管道内外检测数据对齐在完整性评价中的应用

　　摘要：为充分挖掘管道内外检测数据的有用信息，以管道内检测数据为基准，将其与外检测数据对齐，形成以位置信息为基准的内外检测对齐数据库，进而明确影响管道安全运行的主要因素。结合某天然气管道的工程实例，利用内外检测数据对齐方法实现了数据对齐和综合分析，结果表明：该管道阴极保护状态良好，土壤电阻率和交/直流杂散电流使外防腐层破损点处形成腐蚀的可能性小;开挖验证证实在管道外壁存在金属损失处和管道外防腐层有破损处未发现腐蚀行为。对齐后的内外检测数据有利于研究管道外部环境对管道安全运营的影响，进而完善完整性评价体系。

　　关键词：管道内外检测;数据对齐;对齐模式;完整性评价

　　祝明; 姜晓红; 李晓晖; 李春晖; 杨静; 刘承磊 油气储运 2021-12-20

　　油气管网的建设是保障国民经济发展和促进人民生活水平提高的重要手段，为此国家先后建设了西气东输天然气管道、中缅天然气管道、中俄原油天然气管道等重要油气能源输送通道[1-4]。管道是油气管网中油气运输的主要载体，但随着其使用年限的增加，出现泄漏和爆炸的风险不断增大。为规避管道事故的发生，需定期开展管道完整性评价以排查管道中存在的风险，保证管道安全运营，做到防患于未然[5]。管道完整性评价通过持续不断地获取内外检测数据，以对管道管体缺陷类型进行识别和风险评估，并采取相应的措施将风险控制在可控范围[6-7]。管道内检测数据是完整性评价的基础[8-13]，管道进行一次内检测可获取缺陷的位置和特征，多轮次内检测数据对齐可明确管道中存在的活性腐蚀，并分析缺陷产生的原因[14-18]。 Reber 等[19]采集多轮次管道内检测数据，通过对齐分析建立了相应的腐蚀增长模型，并得出了管道缺陷的增长速率。Gu 等[20]通过多轮次内检测数据对齐，计算出缺陷的增长率，同时对缺陷修复提出解决方案。姜晓红等[21]通过多轮次内检测数据对齐，找出了管道存在的各类缺陷，有效分析了缺陷形成原因，并提出了相应的防护措施。管道外检测可对土壤电阻率和交/直流杂散电流干扰进行评价，对阴极保护效果进行评估，对管道防腐层的缺陷进行定位[12,22]。

　　利用漏磁检测器实现的管道内检测可准确采集管道管体缺陷的里程和周向位置信息，其位置精度高;利用人为手持检测设备在管道上方实现的管道外检测可准确获取管道外部环境因素(土壤电阻率、交/直流杂散电流、阴极保护效果及管道外防腐层)对管道安全运行的影响，但其位置精度差[23-25]。管道内检测和外检测位置精度的差异使获取的内外检测数据难以实现位置匹配和有效利用。因此，有必要结合相应理论和专业技术软件以实现内外检测数据对齐[26]，从而满足管道检测数据再利用的生产需要，并结合工程实例，研究管道外部环境对管道安全运营的影响。

　　1 内外检测数据对齐 1.1 对齐模式

　　内检测采用漏磁方式采集管道特征及管体缺陷的里程位置信息。外检测通常采用两种方式采集管道外部属性位置信息：①利用测试桩+相对距离定位管道外部属性;②利用 GPS 定位管道外部属性。相比于外检测，内检测记录的里程信息精度相对更高。外检测中的 GPS 定位精度比测试桩+相对距离方式的定位精度高，但其操作更复杂。通常，内外检测数据对齐存在两种组合模式(表 1)。

　　1.2 对齐方法

　　由于内检测的位置信息或经纬度坐标的精度均优于外检测，所以内外检测数据对齐通常以内检测数据为基准，以内外检测数据对齐模式 2 为例说明其对齐步骤。

　　(1)管道外检测数据的经纬度和高程坐标转换为平面坐标。利用高斯坐标投影正算公式[27]求解外检测管道某点 n 处的经纬度(L, B)对应的平面坐标(xn, yn)(式 1、式 2)，高程坐标 H 通过式(3)转变为平面的 Zn 轴坐标。 ( , ) xn  F1 L B (1) ( , ) yn  F2 L B (2) zn  H  M  D/ 2 (3)式中：F1 和 F2 分别为经纬度(L，B)对应的投影函数，m;M 为外检测点 n 的埋深，m;D 为管道外径， m。

　　(2)利用获取的平面坐标计算相邻外检测点 n 和 n+1 之间的间距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)利用线性插值法实现内外检测数据对齐。根据管道里程上的特征坐标(测试桩、站场、阀室、弯头或穿跨越等)将管道分成若干段，每一段的开始点和结束点之间一共有 m 个外检测点，相邻外检测点之间的里程累加求和可得该段的外检测里程(图 1)。由于内外检测获取每一段里程的方法和精度不同，需要对每一段管道的内外检测数据通过线性插值法对齐(式 5)。对齐后的管道缺陷具有其他的属性信息，如外防腐层破损点、阴极保护电位、交/直流杂散电流、土壤电阻率等，后期利用这些属性信息可实现缺陷的致因分析，进而提出缺陷的完整性管理解决方案。

　　式中：Sk和 Sk+1 分别为点 k 和点 k+1 对齐后的里程;L 为外检测点所在管段的内检测里程; 为该段累加求和后的外检测里程。(4)利用管道上固有特征对内外检测数据对齐结果进行验证。可选择内检测和外检测都测量的管道固有特征(如阀室、站场、弯头、管道穿跨越起始位置等)进行对齐结果的验证，辅助判断数据对齐的准确性。具体方法是里程误差验证： Δδ=La-Sa (6)式中：Δδ 为里程误差，m;La 和 Sa 分别为管道固有特征点的实际内检测里程和对齐后的里程，m。

　　2 完整性评价应用

　　基于上述对齐方法，自主开发了内外检测数据对齐软件，并确定了内外检测数据对齐及其完整性评价的主要流程：①内外检测数据输入;②利用数据对齐软件实现内外检测数据对齐，并形成对齐数据库;③ 基于对齐数据对管道安全运营情况进行综合分析;④基于分析结果，制定管道维护和维修的解决方案。以中国某条天然气管道为例进行了内外检测数据对齐，基于对齐的内外检测数据分析管道外部环境对管道安全运营的影响。

　　2.1 内外检测数据对齐

　　该管道全长 176 km。内检测时间为 2018 年，内检测里程 173.6 km，采用漏磁方式采集数据，基于内检测获取了位于管道内外壁的缺陷。外检测时间为 2017 年，外检测里程 201.0 km，采用 GPS 方式采集数据，基于外检测获取了管道外防腐层破损点、土壤电阻率、交/直流杂散电流及阴极保护等的数据。借助内外检测数据对齐软件，整合得到对齐后的各类内外检测数据，可知：管道外壁金属损失点较少，且金属损失深度均小于管道壁厚的 30%(图 2);该管道的外防腐层破损点主要分布在 26~170 km(图 3);阴极保护断电电位均处于-850~-1 200 mV(图 4);交流干扰电压均小于 4 V，并且交流干扰电流密度绝大多数小于 30 A/m2，直流干扰土壤的垂直管道电位梯度值、平行管道电位梯度值及电位梯度值绝大多数小于 0.5 mV/m，管道受交直流干扰强度均为“弱”(图 5、图 6);该管道有 58 处土壤电阻率测量点的土壤腐蚀性等级评价为“弱”，有 91 处评价为“中”，有 36 处评价为“强”(图 7)。

　　内外检测数据对齐软件进行数据预处理时，已考虑了由于外检测数据采集方式不同所造成的误差。在数据对齐完成后，需要对该管道沿线阀室和站场里程误差进行统计，同时对内外检测数据对齐结果进行验证(表 2)，可知：所有在阀室和站场处的对齐里程误差约为 1 m，满足对齐精度的要求。

　　2.2 对齐数据的综合分析

　　管道内外检测数据对齐后，需要对其进行分析、整合及开挖验证，以确定金属损失是否存在活性腐蚀行为。从各数据沿里程分布图可分析得出管道外壁的缺陷类型：若管道存在外壁金属损失和防腐层破损，且阴极保护状况欠保护或此管段存在交/直流杂散电流的情况，则管道此处缺陷可能会发展成活性腐蚀缺陷;若管道存在外壁金属损失和防腐层破损，但阴极保护状况良好，则管道此处缺陷可能为第三方造成的机械损伤;若管道防腐层和阴极保护状况良好，但管体存在外壁金属损失，则管道此处缺陷可能为管材制造异常。若金属损失是活性腐蚀缺陷，则此点需要开挖并维修，否则需要在下轮检测之前进行开挖调查或关注，并在下轮内检测时关注此金属损失是否增长。

　　由 2.1 节的检测结果分析可知：通过高压输出电线和故障强电流等产生的交流干扰，以及由直流电运输系统和直流电焊接等产生的直流干扰较弱，因此交/直流杂散电流不是管道外壁产生金属损失的关键因素;管道周围环境的大部分土壤电阻率较低，容易使管道外壁破损点处于易腐蚀状态，若此时阴极保护不佳，则破损点处易于形成腐蚀，而通过检测后发现管道全程处于有效保护状态，可有效避免由于土壤电阻率较低而使外防腐层破损点处形成腐蚀的可能性。因此，在阴极保护处于有效状态的条件下，土壤电阻率和交/直流杂散电流使外防腐层破损点处形成腐蚀的可能性小。

　　通过对比图 2 和图 3 可知，管道外防腐层破损点和管道外壁金属损失点存在 3 种对应关系：①管道外壁存在金属损失但管道外防腐层无破损;②管道外壁不存在金属损失但管道外防腐层有破损;③管道外壁存在金属损失且管道外防腐层有破损。对比这 3 种对应关系可知：管道外壁存在金属损失且管道外防腐层有破损处最易形成腐蚀。根据检测结果综合评价等级以及可开挖性选取了开挖点，由管道外检测获取的开挖点腐蚀情况沿里程分布情况(图 8)可知，通过开挖验证并未发现第 3 种对应关系下存在腐蚀行为。因此，可以得出 3 种对应关系下均无腐蚀行为，说明该管道运行状态良好，在现阶段可有效安全运行。

　　3 结束语

　　提出了一种管道内外检测数据对齐方法，从而充分挖掘内外检测数据的有用信息，明确影响管道安全运行的主要因素，进而提出相应的完整性管理解决方案，完善完整性评价体系。以中国某天然气管道为例，进行了内外检测数据对齐，得到对齐后的外壁金属损失、管道外防腐层破损点、土壤电阻率、交/直流杂散电流及阴极保护沿里程分布图。通过分析可知，该管道阴极保护状态良好，土壤电阻率和交/直流杂散电流使外防腐层破损点处形成腐蚀的可能性小;开挖验证未发现管道外壁存在金属损失处或管道外防腐层有破损处存在腐蚀行为。该管道运行状态良好，在现阶段可有效安全运行。在未来的研究中，可通过减小外检测采样间距和增加检测设备的精度以减少对齐里程误差，提高内外检测数据的对齐精度。