王志方

[摘 ? ?要] 隨著國內(nèi)天然氣需求量的快速增長，天然氣長輸管道的運(yùn)行保供任務(wù)越來越重，對管道搶修作業(yè)的時效性也提出了越來越高的要求，實(shí)現(xiàn)搶修作業(yè)數(shù)字化越來越迫切。作業(yè)數(shù)字化不僅縮短搶修時間且大幅提高作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)安全。文章以管道換管搶修作業(yè)為例，在分析目前作業(yè)過程的基礎(chǔ)上提出了各工序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化的可行性和方向，為搶修作業(yè)信息化、自動化、數(shù)字化的研究提供了指導(dǎo)。

[關(guān)鍵詞] 天然氣管道;搶修;換管作業(yè);數(shù)字化

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 19. 043

[中圖分類號] F270.7 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] ?A ? ? ?[文章編號] ?1673 - 0194（2020）19- 0103- 02

1 ? ? ?引 ? ?言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國內(nèi)天然氣需求量快速增長，長輸天然氣管道建設(shè)步伐加快。隨著管線鋼技術(shù)不斷進(jìn)步，采用大口徑高鋼級管道進(jìn)行高壓輸送，在有效增加了天然氣輸量的同時，也給管道搶修帶來了更多的挑戰(zhàn)。管道由于腐蝕、第三方、施工質(zhì)量、管道材質(zhì)等問題發(fā)生失效[1]，為了快速恢復(fù)生產(chǎn)需用最短的時間高質(zhì)量完成修復(fù)，一旦發(fā)生泄漏往往采用換管的方式[2]。為了降低搶修對管道輸量的影響，對搶修作業(yè)的時效性提出了更高的要求。傳統(tǒng)手工操作為主的作業(yè)越來越不能滿足需求，特別是對于大口徑、高鋼級管道的換管搶修作業(yè)。隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能的應(yīng)用，以及智能管道、智慧管網(wǎng)的建設(shè)，搶修作業(yè)數(shù)字化的需求越來越迫切。

搶修作業(yè)數(shù)字化包括搶修作業(yè)方案的確定、搶修物資、人員的調(diào)撥和作業(yè)工序等復(fù)雜多變的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远攘繑?shù)據(jù)，通過數(shù)字化模型進(jìn)行統(tǒng)一處理后給出最優(yōu)的解決方案[3]。以換管作業(yè)為例，某處管道發(fā)生失效后，通過搶修作業(yè)數(shù)字化平臺給出搶修作業(yè)方案并確定搶修需要的物資、人員以最快的速度到達(dá)現(xiàn)場，針對換管作業(yè)的各個工序[4-5]，作業(yè)坑開挖、斷管吊離、測量、下料、組對、焊接、檢測全過程通過數(shù)據(jù)的自動采集上傳至數(shù)字化平臺進(jìn)行處理，數(shù)字化平臺給出具體方案反饋到作業(yè)現(xiàn)場，作業(yè)現(xiàn)場接到指令后進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)過程通過數(shù)字化平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、現(xiàn)場可視化監(jiān)控和糾偏，最后實(shí)現(xiàn)用最短的時間高質(zhì)量的完成作業(yè)過程。

2 ? ? ?搶修作業(yè)數(shù)字化平臺建設(shè)

搭建搶修作業(yè)數(shù)字化平臺的目的是發(fā)生突發(fā)事件后可以快速確定搶修方案及物資、人員調(diào)撥的最優(yōu)方案[6]，對作業(yè)過程信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行儲存，通過數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，對作業(yè)工藝及設(shè)備參數(shù)進(jìn)行處理、整合、分析，反饋并優(yōu)化施工工藝和設(shè)備參數(shù)，達(dá)到作業(yè)過程的整體優(yōu)化。通過人機(jī)交互界面遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控作業(yè)過程，使作業(yè)過程安全受控。

3 ? ? ?換管作業(yè)過程數(shù)字化

3.1 ? 作業(yè)準(zhǔn)備

當(dāng)管線發(fā)生泄漏等突發(fā)事件并啟動應(yīng)急響應(yīng)后，換管搶修作業(yè)順利進(jìn)行的前提是搶修方案的確定、物資和人員的及時到位、現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境滿足要求。根據(jù)搶修方案通過數(shù)字化平臺快速調(diào)撥所需搶修物資和人員，并實(shí)時跟蹤動態(tài)進(jìn)展。在物資和人員調(diào)撥過程中，同時進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)坑的開挖、供電和夜間照明、指揮部的搭設(shè)等工作，通過無線通信將現(xiàn)場畫面實(shí)時傳遞到搶修作業(yè)平臺，同時搶修作業(yè)平臺監(jiān)控的畫面和數(shù)據(jù)在應(yīng)急通訊車設(shè)置監(jiān)視終端，為現(xiàn)場指揮提供輔助決策。

3.2 ? 斷管吊離

管線完成放空和氮?dú)庵脫Q后，現(xiàn)場開始進(jìn)行受損管段的斷管吊離，斷管的方式目前有冷切割和火焰切割，使用火焰切割必須確認(rèn)管道內(nèi)無凝析油以防發(fā)生爆燃，冷切割的方式目前有銑刀、鉆銑、金剛石繩鋸、水刀等，切管機(jī)通過控制器都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。受管道應(yīng)力的影響，怎么能夠快速安全地把受損管段切掉并順利吊出，目前一般采用人工抽條的方式，即在切割兩道口后管段受到應(yīng)力作用無法取出則增加切割一道進(jìn)行抽條，實(shí)現(xiàn)抽條和切割的一體化。數(shù)字化控制既可以提高作業(yè)效率，又可以降低管道斷開瞬間應(yīng)力釋放期間的風(fēng)險。同時對管道應(yīng)力的準(zhǔn)確測量和斷開后釋放的預(yù)測，也是目前斷管作業(yè)迫切需要解決的安全問題。

3.3 ? 測量下料

精準(zhǔn)測量是換管搶修作業(yè)順利完成的關(guān)鍵工序之一，目前普遍還是采用人工拉線、尺子測量和互相測量驗(yàn)證的方式，測量準(zhǔn)確度取決管工的技能水平和責(zé)任心。如果遇到彎管和彎頭的情況，精準(zhǔn)的測量計算和下料耗時長、易出錯。當(dāng)前有些搶修隊已嘗試使用三維激光掃描測量，通過三維激光掃描儀對斷管后的管口進(jìn)行整體掃描，通過軟件進(jìn)行處理得到管口及管口間的三維數(shù)據(jù)，再通過軟件進(jìn)行計算得到需要下料的數(shù)據(jù)和尺寸，測量和計算快速準(zhǔn)備，將測量計算軟件與搶修作業(yè)平臺關(guān)聯(lián)就可以遠(yuǎn)程監(jiān)控作業(yè)過程，是實(shí)現(xiàn)測量計算數(shù)字化的方向。

準(zhǔn)確的測量計算數(shù)據(jù)是下料的依據(jù)，目前下料作業(yè)普遍使用火焰切割機(jī)在新管材和管件上進(jìn)行切割，且利用爬管式數(shù)控管相貫線火焰切割機(jī)可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化操作，但是切割后管工的打磨量比較大。將測量后計算的數(shù)據(jù)通過控制系統(tǒng)與機(jī)械切管機(jī)聯(lián)動實(shí)現(xiàn)數(shù)字化快速機(jī)械切割，則是實(shí)現(xiàn)下料自動化、數(shù)字化的研究方向之一。將數(shù)控機(jī)床搬運(yùn)到搶修現(xiàn)場受大口徑管道尺寸的影響，實(shí)現(xiàn)起來較困難，利用鉆銑和銑刀切管機(jī)進(jìn)行數(shù)字化改進(jìn)再應(yīng)用到搶修作業(yè)現(xiàn)場會更快捷。

3.4 ? 組對

搶修期間管口的組對質(zhì)量直接影響焊接成功率和焊接時長，但又受管道應(yīng)力、管口橢圓、壁厚差等各種因素的影響，目前搶修作業(yè)的組對往往借助于外對口器、挖掘機(jī)等設(shè)備來解決，再通過管工的反復(fù)打磨和調(diào)節(jié)，組對時間長、質(zhì)量差，由此實(shí)現(xiàn)組對的自動化、數(shù)字化是非常迫切的，但是實(shí)現(xiàn)組對的數(shù)字化技術(shù)難點(diǎn)多，以更換管道短節(jié)為例，將切割后的短節(jié)放入自動升降和自動軸向移動的平臺上，兩端通過自動液壓外對口器進(jìn)行組對，組對管口間隙、錯邊量及橢圓度要通過激光三維掃描儀進(jìn)行確認(rèn)，掃描后的數(shù)據(jù)通過搶修作業(yè)平臺控制系統(tǒng)再反饋到自動液壓外對口器，反復(fù)自動調(diào)整將可實(shí)現(xiàn)組對數(shù)字化，當(dāng)然這需要現(xiàn)場的大量實(shí)踐才能真正地達(dá)到組對精度要求。

3.5 ? 焊接

實(shí)現(xiàn)焊接過程的數(shù)字化首先想到的是全自動焊，目前大口徑、高鋼級長輸管道施工已普及適用全自動焊，但是由于全自動焊對焊口組對質(zhì)量要求高，在實(shí)際搶修作業(yè)過程中比較難實(shí)現(xiàn)，由此目前的換管搶修作業(yè)焊接工藝一般采用氬弧焊打底、半自動焊填充的方式。針對氬弧焊和半自動焊工藝可以通過焊接參數(shù)的采集與焊評的對比分析進(jìn)行作業(yè)過程監(jiān)控，監(jiān)控平臺發(fā)現(xiàn)問題及時反饋到現(xiàn)場作業(yè)指揮人員和作業(yè)人員，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量監(jiān)控，但是無法直接反饋到焊機(jī)進(jìn)行焊接參數(shù)的自動調(diào)整和優(yōu)化。如果應(yīng)用全自動焊就可以實(shí)現(xiàn)焊接過程的數(shù)據(jù)采集、反饋和自動調(diào)整優(yōu)化，不僅提高焊接質(zhì)量和成功率，更是縮短了焊接時間。由此，搶修作業(yè)采用全自動焊工藝是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的發(fā)展方向，同時全自動焊還需進(jìn)一步提高數(shù)字化程度，如焊口組對質(zhì)量適應(yīng)性、焊弧的跟蹤和微調(diào)等。

焊接前的預(yù)熱目前已經(jīng)普遍推廣使用中頻加熱器，不管是進(jìn)口的還是國產(chǎn)的中頻加熱器都已實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制加熱速率和加熱溫度，通過溫度傳感器與中頻加熱器的連接，已實(shí)現(xiàn)自動加熱，將中頻加熱器的數(shù)據(jù)上傳至搶修作業(yè)平臺即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

焊接前的消磁目前已推廣使用大功率消磁機(jī)，利用高斯計進(jìn)行磁場強(qiáng)度測量，通過操作人員反復(fù)調(diào)節(jié)消磁機(jī)進(jìn)行消除，但耗時長且有時無法全部消除。對組對后管口間磁場規(guī)律的研究是實(shí)現(xiàn)消磁自動化、數(shù)字化的基礎(chǔ)，掌握了磁場規(guī)律后利用搶修作業(yè)平臺將數(shù)據(jù)反饋至消磁機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化調(diào)節(jié)。

3.6 ? 檢測

焊接完成后焊道的無損檢測是確定搶修后能否及時恢復(fù)生產(chǎn)的關(guān)鍵。目前搶修作業(yè)已經(jīng)推廣使用DR檢測，但是數(shù)字化影像還得通過評片員反復(fù)地觀看才能找到缺陷點(diǎn)，再依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價，評片的速度取決于評片員的能力和經(jīng)驗(yàn)，將數(shù)字化影像底片上傳到搶修作業(yè)數(shù)字化平臺，通過專家決策系統(tǒng)進(jìn)行自動評價是檢測數(shù)字化的發(fā)展方向，既可縮短檢測時間，又減少了人員的誤判。

4 ? ? ?小 ? ?結(jié)

目前的搶修作業(yè)還是以手工操作為主，一些信息的采集只是獨(dú)立地存放在計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，缺乏專業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行融合和處理。通過近幾年智能管道和智慧管網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，搶修作業(yè)正逐漸向數(shù)字化邁進(jìn)，搭建數(shù)字化平臺，對數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行集成和整合，對作業(yè)過程進(jìn)行自動控制。但是受搶修作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性和設(shè)備自動化程度的影響，距離數(shù)字化、智能化還有大量的技術(shù)難題需要攻關(guān)，如數(shù)據(jù)、知識、經(jīng)驗(yàn)與自動控制相融合，專家經(jīng)驗(yàn)輔助管理和決策指揮系統(tǒng)，作業(yè)過程自動感知、預(yù)測、控制和處理，系統(tǒng)自我改進(jìn)與過程的持續(xù)優(yōu)化等。

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