李艷麗 胡 軍 郝 林 申得濟(jì)

（中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司）

近年來，中海油不斷探索海上平臺(tái)的智能化改造和無(wú)人化管理， 充分利用現(xiàn)代的自動(dòng)化、通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)測(cè)、遙控生產(chǎn)、遠(yuǎn)程操作。 海底油氣管道作為海上油氣田開發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)的主要組成部分，其施工、檢測(cè)及維修等難度大，因此，保障海底油氣管道安全運(yùn)行至關(guān)重要。 隨著海底管道的數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，中海油所轄的海底管道總長(zhǎng)已達(dá)到6 200km， 在管理實(shí)踐中，暴露出如下技術(shù)難點(diǎn)［1］：

a.海底管道信息系統(tǒng)不夠完善。 目前中海油針對(duì)海底管道已經(jīng)開發(fā)了數(shù)據(jù)庫(kù)和信息應(yīng)用平臺(tái)， 但是普遍尚未全面構(gòu)建數(shù)字化的3D系統(tǒng)，無(wú)法直觀地掌握管道和各管段的具體情況；海底管道SCADA系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等沒有納入到管道整體數(shù)據(jù)模型中，也不利于海底管道生產(chǎn)操作風(fēng)險(xiǎn)的決策。

b.海上通航風(fēng)險(xiǎn)無(wú)法明確。 由于海上通航頻繁，過往船只的噸級(jí)變化很大，且部分海底管道臨近錨地， 船只對(duì)管道的影響和風(fēng)險(xiǎn)無(wú)法明確。因此應(yīng)掌握航道來往船只及其航跡情況、海底管道各管段的結(jié)構(gòu)、埋深等數(shù)據(jù)，以明確各管段的通航風(fēng)險(xiǎn)。

c.海底泥面運(yùn)動(dòng)與管道懸空的預(yù)測(cè)。 受波浪、海流及潮汐等沖刷影響，很多海底管道存在裸露、甚至懸空的情況。 根據(jù)海底管道外勘調(diào)查結(jié)果， 依據(jù)DNV F101、DNV F105等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)管道懸空和振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判斷和決策。

d.海底管道內(nèi)檢測(cè)實(shí)施難度大。 海底管道內(nèi)檢測(cè)的通過性要求高、 檢測(cè)操作及定位難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，且費(fèi)用高昂，全面實(shí)施內(nèi)檢測(cè)的可能性不高，因此應(yīng)當(dāng)針對(duì)有內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)和沒有內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的管道分別制定完整性評(píng)估方法，如內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)、外腐蝕直接評(píng)價(jià)等。

e.泄漏預(yù)警與維搶修困難。 由于海洋環(huán)境復(fù)雜，漁業(yè)、通航等活動(dòng)頻繁，海底管道搶修作業(yè)施工困難，海底管道的泄漏預(yù)警和維修不僅需要依靠自身力量，還應(yīng)充分結(jié)合社會(huì)、政府及相關(guān)企業(yè)等的應(yīng)急資源。

綜上，海底管道需要建立一個(gè)完整的海底管道數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并能夠與現(xiàn)有生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)、船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng) （Automatic Identification System，AIS）及泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，以實(shí)現(xiàn)對(duì)海底管道完整性管理的決策支持。

1 陸上管道相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)于2002年11月通過了H.R.3609號(hào)法案，即“增進(jìn)管道安全性法案”。 在此背景下，美國(guó)石油協(xié)會(huì)推出API RP 1160 《Managing System Integrity for Hazardous Liquid Pipelines》； 美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)制定了ASME B31.8S 《Managing System Integrity of Gas Pipelines》， 目前國(guó)際大型管道運(yùn)營(yíng)商均參考這些規(guī)范開展管道完整性管理。我國(guó)在2015年發(fā)布了GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》， 陸上管道全面實(shí)施完整性管理。

自動(dòng)化技術(shù)、遙感（RS）、地理信息技術(shù)（GIS）及數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)的發(fā)展，為陸地油氣管道完整性管理提供了助力。 油氣管道的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，是用戶了解管道狀況的關(guān)鍵交流媒介，在油氣管道完整性管理中至關(guān)重要。 國(guó)內(nèi)的三大石油公司——中石油、中石化和中海油，在2004~2007年期間均陸續(xù)開始了數(shù)字化管道建設(shè)的探索和實(shí)踐，并逐步實(shí)現(xiàn)試點(diǎn)應(yīng)用和全面推廣；目前這三大石油公司在數(shù)字管道方面已經(jīng)掌握了相關(guān)技術(shù)， 并建立了數(shù)字管道系統(tǒng)建設(shè)的相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，管道數(shù)字建設(shè)逐漸步入成熟階段。 2016年，國(guó)家發(fā)展改革委和國(guó)家能源局提出以加強(qiáng) “互聯(lián)網(wǎng)+”為手段，以智能化為基礎(chǔ)，促進(jìn)能源和信息的深度融合。 在陸上油氣管道中引用了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能等技術(shù)，逐漸步入智慧管道建設(shè)階段［2~6］。

陸上管道的完整性管理信息系統(tǒng)充分利用自動(dòng)化控制、 遙感、 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）、GIS及互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)等，將管道設(shè)計(jì)建造、日常維護(hù)、監(jiān)測(cè)檢測(cè)及維修搶險(xiǎn)等各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)了管道巡線、陰極保護(hù)、事件及搶維修等業(yè)務(wù)的規(guī)范化。 通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)， 開展智慧管道系統(tǒng)建設(shè)與實(shí)踐，構(gòu)建管道數(shù)據(jù)中心，多系統(tǒng)共享實(shí)時(shí)信息，數(shù)字化管道系統(tǒng)與SCADA、視頻監(jiān)控、泄漏報(bào)警及智能陰保等專業(yè)系統(tǒng)集成，通過多系統(tǒng)融合，深入發(fā)掘數(shù)據(jù)價(jià)值，不斷強(qiáng)化系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自決策能力，并建設(shè)成為具有全面感知、自動(dòng)預(yù)判、智能優(yōu)化的智慧管道［7~9］。

2 海底管道完整性管理系統(tǒng)和應(yīng)用實(shí)踐

引入物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)，建立智慧管道系統(tǒng)， 已成為陸上油氣管道完整性管理的發(fā)展趨勢(shì)，也將成為海底管道未來的發(fā)展趨勢(shì)。

海底管道運(yùn)營(yíng)過程中，SCADA系統(tǒng)、 泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及AIS等均產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)， 但是由于各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都相對(duì)獨(dú)立，無(wú)法在一個(gè)系統(tǒng)上同時(shí)呈現(xiàn)所有的監(jiān)測(cè)量，不利于對(duì)海底管道狀況進(jìn)行更加系統(tǒng)和全面的分析。 建設(shè)智慧海底管道的基礎(chǔ)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和信息化，整合分散的數(shù)據(jù)、技術(shù)力量及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，對(duì)來自不同信息源的信息或數(shù)據(jù)進(jìn)行組合、合并，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)聚合平臺(tái)，進(jìn)而促進(jìn)有效決策的形成。

2.1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于數(shù)據(jù)聚合的海底管道完整性管理系統(tǒng)（圖1）可實(shí)現(xiàn)：海底管道各類歷史數(shù)據(jù)、內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)和維修維護(hù)數(shù)據(jù)的信息化表達(dá)；依據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)規(guī)范，對(duì)管道內(nèi)外缺陷和危害因素的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)， 并進(jìn)行量化的可視風(fēng)險(xiǎn)表達(dá)；根據(jù)海底管道生產(chǎn)運(yùn)行的安全管理和應(yīng)急處置的需求，從檢測(cè)計(jì)劃、隱患管理和管道事件應(yīng)急處置方面支持海底管道的安全生產(chǎn)決策。

圖1 海底管道完整性管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2.1.1管道數(shù)據(jù)平臺(tái)

管道數(shù)據(jù)平臺(tái)是海底管道完整性管理的基礎(chǔ)，為所有數(shù)據(jù)提供儲(chǔ)存庫(kù)，包括管道特征數(shù)據(jù)（管徑、壁厚、材料、防腐層及配重層等）、管道狀態(tài)數(shù)據(jù)（運(yùn)行溫度、壓力、介質(zhì)、內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)、外勘數(shù)據(jù)、腐蝕掛片及緩蝕劑等）和外接數(shù)據(jù)（環(huán)境參數(shù)、船只活動(dòng)數(shù)據(jù)（歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）、AIS、雷達(dá)及應(yīng)急資源等）。

基于中海油已經(jīng)開發(fā)的海底管道信息應(yīng)用平臺(tái)， 通過數(shù)據(jù)接口融合SCADA生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、AIS數(shù)據(jù)及雷達(dá)數(shù)據(jù)等，形成完整統(tǒng)一的海底管道數(shù)據(jù)平臺(tái)。

2.1.2通航風(fēng)險(xiǎn)分析模塊

通過AIS和雷達(dá)數(shù)據(jù)接口， 結(jié)合海底管道所在海域年度船只活動(dòng)數(shù)據(jù)和海底管道特征數(shù)據(jù)與狀態(tài)數(shù)據(jù)，依據(jù)DNV RP F107［10］等規(guī)范，計(jì)算分析各管段船只落錨、拖錨等風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.3管道懸跨風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模塊

根據(jù)管道外勘數(shù)據(jù)，結(jié)合管道特征數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，依據(jù)DNV RP F101、DNV RP F105規(guī)范的要求，對(duì)管道懸空和振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

2.1.4管道完整性評(píng)價(jià)模塊

管道完整性評(píng)價(jià)模塊從兩個(gè)方面考慮：針對(duì)有詳細(xì)內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的管道，依據(jù)管道缺陷評(píng)價(jià)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 （API RP 1160、ASME B31.G及BS 7910等）進(jìn)行；對(duì)于沒有詳細(xì)內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的管道，選擇相應(yīng)的替代方法進(jìn)行評(píng)估，如內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)（NACE 0206、NACE 0208等）。

2.1.5應(yīng)急支持模塊

應(yīng)急支持模塊主要是收集、匯總海底管道的應(yīng)急預(yù)案、 處置方案等信息和相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)報(bào)告，使得在應(yīng)急狀態(tài)下，能夠迅速反應(yīng)、快速?zèng)Q策、正確處置，以減少事故帶來的損失。

2.2通航風(fēng)險(xiǎn)分析模塊的應(yīng)用實(shí)踐

通過危害辨識(shí)可知，通航活動(dòng)對(duì)海底管道潛在的危害包括： 船只在管道上方未經(jīng)許可拋錨、沉船事故和船舶擱淺撞擊管道；其中未經(jīng)許可拋錨對(duì)海底管道的主要破壞模式為錨撞擊管道和錨拖拽管道，文中僅對(duì)拋錨撞擊管道的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。

2.2.1通航風(fēng)險(xiǎn)分析方法

在管道運(yùn)行過程中發(fā)生的損傷事故可分為：小損傷（D1），損傷既不要求修理也不會(huì)產(chǎn)生介質(zhì)泄漏；中等損傷（D2），損傷要求維修，但不會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)泄漏；主要損傷（D3），損傷導(dǎo)致介質(zhì)泄漏。

落錨撞擊管道的概率EHit由下式計(jì)算：

式中 FDrift——漂移的頻率；

Nship——可能拋錨的船只數(shù)量；

PHit——拋錨撞擊到管道的概率；

PHuman——沒有在管道附近緊急拋錨的概率；

PLoss——進(jìn)行拋錨操作時(shí)全體人員失去對(duì)錨的控制的概率。

2.2.2管道保護(hù)能力分析

根據(jù)DNV RP F107， 落錨的有效沖擊能量EE可由下式計(jì)算：

式中 EA——水動(dòng)力增加質(zhì)量對(duì)應(yīng)的能量，kJ；

ET——落錨的終端速度對(duì)應(yīng)的動(dòng)能，kJ；

m——落錨的質(zhì)量，kg；

ma——附連水質(zhì)量，kg；

vT——錨在水中的最終速度，m/s。

穿越航道或漁業(yè)活動(dòng)頻繁區(qū)域的海底管道，一般要進(jìn)行埋深設(shè)計(jì)，回填土、堆石等以吸收落錨沖擊能量，保護(hù)管道安全；部分海底管道設(shè)計(jì)了混凝土配重層，也可以吸收落錨沖擊能量。 根據(jù)DNV RP F107，可以計(jì)算出回填材料、混凝土配重層及管道變形等吸收的落錨沖擊能量，其中回填材料吸收落錨沖擊能量Ep的計(jì)算式為：

式中 Ap——墜落物體的投影面積，m2；

D——墜落物體的直徑，m；

Nq、Nγ——承載力系數(shù)；

z——穿透深度，m；

γ′——回填物的單位有效重力，kN/m3。

最后， 落錨對(duì)管道的沖擊能=落錨的有效沖擊能量-（混凝土配重層吸收的能量+沙土層吸收的能量）， 由此可以判定管道是否會(huì)受到落錨沖擊的影響和管道可能受損傷的類型。

2.2.3應(yīng)用實(shí)踐

為了細(xì)化海底管道不同區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)，首先對(duì)海底管道進(jìn)行分段，按照管道特征數(shù)據(jù)（如壁厚）變化、環(huán)境（如海床類型）變化及管道配件（如閥）等對(duì)管道進(jìn)行分段。 海底管道完整性管理系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定的屬性對(duì)管道進(jìn)行分段。 針對(duì)海底管道某一管段，通過分析該管段海域的船只活動(dòng)情況歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合管道的特征數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到該管段落錨撞擊的風(fēng)險(xiǎn)概率。 圖2為某管道各里程位置落錨撞擊管道的概率。

圖2 海底管道落錨撞擊管道的概率分分布

如上所述的落錨撞擊管道的概率是通過分析該海底管道所在海域的船只活動(dòng)情況歷史數(shù)據(jù)計(jì)算得到的，這些歷史數(shù)據(jù)由AIS數(shù)據(jù)獲得。 但是由于大量噸位較小的船只或者漁船都沒有裝配AIS設(shè)備，或者有些船只人為關(guān)閉AIS設(shè)備、AIS設(shè)備出現(xiàn)故障或未安裝標(biāo)準(zhǔn)AIS設(shè)備， 因此AIS設(shè)備將無(wú)法接收到這些船只的位置信息，這將導(dǎo)致AIS記錄的歷史數(shù)據(jù)與實(shí)際的數(shù)據(jù)存在一定的差距。

基于數(shù)據(jù)聚合的海底管道完整性管理系統(tǒng)的通航風(fēng)險(xiǎn)分析模塊中， 集成AIS設(shè)備收集的船只信息和雷達(dá)設(shè)備掃描的信息生成船只動(dòng)態(tài)信息圖，結(jié)合海底管線的位置信息，可實(shí)時(shí)監(jiān)控潛在影響區(qū)域內(nèi)的船只，并存儲(chǔ)相關(guān)的歷史信息數(shù)據(jù)。 通過分析AIS設(shè)備收集和雷達(dá)設(shè)備掃描的船只歷史信息數(shù)據(jù)，得到海底管道所在海域?qū)嶋H的船只活動(dòng)數(shù)據(jù)，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)上述落錨撞擊管道概率的修正，又能形成各海底管道海域船只活動(dòng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

通航風(fēng)險(xiǎn)分析模塊可實(shí)時(shí)監(jiān)控潛在影響區(qū)域內(nèi)的船只，根據(jù)通航船只的基本信息，可以計(jì)算得到船舶的舾裝數(shù)，并初步估計(jì)船只上配備的錨的數(shù)量和重量， 計(jì)算得出落錨的有效沖擊能量；根據(jù)管道的特征數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，可知具體管段的管徑、壁厚、混凝土配重厚度及埋深情況等，可計(jì)算得出回填材料、混凝土配重層及管道變形等吸收的落錨沖擊能量；進(jìn)而可以計(jì)算得出管道保護(hù)能力， 并判定管道可能發(fā)生的損傷等級(jí)。 對(duì)海底管道潛在損傷等級(jí)為D2或D3的船只，將及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，與船只進(jìn)行溝通或干預(yù)，防止落錨損傷管道的情況發(fā)生。

3 結(jié)論

3.1構(gòu)建了海底管道數(shù)據(jù)平臺(tái)，包含了管道特征數(shù)據(jù)、管道狀態(tài)數(shù)據(jù)及外接數(shù)據(jù)等。 數(shù)據(jù)平臺(tái)集成了海底管道的各類有效信息，提高了數(shù)據(jù)的利用水平， 為海底管道的完整性管理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2該系統(tǒng)包括通航風(fēng)險(xiǎn)分析模塊、管道懸跨風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模塊、管道完整性評(píng)價(jià)模塊和應(yīng)急支持模塊，分別從第三方活動(dòng)、外部環(huán)境、管道本體和突發(fā)事件應(yīng)急方面提供分析和決策支持。

3.3該系統(tǒng)依據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)規(guī)范，對(duì)管道的缺陷進(jìn)行識(shí)別與評(píng)價(jià)， 明確缺陷風(fēng)險(xiǎn)的來源、 等級(jí)和失效機(jī)理， 并進(jìn)行量化的可視風(fēng)險(xiǎn)表達(dá)。

3.4該系統(tǒng)對(duì)海底管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、 日常維護(hù)數(shù)據(jù)、檢測(cè)維修數(shù)據(jù)及外部實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等進(jìn)行有效整合，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)管道全生命周期中的數(shù)據(jù)總結(jié)，為管道日常維護(hù)管理提供有效支持，也為新建管道提供了經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

3.5通航風(fēng)險(xiǎn)分析模塊可實(shí)時(shí)監(jiān)控潛在影響區(qū)域內(nèi)的船只，依據(jù)相關(guān)規(guī)范，結(jié)合海底管道的特征數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，可詳細(xì)計(jì)算明確船只與各管段交叉風(fēng)險(xiǎn)，判斷管道的保護(hù)能力和可能發(fā)生的損傷等級(jí)，實(shí)現(xiàn)提前干預(yù)，防止船只在管道周圍落錨，保護(hù)管道。

3.6該系統(tǒng)能夠整合海底管道完整性與安全運(yùn)營(yíng)相關(guān)數(shù)據(jù)，有利于建立海底管道各數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，為將來引入專家診斷、大數(shù)據(jù)分析等提供了基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)降低海底管道風(fēng)險(xiǎn)、提高運(yùn)營(yíng)效率的目標(biāo)。