基于数据聚合的海底油气管道完整性管理系统的研究与实践

李艳丽 胡 军 郝 林 申得济

（中海油安全技术服务有限公司）

近年来，中海油不断探索海上平台的智能化改造和无人化管理， 充分利用现代的自动化、通信和计算机网络技术，实现全方位监测、遥控生产、远程操作。 海底油气管道作为海上油气田开发生产系统的主要组成部分，其施工、检测及维修等难度大，因此，保障海底油气管道安全运行至关重要。 随着海底管道的数量持续增长，中海油所辖的海底管道总长已达到6 200km， 在管理实践中，暴露出如下技术难点［1］：

a.海底管道信息系统不够完善。 目前中海油针对海底管道已经开发了数据库和信息应用平台， 但是普遍尚未全面构建数字化的3D系统，无法直观地掌握管道和各管段的具体情况；海底管道SCADA系统的生产运行数据、泄漏监测系统等没有纳入到管道整体数据模型中，也不利于海底管道生产操作风险的决策。

b.海上通航风险无法明确。 由于海上通航频繁，过往船只的吨级变化很大，且部分海底管道临近锚地， 船只对管道的影响和风险无法明确。因此应掌握航道来往船只及其航迹情况、海底管道各管段的结构、埋深等数据，以明确各管段的通航风险。

c.海底泥面运动与管道悬空的预测。 受波浪、海流及潮汐等冲刷影响，很多海底管道存在裸露、甚至悬空的情况。 根据海底管道外勘调查结果， 依据DNV F101、DNV F105等规范标准，对管道悬空和振动的风险进行判断和决策。

d.海底管道内检测实施难度大。 海底管道内检测的通过性要求高、 检测操作及定位难度大、风险高，且费用高昂，全面实施内检测的可能性不高，因此应当针对有内检测数据和没有内检测数据的管道分别制定完整性评估方法，如内腐蚀直接评价、外腐蚀直接评价等。

e.泄漏预警与维抢修困难。 由于海洋环境复杂，渔业、通航等活动频繁，海底管道抢修作业施工困难，海底管道的泄漏预警和维修不仅需要依靠自身力量，还应充分结合社会、政府及相关企业等的应急资源。

综上，海底管道需要建立一个完整的海底管道数据系统，并能够与现有生产运行系统、船载自动识别系统 （Automatic Identification System，AIS）及泄漏监测系统等实现数据交换，以实现对海底管道完整性管理的决策支持。

1 陆上管道相关技术发展现状

美国于2002年11月通过了H.R.3609号法案，即“增进管道安全性法案”。 在此背景下，美国石油协会推出API RP 1160 《Managing System Integrity for Hazardous Liquid Pipelines》； 美国机械工程师协会制定了ASME B31.8S 《Managing System Integrity of Gas Pipelines》， 目前国际大型管道运营商均参考这些规范开展管道完整性管理。我国在2015年发布了GB 32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》， 陆上管道全面实施完整性管理。

自动化技术、遥感（RS）、地理信息技术（GIS）及数据库等技术的发展，为陆地油气管道完整性管理提供了助力。 油气管道的数据管理系统，是用户了解管道状况的关键交流媒介，在油气管道完整性管理中至关重要。 国内的三大石油公司——中石油、中石化和中海油，在2004~2007年期间均陆续开始了数字化管道建设的探索和实践，并逐步实现试点应用和全面推广；目前这三大石油公司在数字管道方面已经掌握了相关技术， 并建立了数字管道系统建设的相关企业标准，管道数字建设逐渐步入成熟阶段。 2016年，国家发展改革委和国家能源局提出以加强 “互联网+”为手段，以智能化为基础，促进能源和信息的深度融合。 在陆上油气管道中引用了物联网、大数据及人工智能等技术，逐渐步入智慧管道建设阶段［2~6］。

陆上管道的完整性管理信息系统充分利用自动化控制、 遥感、 数据采集与监视控制系统（SCADA）、GIS及互联网通信技术等，将管道设计建造、日常维护、监测检测及维修抢险等各项数据进行整合，实现了管道巡线、阴极保护、事件及抢维修等业务的规范化。 通过应用物联网、大数据分析等技术， 开展智慧管道系统建设与实践，构建管道数据中心，多系统共享实时信息，数字化管道系统与SCADA、视频监控、泄漏报警及智能阴保等专业系统集成，通过多系统融合，深入发掘数据价值，不断强化系统的自学习、自适应、自决策能力，并建设成为具有全面感知、自动预判、智能优化的智慧管道［7~9］。

2 海底管道完整性管理系统和应用实践

引入物联网、大数据分析等先进技术，建立智慧管道系统， 已成为陆上油气管道完整性管理的发展趋势，也将成为海底管道未来的发展趋势。

海底管道运营过程中，SCADA系统、 泄漏监测系统及AIS等均产生了大量数据， 但是由于各监测系统都相对独立，无法在一个系统上同时呈现所有的监测量，不利于对海底管道状况进行更加系统和全面的分析。 建设智慧海底管道的基础是实现数字化和信息化，整合分散的数据、技术力量及监测系统等，对来自不同信息源的信息或数据进行组合、合并，形成统一的数据聚合平台，进而促进有效决策的形成。

2.1系统功能设计

基于数据聚合的海底管道完整性管理系统（图1）可实现：海底管道各类历史数据、内外检测数据和维修维护数据的信息化表达；依据国内外相关技术规范，对管道内外缺陷和危害因素的发展规律进行预测， 并进行量化的可视风险表达；根据海底管道生产运行的安全管理和应急处置的需求，从检测计划、隐患管理和管道事件应急处置方面支持海底管道的安全生产决策。

图1 海底管道完整性管理系统功能结构

2.1.1管道数据平台

管道数据平台是海底管道完整性管理的基础，为所有数据提供储存库，包括管道特征数据（管径、壁厚、材料、防腐层及配重层等）、管道状态数据（运行温度、压力、介质、内检测数据、外勘数据、腐蚀挂片及缓蚀剂等）和外接数据（环境参数、船只活动数据（历史统计数据）、AIS、雷达及应急资源等）。

基于中海油已经开发的海底管道信息应用平台， 通过数据接口融合SCADA生产运行数据、环境数据、AIS数据及雷达数据等，形成完整统一的海底管道数据平台。

2.1.2通航风险分析模块

通过AIS和雷达数据接口， 结合海底管道所在海域年度船只活动数据和海底管道特征数据与状态数据，依据DNV RP F107［10］等规范，计算分析各管段船只落锚、拖锚等风险。

2.1.3管道悬跨风险评估模块

根据管道外勘数据，结合管道特征数据和状态数据，依据DNV RP F101、DNV RP F105规范的要求，对管道悬空和振动的风险进行评估。

2.1.4管道完整性评价模块

管道完整性评价模块从两个方面考虑：针对有详细内检测数据的管道，依据管道缺陷评价相关的标准规范 （API RP 1160、ASME B31.G及BS 7910等）进行；对于没有详细内检测数据的管道，选择相应的替代方法进行评估，如内腐蚀直接评价（NACE 0206、NACE 0208等）。

2.1.5应急支持模块

应急支持模块主要是收集、汇总海底管道的应急预案、 处置方案等信息和相关的经验报告，使得在应急状态下，能够迅速反应、快速决策、正确处置，以减少事故带来的损失。

2.2通航风险分析模块的应用实践

通过危害辨识可知，通航活动对海底管道潜在的危害包括： 船只在管道上方未经许可抛锚、沉船事故和船舶搁浅撞击管道；其中未经许可抛锚对海底管道的主要破坏模式为锚撞击管道和锚拖拽管道，文中仅对抛锚撞击管道的风险进行分析。

2.2.1通航风险分析方法

在管道运行过程中发生的损伤事故可分为：小损伤（D1），损伤既不要求修理也不会产生介质泄漏；中等损伤（D2），损伤要求维修，但不会导致介质泄漏；主要损伤（D3），损伤导致介质泄漏。

落锚撞击管道的概率EHit由下式计算：

式中 FDrift——漂移的频率；

Nship——可能抛锚的船只数量；

PHit——抛锚撞击到管道的概率；

PHuman——没有在管道附近紧急抛锚的概率；

PLoss——进行抛锚操作时全体人员失去对锚的控制的概率。

2.2.2管道保护能力分析

根据DNV RP F107， 落锚的有效冲击能量EE可由下式计算：

式中 EA——水动力增加质量对应的能量，kJ；

ET——落锚的终端速度对应的动能，kJ；

m——落锚的质量，kg；

ma——附连水质量，kg；

vT——锚在水中的最终速度，m/s。

穿越航道或渔业活动频繁区域的海底管道，一般要进行埋深设计，回填土、堆石等以吸收落锚冲击能量，保护管道安全；部分海底管道设计了混凝土配重层，也可以吸收落锚冲击能量。 根据DNV RP F107，可以计算出回填材料、混凝土配重层及管道变形等吸收的落锚冲击能量，其中回填材料吸收落锚冲击能量Ep的计算式为：

式中 Ap——坠落物体的投影面积，m2；

D——坠落物体的直径，m；

Nq、Nγ——承载力系数；

z——穿透深度，m；

γ′——回填物的单位有效重力，kN/m3。

最后， 落锚对管道的冲击能=落锚的有效冲击能量-（混凝土配重层吸收的能量+沙土层吸收的能量）， 由此可以判定管道是否会受到落锚冲击的影响和管道可能受损伤的类型。

2.2.3应用实践

为了细化海底管道不同区域的风险，首先对海底管道进行分段，按照管道特征数据（如壁厚）变化、环境（如海床类型）变化及管道配件（如阀）等对管道进行分段。 海底管道完整性管理系统可根据设定的属性对管道进行分段。 针对海底管道某一管段，通过分析该管段海域的船只活动情况历史数据，结合管道的特征数据，可计算得到该管段落锚撞击的风险概率。 图2为某管道各里程位置落锚撞击管道的概率。

图2 海底管道落锚撞击管道的概率分分布

如上所述的落锚撞击管道的概率是通过分析该海底管道所在海域的船只活动情况历史数据计算得到的，这些历史数据由AIS数据获得。 但是由于大量吨位较小的船只或者渔船都没有装配AIS设备，或者有些船只人为关闭AIS设备、AIS设备出现故障或未安装标准AIS设备， 因此AIS设备将无法接收到这些船只的位置信息，这将导致AIS记录的历史数据与实际的数据存在一定的差距。

基于数据聚合的海底管道完整性管理系统的通航风险分析模块中， 集成AIS设备收集的船只信息和雷达设备扫描的信息生成船只动态信息图，结合海底管线的位置信息，可实时监控潜在影响区域内的船只，并存储相关的历史信息数据。 通过分析AIS设备收集和雷达设备扫描的船只历史信息数据，得到海底管道所在海域实际的船只活动数据，既能实现对上述落锚撞击管道概率的修正，又能形成各海底管道海域船只活动的数据库。

通航风险分析模块可实时监控潜在影响区域内的船只，根据通航船只的基本信息，可以计算得到船舶的舾装数，并初步估计船只上配备的锚的数量和重量， 计算得出落锚的有效冲击能量；根据管道的特征数据和状态数据，可知具体管段的管径、壁厚、混凝土配重厚度及埋深情况等，可计算得出回填材料、混凝土配重层及管道变形等吸收的落锚冲击能量；进而可以计算得出管道保护能力， 并判定管道可能发生的损伤等级。 对海底管道潜在损伤等级为D2或D3的船只，将及时进行预警，与船只进行沟通或干预，防止落锚损伤管道的情况发生。

3 结论

3.1构建了海底管道数据平台，包含了管道特征数据、管道状态数据及外接数据等。 数据平台集成了海底管道的各类有效信息，提高了数据的利用水平， 为海底管道的完整性管理提供数据基础。

3.2该系统包括通航风险分析模块、管道悬跨风险评估模块、管道完整性评价模块和应急支持模块，分别从第三方活动、外部环境、管道本体和突发事件应急方面提供分析和决策支持。

3.3该系统依据国内外相关技术规范，对管道的缺陷进行识别与评价， 明确缺陷风险的来源、 等级和失效机理， 并进行量化的可视风险表达。

3.4该系统对海底管道基础数据、 日常维护数据、检测维修数据及外部实时数据等进行有效整合，同时也可以实现管道全生命周期中的数据总结，为管道日常维护管理提供有效支持，也为新建管道提供了经验和借鉴。

3.5通航风险分析模块可实时监控潜在影响区域内的船只，依据相关规范，结合海底管道的特征数据和状态数据，可详细计算明确船只与各管段交叉风险，判断管道的保护能力和可能发生的损伤等级，实现提前干预，防止船只在管道周围落锚，保护管道。

3.6该系统能够整合海底管道完整性与安全运营相关数据，有利于建立海底管道各数据之间的相关性，为将来引入专家诊断、大数据分析等提供了基础，可实现降低海底管道风险、提高运营效率的目标。