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          管道研究

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          管道保護多源感知技術應用分析

          來源:《管道保護》2023年第2期 作者:王巨洪 時間:2023-4-18 閱讀:

          王巨洪

          國家管網集團北方管道公司

           

          摘要:油氣管道覆蓋地域廣,受外界因素影響較大,一旦發生火災、爆炸等事故,將危及管道周邊公共安全。應用多源感知技術等智能手段為全面即時感知管道異常事件提供了技術支撐。介紹了多源感知技術應用現狀,通過多源數據融合應用分析,提出了多源感知技術綜合應用建議。

          關鍵詞:多源感知技術;多源數據融合應用;油氣管道

           

          油氣管道是國家重要的能源戰略基礎設施,隨著管道建設快速發展和外部環境的變化,安全管理難度與日俱增。中俄東線作為智能管道建設試點,開展實時泛在感知能力建設,應用多源感知技術全面提升風險預測及安全管控水平,保障管道本質安全和綠色發展。本文在介紹多源感知技術應用現狀基礎上,提出綜合應用建議。

          1  多源感知技術國內外應用現狀

          1.1  衛星監測技術[1]

          (1)星載InSAR(合成孔徑雷達干涉測量)技術。InSAR技術最早始于20世紀60年代,21世紀初國外開始用其對管道沿線地表變形與管道基礎設施進行監測,均取得較好效果。我國應用研究起步較晚,近10年取得較大進展,在國土、公路、鐵路等領域開展地表變形監測,油氣管道行業還處在理論研究和技術探索階段。

          (2)光學衛星影像。20世紀80年代中期到21世紀,國際光學衛星影像經歷了從膠片返回向光電傳輸、敏捷型高分辨率偵測一體式光學衛星發展歷程。美國利用衛星影像結合地球化學資料實現了油氣藏探查。我國衛星技術始于1970年,目前形成了資源系列、高分系列、環境/實踐系列、小衛星系列、氣象系列、海洋系列等衛星技術,并應用遙感衛星技術進行管道設計選線及輔助管道日常管理。

          受重訪周期和資費影響,這兩種技術一般用于大范圍地災普查、周期性地貌及周邊環境變化分析等,不能對管道進行實時監測。

          1.2  無人機巡護技術[2]

          近年來,隨著無人機技術、通信技術和人工智能技術的發展,無人機所具有的長距離、即時傳輸、即時識別報警等優勢,在長輸油氣管道巡護業務中得到體現。目前由于受空域禁飛和續航能力限制,無人機巡護還不能做到全天候實時監測管道。

          1.3  視頻智能識別技術[3]

          隨著人工智能技術發展,目前采用視頻智能識別技術的第三代工業電視監控系統已用于現場管理。受攝像頭照射距離和數據傳輸影響,視頻智能識別技術無法對管道全覆蓋監視。

          1.4  GNSS地表位移監測技術[4]

          GNSS(Global Navigation Satellite System,全球導航衛星系統)技術在20世紀中葉得以研究發展,1994年美國建成GPS系統,1996年俄羅斯建成GLONASS系統,目前中國部署完成BDS3系統。早期專業型GNSS監測設備成本昂貴,僅在蘭成渝管道開展科學研究。隨著高精度、小型化、千元級GNSS監測設備研制成功,已廣泛用于蘭鄭長管道和中俄東線管道滑坡、土體崩塌等易發生地質災害管段的監測。

          1.5  振弦式應力應變監測技術[4]

          20世紀30年代,振弦式應變計在國外問世。20世紀70年代,我國大壩、橋梁、公路等土木工程中得以應用。近年來,隨著高強鋼管道里程不斷增加,途經地質災害區越來越多,該技術廣泛應用于管道本體監測上。

          1.6  雨量監測技術

          雨量計用來測量降水量、降水強度、降水起始時間等數據。2000年左右開始用于油氣管道沿線地質災害監測預警中,目前常用的是翻斗式雨量計。一般用于滑坡、土體崩塌等易發生地質災害管段。

          1.7  智能陰保監控技術[5]

          意大利SNAM公司在其所轄32 625 km天然氣管道上安裝17 000個智能電位采集儀,通過Wireless傳至PEGASO系統統計分析數據。國內智能電位采集儀最早出現在2005年,主要用于技術理論研究和現場試驗。目前已在中俄東線及新建管道全面應用。陰極保護遠程監控系統由現場感知設備和后臺分析軟件組成,一般3 km~5 km設置一個智能電位采集儀(智能樁)。

          1.8  光纖監測預警技術

          (1)光纖振動監測預警技術[6]。2007年,英國OptaSense公司開始研發DAS(Distributed fiber Acoustic Sensing,分布式光纖聲波傳感)系統,并進行世界上首次管道泄漏檢測。國內相關單位相繼開展DAS科研攻關和應用,利用同溝敷設的通信光纜,可實現對管道全方位實時泛在感知監測。如管道公司(津華線)、上海波匯公司(日照管道)、管道局通信公司(中俄東線北段和中段)。

          (2)光纖應變監測預警技術[4]。2002年,瑞士Omnisens公司在柏林鹽水管道開始應用,取得較好效果。2019年,國內引進該技術在港棗線煤礦采空區開展研究。采取單獨敷設緊固式光纜,對需要監測的管段(如地震斷裂帶、軟土地基等處)進行實時監測。2020年在中俄東線中段地震斷裂帶及中石化重慶武陵山管道現場應用。

          (3)光纖測溫監測預警技術[7]。2019年,國內引進該技術在中俄東線北段高后果區現場試用,2020年在中俄東線中段、南段現場應用。利用同溝敷設通信光纜,對人口密集型高后果區、地勢起伏地段管段實時監測。

          2  多源感知技術綜合應用探討

          2.1  多源數據融合應用示例

          近年來,隨著智能管道建設的推進,很多院校、科研機構及應用單位探索對多源數據的融合應用[8],取得了一些成績。

          示例一,視頻智能識別技術和光纖振動監測預警技術聯動(圖 1)。


          圖 1 視頻智能監控和光纖振動報警聯動

          示例二,某管道途經地震斷裂帶,應用光纖振動監測預警、光纖應變監測預警、光纖測溫監測預警、管體應力應變監測、地表位移監測、視頻智能監控等多源感知技術。2022年8月14日和8月18日,受暴雨影響,管道上方沖出深溝,數據傳輸樁體傾斜,技術監測數據變化如圖2—4所示。


          圖 2 GNSS數據變化曲線

          圖 3 光纖測溫監測數據變化

          圖 4 光纖應變監測數據變化

          分析監測結果表明,GNSS地表位移監測數據顯示Z方向(豎向)有正向變化,與現場沖溝實際不符,經現場確認后是樹木遮擋天線影響數據傳輸所致。管體應力監測數據在4 MPa~20 MPa間變化,沒有達到報警閾值。光纖測溫監測數據顯示降雨地表水滲透到管體,導致溫度上升,降雨結束后短時間內溫度逐漸恢復,達到報警值(≥5℃)并報警。光纖應變監測數據顯示微應變約100,沒有達到報警閾值。以上多源感知技術監測數據通過各自系統采集上傳,對管道現場的同一異常事件或隱患給出了不同級別的響應,給管理者決策帶來困惑。

          2.2  提升建議

          受數據傳輸鏈路、報警閾值、報警機理等因素影響,在相對復雜、多源感知技術應用較集中的情況下,對管道安全監測的作用還有待于提升。為此提出以下建議。

          (1)深化應用。比如光纖測溫監測技術,需要根據管道及周邊環境溫度變化規律對溫度報警閾值進行精細化設置。光纖應變監測和管道本體應力監測之間的邏輯關聯關系需要深入研究。

          (2)構建基于多源數據融合的油氣管道安全監測技術,數據互為佐證,為高效提出管理決策提供技術支撐。

          (3)構建空、天、地一體化油氣管道智能巡檢服務體系,形成遙感衛星環境感知、光纖實時泛在感知、無人機現場巡查、重點區域物聯監控、人員協同作業等全方位服務能力。

          3  結束語

          多源感知技術的應用,為保障油氣管道安全運行發揮了積極作用。一是管道全線陰極保護系統實現遠程自動監控,數據及時、準確。二是管道重點區域實現光纖預警監測、地質災害監測,及時遏制危及管道事件發生。三是初步實現多源數據有效融合應用,提升數據挖掘價值。隨著油氣管網數字基建更加完善,充分利用已建和新建智能感知系統,將提升管道的綜合感知技術水平,實現管道全生命周期綜合信息的互聯共享,大數據分析能力將得以充分釋放,管網的全方位感知、綜合性預判、一體化管控、自適應優化能力也將得到更大提升。

           

          參考文獻:

          [1]朱建軍,李志偉,胡俊.InSAR變形監測方法與研究進展[J].測繪學報,2017,46(10):1717-1733.

          [2]馬云賓,董紅軍,孫萬磊,張洪,王春清.新冠肺炎疫情下管道線路智能感知技術的思考與探索[J]. 油氣儲運,2020,39(12):586-592.

          [3]姜有文,王巨洪,趙云峰,王路,王寧峰,葉莫西,劉振斌.油氣管道智能視頻監控技術原理與實現[J]. 油氣儲運,2020,39(12):593-599.

          [4]王婷,劉陽,王巨洪,劉建平,陳健,王新,荊宏遠.中俄東線地質災害監測技術應用與建議[J].油氣儲運,2020,39(12):429-434.

          [5]王巨洪,姜有文,騰延平.中俄東線陰極保護遠程監控系統建設實踐[J].油氣儲運,2020,39(12):580-585.

          [6]蔡永軍,楊士梅,李妍,任愷,蔡文超,趙迎波,白路遙.基于光纖傳感的管道線路復雜狀態監測技術[J].油氣儲運,2020,39(4):434-440.

          [7]王新,王巨洪,王中華,周琰,王婷,智月榮,邵翰林.分布式光纖測溫技術在中俄東線天然氣管道的可行性[J].油氣儲運,2020,39(12):507-511.

          [8]王巨洪,張世斌,王新,李榮光,王婷.中俄東線智能管道數據可視化探索與實踐[J].油氣儲運,2020,39(12):558-564.


          作者簡介:王巨洪,高級工程師,1992年本科畢業于沈陽農業大學建筑與環境工程專業,現主要從事管道工程建設、管道管理、管道維搶修及智能管道建設方向的研究工作。聯系方式:0316-2170017,wangjh@pipechina.com.cn。


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