輸方案，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)測。開發(fā)采集設(shè)備并集成通訊模塊，通過移動通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控端與采集儀連通，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

圖7采集儀封裝和安裝

（4）管線風(fēng)險智能評價及安全預(yù)警技術(shù)

基于管線監(jiān)測數(shù)據(jù)特征及其集成管控模式，形成了監(jiān)測數(shù)據(jù)平滑處理方法，解決了因環(huán)境、人為、管理等因素影響下存在的異常數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)缺失問題，使其形成完整的監(jiān)測數(shù)據(jù)序列，符合監(jiān)測數(shù)據(jù)整體統(tǒng)計特性。分析監(jiān)測參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，結(jié)合管道評價模型，實現(xiàn)了對風(fēng)險的智能評價。在監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上，建立了適用于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的風(fēng)險動態(tài)趨勢預(yù)測預(yù)警分析模型，結(jié)合實時預(yù)測結(jié)果與所在時段監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征實現(xiàn)管線運(yùn)行變化趨勢的動態(tài)預(yù)警。

2 系統(tǒng)模塊組成

系統(tǒng)整體由數(shù)據(jù)智能感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸及管線智能監(jiān)測等三層構(gòu)成，如圖8所示，采用B/S結(jié)構(gòu)。

（1）智能感知

系統(tǒng)可實時采集應(yīng)力、變形、溫度、位移、陰極保護(hù)電位、泄漏、視頻等監(jiān)測信號，建立了管道失效形式與監(jiān)測信號相對應(yīng)的模式庫，挖掘了不同信號之間的內(nèi)在聯(lián)系，由異常情況驅(qū)動進(jìn)行智能感知。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)開發(fā)，利用4G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建數(shù)據(jù)分布式采集、傳輸結(jié)構(gòu)，監(jiān)測信號統(tǒng)一回傳中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，集中分析終端顯示。

（3）智能監(jiān)測

管道智能一體化監(jiān)測包括地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測模型、陰極保護(hù)電位監(jiān)測模型、泄漏監(jiān)測模型及風(fēng)險動態(tài)評價與趨勢預(yù)測預(yù)警模型四個主要模型，實現(xiàn)對管道運(yùn)行狀況實時監(jiān)測，實時動態(tài)風(fēng)險評價和風(fēng)險變化趨勢預(yù)警。

圖8 管道智能監(jiān)測一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

3.1系統(tǒng)功能

基本功能包括監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集、預(yù)處理及管理，異常識別和報警，管線風(fēng)險評價及預(yù)測等功能（圖 9）。

圖9 管道智能監(jiān)測一體化系統(tǒng)界面

3.2系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）多參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測

系統(tǒng)終端設(shè)備可對管道的應(yīng)變、土壤的壓力、孔隙水壓、土壤傾斜度、管道沉降、溫度、陰極保護(hù)電位、泄漏和視頻等多種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果通過4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制端，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

（2）信號采集設(shè)備工作效率和可靠性高

采集設(shè)備可對兩類輸出信號(頻率信號和電信號)的22個探頭數(shù)據(jù)進(jìn)行自動采集，結(jié)構(gòu)簡單可靠、地面無外露物，實現(xiàn)無人看守自動智能采集和遠(yuǎn)程傳輸。系統(tǒng)充分考慮了防盜防水，通過改進(jìn)單片機(jī)工作原理延長了系統(tǒng)硬件待機(jī)時間。

（3）功能強(qiáng)大

可以對地質(zhì)斷層、地裂縫、山體崩塌、滑坡、泥石流、黃土濕陷、沖溝、地震、河流沖蝕、采空區(qū)等地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測。實現(xiàn)管道泄漏監(jiān)測和定位，基于電位監(jiān)測可以評價陰極保護(hù)效果�？梢詫Νh(huán)境進(jìn)行有害氣體監(jiān)測和視頻監(jiān)測等。

（4）自動化程度高

監(jiān)控軟件適用于遠(yuǎn)程監(jiān)控，實現(xiàn)自動監(jiān)測、自動調(diào)整采樣頻率、自動報警。部分參數(shù)（如報警策略、報警方法）可以由用戶自行設(shè)置，用戶實行分級管理�？烧{(diào)整報警限值，而系統(tǒng)可根據(jù)報警信息自動調(diào)整監(jiān)測策略。

（5）系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

（6）監(jiān)測系統(tǒng)安裝簡便，不破壞管道的受力、防腐結(jié)構(gòu)。

（7）基于管道監(jiān)測數(shù)據(jù)可進(jìn)行管道風(fēng)險動態(tài)評價和風(fēng)險動態(tài)預(yù)測。

4 未來展望

本系統(tǒng)的應(yīng)用可以全面提升管線的安全管理水平，對異常事件及時響應(yīng)，并進(jìn)行風(fēng)險智能判定，提升管線防護(hù)水平�？蓪�管道運(yùn)行環(huán)境變化進(jìn)行長期跟蹤，實現(xiàn)對管道異常情況的預(yù)警，具備良好的推廣前景。

《管道保護(hù)》2018年第4期（總第41期）