GIS管道精密對接設備機械系統的設計與研究

/摘 要：/

油氣管道在地下土壤環境中會受到腐蝕，影響油氣管道的使用壽命?，F基于GIS技術研究了油氣管道精密對接設備機械系統，通過移動終端對油氣管道的檢測，將數據傳輸到GIS服務器和系統服務器中。數據服務器根據油氣管道數據的類型進行儲存和計算，分析缺陷區域管道的內壓、缺陷對管道剩余強度的影響，完成對油氣管道的完整性評價和管間精密對接性分析。實驗中使用該系統與油氣管道缺陷無損檢測、基于有限元的油氣管道漏磁檢測對油氣管道進行完整性和精密對接性檢測，檢查管段中存在的缺陷個數和管道內壓，實驗數據表明，該系統對油氣管道的檢測精度最高，檢測出存在的腐蝕性缺陷個數最多，管間對接精密度最高。

0 引言

隨著我國油氣輸送技術的迅速發展，油氣管道的使用越來越廣泛。由于工業廢水和污染物使土壤環境受到腐蝕，而管道周圍環境會影響管道的壽命，通常會對輸送管道采用防腐層的防護措施[1]。但因為施工過程中受到技術和環境的限制，隨著時間的推移，管道對接的精密度會逐漸降低，防護層發生開裂和脫落，使管道的安全性能降低。一旦發生管道泄漏事故，可能會引發燃燒和爆炸，給周圍的自然環境和人們的生命、財產安全造成損失[2]。

針對上述問題，文獻[3]采用了油氣管道在線檢測系統對油氣管段的陰極保護裝置和對接管道進行風險性評估，有效降低了油氣管道發生故障的概率；但系統中腐蝕評價和破壞評價并不完善，故對管道檢測的精度不高，且檢測時間過長。文獻[4]使用了磁漏變形和腐蝕檢測設備，并完善了配套管道檢測和完整性評價技術，對油氣管道進行內外檢測和安全評價，取得了較好的效果；但沒有建立管道信息數據庫，檢測到的數據無法實現實時共享，設備的維護成本較高。

針對上述研究中存在的不足，本文基于GIS技術應用移動終端通過無線通信與GIS服務器之間進行數據交互，將采集到的油氣管道數據和周圍地理環境信息傳輸到數據服務器中，通過對油氣管道檢測，發現其中的設計缺陷或硬件缺陷，并對這些缺陷進行計算評估，判斷對油氣管道剩余強度和管道內部壓力的影響，防止腐蝕性缺陷對管道完整性和對接精密性造成破壞。

1 基于GIS技術的管道精密對接設備機械系統

本文的創新點在于：GIS系統服務器與系統服務器之間的互聯，可以根據現場實際油氣管道數據和設備屬性進行數據庫的添加和修改，使油氣管道的數據實時更新。服務器之間的交互更加有利于對油氣管道的空間數據和屬性數據的調用和查詢，對油氣管段中缺陷對管道的壓力系數和完整性的影響計算更快，得到對油氣管道的完整性評估和對接精密性。

1.1 系統總體設計

油氣管道的精密對接是指油氣管道保持完整性與可靠的狀態。油氣管道一般有陰極保護裝置和外部的防腐層，可以減輕腐蝕的程度[5]。管道的安裝和運輸過程可能會對管道的防腐層造成一定程度的損壞，時間長之后防腐層和陰極保護裝置會發生老化，腐蝕性液體會對管道造成破壞[6]。鑒于眾多因素對油氣管道的影響，為保障管道的精密對接，對油氣管道進行完整性檢測是非常有必要的。

基于GIS技術來實現油氣管道的缺陷檢測，操作方便和成本較低的同時對油氣管道的檢測精度更高[7]?；贕IS技術可以實現管道設備、管段環境、周圍管線信息的有機整合，對某一管道交匯點和管段可以給出準確的信息，提高了管道檢測完整性和精密對接方面的精度。系統結構圖如圖1所示。

本系統基于GIS技術和移動終端，通過無線通信與GIS服務器和數據服務器的互聯，完成對油氣管道精密對接和完整性的檢測；對管道缺陷進行記錄，根據數據對缺陷等級進行劃分，對嚴重威脅管道安全性的缺陷及時進行處理，防止事故的發生[8]。

系統能夠快速檢測油氣管道對接的精密性，與底層強大的GIS數據有很大關系。系統的各功能模塊和數據模塊分層架構，各層之間可以實現交互的功能，從整體上可以完成數據交互和業務邏輯的開發[9]。接收傳輸來的數據時，可對數據進行識別并分類，儲存在相應的數據服務器中。對數據進行修改和升級時，可以只針對相應的數據模塊進行修改和升級，不影響其他數據模塊的正常使用[10]。

1.2 油氣管道的完整性檢測

當管道的某一管段因為防腐層老化和陰極保護裝置脫落而受到腐蝕時，腐蝕程度會影響管道的強度，當管道被腐蝕到一定程度時，其強度就不能滿足工作要求[11]，通常稱這種狀態為管道極限強度狀態。管道的使用壽命可以用這些特征量和極限狀態程度進行測算[12]。

泵站需要向管道提供壓力來滿足油氣管道的正常工作，由伯努利方程可知，在流體運動中壓力用來克服管道中的摩擦阻力[13]。在長管道中，油氣傳送的沿程摩阻占大部分，局部摩阻占一小部分。因為局部摩阻主要是油氣流經閥門和彎型管道時產生的，長管道傳輸中閥門和彎管數量較少，所以產生的磨損也少[14]。沿程摩阻可表示為：

式中：λ為摩阻系數；l為流經管道的長度；V為管道中流體的速度；D1為管道的內徑。

λ的值跟摩阻R有關，R表示為：

式中：υ為流體的運動粘度；Q為流體的體積流量。

將摩阻損失轉換為壓力損失P可表示為：

式中：ρ為油氣的密度。

如果不考慮摩擦阻力，則距離管道L處的內壓可以表示為：

式中：Po為油氣出站口的壓力；Δz為高差位能[15]。

管道運行中，內壓的大小隨著距離增加而減小，在起點處內壓最大，然后逐漸降低。當腐蝕缺陷程度相同時，內壓在管道起點對管道的影響最大，隨著距離增加影響逐漸減小，所以油氣管道各管段中的風險值不一樣[16]。

通過力學分析計算出管道缺陷處的壓力，為油氣管道的維修和更換提供依據[17]。當油氣管道的缺陷處達到極限壓力時，管道會發生破裂，壓力系數可表示為：

式中：Psw為管道安全運行的壓力系數；Pf為缺陷處部分管道的損失破壞壓力；Fs為安全系數。

Pf可表示為：

式中：P0為正常管道的破壞壓力；Rs為油氣管道剩余強度系數。

Rs與管道的關系為：

式中：d為管道腐蝕缺陷深度；t為管道壁厚；L為管道腐蝕缺陷的長度；D2為管道的外徑。

帶有軸向腐蝕缺陷的油氣管道可承受內壓的計算公式為：

式中：p為管道可承受的內壓；σTs為管道材料的拉伸強度；G為管道長度的修正系數。

G可表示為：

油氣管道發生腐蝕時，管道最大安全運行壓力計算公式為：

式中：σs為管道材料抗拉強度；F為油氣管道的設計系數；M為油氣管道的膨脹系數。

對帶有腐蝕缺陷的管道分析剩余強度，計算出油氣管道的最大運行工作壓力，來判斷管道是否處于最低工作狀態，然后對油氣管道進行維修和更換，保證了油氣管道的完整性和精密對接[18]。

1.3 油氣管道GIS數據庫的應用

GIS服務器具有較強的空間分析能力，在對油氣管道進行分析、定位和查詢時，管道的圖形和數據可視化，具有模擬演變和空間決策的能力[19]。油氣管道的信息在GIS系統中的時間與空間上連續分布，具有多維性、時序性的特點。獲取數據的方法較多，根據不同地理位置和管段特性，選擇不同的方法采集數據，如表1所示[20]。

油氣管道信息可視化使信息的查詢和對管道缺陷處的分析結構能在圖層中顯示，在對管道信息輸出時，都采用地圖學的表示法。對油氣管道進行數據分析時，常用的分析方法有拓撲分析、距離圖、地形圖等[21]。GIS體系結構如圖2所示。

GIS體系結構可分為三個部分：表示層、邏輯層、數據層。表示層包括各種移動終端，如手機和筆記本電腦、PDA、車載終端等，可隨時與服務器連接提供數據[22]。邏輯層包括無線網關和各種服務器，利用多層架構，結合各種服務器與互聯網提供的線性結構，可以更好地處理數據，平衡負載的問題。Web服務器與GIS服務器互聯，數據分布廣泛，SDE和多元異構空間數據庫交互，實現了GIS系統數據的傳輸和交互，使系統具有更好的靈活性和適用性[23]。

2 應用測試

為了驗證本設計對機械系統的影響，本文分別用油氣管道缺陷無損檢測[3]和基于有限元的油氣管道漏磁檢測[4]與本文所提出的檢測方法做實驗對比，發現管道表面存在的腐蝕性缺陷。表2所示為軟件操作系統的實驗環境。

油氣管道受到地質環境、輸送介質、管道材料和防腐蝕裝置多方面影響，容易發生腐蝕穿孔的現象，污染環境。系統能夠對泄漏區域快速定位、及時檢修，最大程度減少損失。油氣管道監控系統對現有設備進行監控，對管道在正常工作中的壓力、溫度、流量等信息進行檢測。GIS服務器具有空間分析、數據運算、快速定位和查詢的功能，通過數據庫對數據進行處理，可以得知管段中存在缺陷的區域，對區域進行完整性、對接精密性檢測，并在圖層中標記出來。表3為本文系統、文獻[3]系統和文獻[4]系統檢測到的油氣管道數據對比。

由表3數據可知，本文系統的檢測精度更高，發現的缺陷個數最多，得到的油氣管道的管間對接精密度最高。本文系統發現的腐蝕性缺陷個數達到106個，對油氣管道的檢測更加細致，精度更高。文獻[3]系統對油氣管道的檢測數據明顯低于本文系統的數據，檢測到的缺陷個數低至82個，說明文獻[3]系統的檢測精度不高，檢測到的數據粗略、不準確，有些缺陷檢測不到，容易造成對油氣管道的損壞，發生事故的概率增加，同時造成管間對接的精密度不高。文獻[4]系統檢測到的數據精度較高，相較于文獻[3]系統的數據，檢測到的缺陷個數明顯提高，提高了油氣管道的安全性，但管間對接精密度略低于本文系統。因此，本文系統根據油氣管道的壓力和流量，再結合管段中缺陷區域的位置，可以對某一特定管段進行完整性評價，計算出油氣管道可以正常運行的最小內壓，同時評價管道的剩余強度，以便對管道進行檢修和更換，提高了管道的安全性能。

3 結語

本文基于GIS技術研究油氣管道對接設備機械系統、移動終端設備和油氣管道監測設備，通過無線通信與GIS服務器和系統服務器實現數據交換，包括油氣管道的長度、內外直徑和內壓，表面存在的缺陷個數和周圍地理環境的信息，都存儲在GIS數據服務器中。根據實際數據可對油氣管道進行完整性和對接精密度評價，通過對缺陷的評估判斷是否需要對管道進行維修，可以避免管道工作中的事故風險，減少事故的發生。由于采集到的油氣管道的數據信息量過大，在無線通信傳輸方面需要更大帶寬和更快速率的支持，GIS數據服務器也需要更大的容量，硬件設備的維護和運行成本不低。本文系統還需對管道特性、完整性評價和檢修時間的安排進行完善，建立更可靠的管理系統。

審核編輯：湯梓紅