管道內外檢測數據對齊在完整性評價中的應用

　　摘要：為充分挖掘管道內外檢測數據的有用信息，以管道內檢測數據為基準，將其與外檢測數據對齊，形成以位置信息為基準的內外檢測對齊數據庫，進而明確影響管道安全運行的主要因素。結合某天然氣管道的工程實例，利用內外檢測數據對齊方法實現了數據對齊和綜合分析，結果表明：該管道陰極保護狀態良好，土壤電阻率和交/直流雜散電流使外防腐層破損點處形成腐蝕的可能性小;開挖驗證證實在管道外壁存在金屬損失處和管道外防腐層有破損處未發現腐蝕行為。對齊后的內外檢測數據有利于研究管道外部環境對管道安全運營的影響，進而完善完整性評價體系。

　　關鍵詞：管道內外檢測;數據對齊;對齊模式;完整性評價

　　祝明; 姜曉紅; 李曉暉; 李春暉; 楊靜; 劉承磊 油氣儲運 2021-12-20

　　油氣管網的建設是保障國民經濟發展和促進人民生活水平提高的重要手段，為此國家先后建設了西氣東輸天然氣管道、中緬天然氣管道、中俄原油天然氣管道等重要油氣能源輸送通道[1-4]。管道是油氣管網中油氣運輸的主要載體，但隨著其使用年限的增加，出現泄漏和爆炸的風險不斷增大。為規避管道事故的發生，需定期開展管道完整性評價以排查管道中存在的風險，保證管道安全運營，做到防患于未然[5]。管道完整性評價通過持續不斷地獲取內外檢測數據，以對管道管體缺陷類型進行識別和風險評估，并采取相應的措施將風險控制在可控范圍[6-7]。管道內檢測數據是完整性評價的基礎[8-13]，管道進行一次內檢測可獲取缺陷的位置和特征，多輪次內檢測數據對齊可明確管道中存在的活性腐蝕，并分析缺陷產生的原因[14-18]。 Reber 等[19]采集多輪次管道內檢測數據，通過對齊分析建立了相應的腐蝕增長模型，并得出了管道缺陷的增長速率。Gu 等[20]通過多輪次內檢測數據對齊，計算出缺陷的增長率，同時對缺陷修復提出解決方案。姜曉紅等[21]通過多輪次內檢測數據對齊，找出了管道存在的各類缺陷，有效分析了缺陷形成原因，并提出了相應的防護措施。管道外檢測可對土壤電阻率和交/直流雜散電流干擾進行評價，對陰極保護效果進行評估，對管道防腐層的缺陷進行定位[12,22]。

　　利用漏磁檢測器實現的管道內檢測可準確采集管道管體缺陷的里程和周向位置信息，其位置精度高;利用人為手持檢測設備在管道上方實現的管道外檢測可準確獲取管道外部環境因素(土壤電阻率、交/直流雜散電流、陰極保護效果及管道外防腐層)對管道安全運行的影響，但其位置精度差[23-25]。管道內檢測和外檢測位置精度的差異使獲取的內外檢測數據難以實現位置匹配和有效利用。因此，有必要結合相應理論和專業技術軟件以實現內外檢測數據對齊[26]，從而滿足管道檢測數據再利用的生產需要，并結合工程實例，研究管道外部環境對管道安全運營的影響。

　　1 內外檢測數據對齊 1.1 對齊模式

　　內檢測采用漏磁方式采集管道特征及管體缺陷的里程位置信息。外檢測通常采用兩種方式采集管道外部屬性位置信息：①利用測試樁+相對距離定位管道外部屬性;②利用 GPS 定位管道外部屬性。相比于外檢測，內檢測記錄的里程信息精度相對更高。外檢測中的 GPS 定位精度比測試樁+相對距離方式的定位精度高，但其操作更復雜。通常，內外檢測數據對齊存在兩種組合模式(表 1)。

　　1.2 對齊方法

　　由于內檢測的位置信息或經緯度坐標的精度均優于外檢測，所以內外檢測數據對齊通常以內檢測數據為基準，以內外檢測數據對齊模式 2 為例說明其對齊步驟。

　　(1)管道外檢測數據的經緯度和高程坐標轉換為平面坐標。利用高斯坐標投影正算公式[27]求解外檢測管道某點 n 處的經緯度(L, B)對應的平面坐標(xn, yn)(式 1、式 2)，高程坐標 H 通過式(3)轉變為平面的 Zn 軸坐標。 ( , ) xn ? F1 L B (1) ( , ) yn ? F2 L B (2) zn ? H ? M ? D/ 2 (3)式中：F1 和 F2 分別為經緯度(L，B)對應的投影函數，m;M 為外檢測點 n 的埋深，m;D 為管道外徑， m。

　　(2)利用獲取的平面坐標計算相鄰外檢測點 n 和 n+1 之間的間距?Dn?1：? ? ? ? ? ? 2 1 2 1 2 n 1 n 1 n n n n n ?D ? x ? x ? y ? y ? z ? z ? ? ? ? (4)(3)利用線性插值法實現內外檢測數據對齊。根據管道里程上的特征坐標(測試樁、站場、閥室、彎頭或穿跨越等)將管道分成若干段，每一段的開始點和結束點之間一共有 m 個外檢測點，相鄰外檢測點之間的里程累加求和可得該段的外檢測里程(圖 1)。由于內外檢測獲取每一段里程的方法和精度不同，需要對每一段管道的內外檢測數據通過線性插值法對齊(式 5)。對齊后的管道缺陷具有其他的屬性信息，如外防腐層破損點、陰極保護電位、交/直流雜散電流、土壤電阻率等，后期利用這些屬性信息可實現缺陷的致因分析，進而提出缺陷的完整性管理解決方案。

　　式中：Sk和 Sk+1 分別為點 k 和點 k+1 對齊后的里程;?L 為外檢測點所在管段的內檢測里程; 為該段累加求和后的外檢測里程。(4)利用管道上固有特征對內外檢測數據對齊結果進行驗證。可選擇內檢測和外檢測都測量的管道固有特征(如閥室、站場、彎頭、管道穿跨越起始位置等)進行對齊結果的驗證，輔助判斷數據對齊的準確性。具體方法是里程誤差驗證： Δδ=La-Sa (6)式中：Δδ 為里程誤差，m;La 和 Sa 分別為管道固有特征點的實際內檢測里程和對齊后的里程，m。

　　2 完整性評價應用

　　基于上述對齊方法，自主開發了內外檢測數據對齊軟件，并確定了內外檢測數據對齊及其完整性評價的主要流程：①內外檢測數據輸入;②利用數據對齊軟件實現內外檢測數據對齊，并形成對齊數據庫;③ 基于對齊數據對管道安全運營情況進行綜合分析;④基于分析結果，制定管道維護和維修的解決方案。以中國某條天然氣管道為例進行了內外檢測數據對齊，基于對齊的內外檢測數據分析管道外部環境對管道安全運營的影響。

　　2.1 內外檢測數據對齊

　　該管道全長 176 km。內檢測時間為 2018 年，內檢測里程 173.6 km，采用漏磁方式采集數據，基于內檢測獲取了位于管道內外壁的缺陷。外檢測時間為 2017 年，外檢測里程 201.0 km，采用 GPS 方式采集數據，基于外檢測獲取了管道外防腐層破損點、土壤電阻率、交/直流雜散電流及陰極保護等的數據。借助內外檢測數據對齊軟件，整合得到對齊后的各類內外檢測數據，可知：管道外壁金屬損失點較少，且金屬損失深度均小于管道壁厚的 30%(圖 2);該管道的外防腐層破損點主要分布在 26~170 km(圖 3);陰極保護斷電電位均處于-850~-1 200 mV(圖 4);交流干擾電壓均小于 4 V，并且交流干擾電流密度絕大多數小于 30 A/m2，直流干擾土壤的垂直管道電位梯度值、平行管道電位梯度值及電位梯度值絕大多數小于 0.5 mV/m，管道受交直流干擾強度均為“弱”(圖 5、圖 6);該管道有 58 處土壤電阻率測量點的土壤腐蝕性等級評價為“弱”，有 91 處評價為“中”，有 36 處評價為“強”(圖 7)。

　　內外檢測數據對齊軟件進行數據預處理時，已考慮了由于外檢測數據采集方式不同所造成的誤差。在數據對齊完成后，需要對該管道沿線閥室和站場里程誤差進行統計，同時對內外檢測數據對齊結果進行驗證(表 2)，可知：所有在閥室和站場處的對齊里程誤差約為 1 m，滿足對齊精度的要求。

　　2.2 對齊數據的綜合分析

　　管道內外檢測數據對齊后，需要對其進行分析、整合及開挖驗證，以確定金屬損失是否存在活性腐蝕行為。從各數據沿里程分布圖可分析得出管道外壁的缺陷類型：若管道存在外壁金屬損失和防腐層破損，且陰極保護狀況欠保護或此管段存在交/直流雜散電流的情況，則管道此處缺陷可能會發展成活性腐蝕缺陷;若管道存在外壁金屬損失和防腐層破損，但陰極保護狀況良好，則管道此處缺陷可能為第三方造成的機械損傷;若管道防腐層和陰極保護狀況良好，但管體存在外壁金屬損失，則管道此處缺陷可能為管材制造異常。若金屬損失是活性腐蝕缺陷，則此點需要開挖并維修，否則需要在下輪檢測之前進行開挖調查或關注，并在下輪內檢測時關注此金屬損失是否增長。

　　由 2.1 節的檢測結果分析可知：通過高壓輸出電線和故障強電流等產生的交流干擾，以及由直流電運輸系統和直流電焊接等產生的直流干擾較弱，因此交/直流雜散電流不是管道外壁產生金屬損失的關鍵因素;管道周圍環境的大部分土壤電阻率較低，容易使管道外壁破損點處于易腐蝕狀態，若此時陰極保護不佳，則破損點處易于形成腐蝕，而通過檢測后發現管道全程處于有效保護狀態，可有效避免由于土壤電阻率較低而使外防腐層破損點處形成腐蝕的可能性。因此，在陰極保護處于有效狀態的條件下，土壤電阻率和交/直流雜散電流使外防腐層破損點處形成腐蝕的可能性小。

　　通過對比圖 2 和圖 3 可知，管道外防腐層破損點和管道外壁金屬損失點存在 3 種對應關系：①管道外壁存在金屬損失但管道外防腐層無破損;②管道外壁不存在金屬損失但管道外防腐層有破損;③管道外壁存在金屬損失且管道外防腐層有破損。對比這 3 種對應關系可知：管道外壁存在金屬損失且管道外防腐層有破損處最易形成腐蝕。根據檢測結果綜合評價等級以及可開挖性選取了開挖點，由管道外檢測獲取的開挖點腐蝕情況沿里程分布情況(圖 8)可知，通過開挖驗證并未發現第 3 種對應關系下存在腐蝕行為。因此，可以得出 3 種對應關系下均無腐蝕行為，說明該管道運行狀態良好，在現階段可有效安全運行。

　　3 結束語

　　提出了一種管道內外檢測數據對齊方法，從而充分挖掘內外檢測數據的有用信息，明確影響管道安全運行的主要因素，進而提出相應的完整性管理解決方案，完善完整性評價體系。以中國某天然氣管道為例，進行了內外檢測數據對齊，得到對齊后的外壁金屬損失、管道外防腐層破損點、土壤電阻率、交/直流雜散電流及陰極保護沿里程分布圖。通過分析可知，該管道陰極保護狀態良好，土壤電阻率和交/直流雜散電流使外防腐層破損點處形成腐蝕的可能性小;開挖驗證未發現管道外壁存在金屬損失處或管道外防腐層有破損處存在腐蝕行為。該管道運行狀態良好，在現階段可有效安全運行。在未來的研究中，可通過減小外檢測采樣間距和增加檢測設備的精度以減少對齊里程誤差，提高內外檢測數據的對齊精度。