新建油气管道完整性管理系统模型设计与开发.pdf

第 3 3卷第 4期 天 然 气 勘 探 与 开 发 新建油气 管道完整性管理 系统模型设计与开发 冰 张鹏 姜云2 段永红 彭星煜 陈光明 1 ．西南 石油 大学2 ．西南油气 田公 司川东北气矿 摘要新建油气管道系统的安全可靠性的重要保障工具是包括信息的收集与整理、 可靠性评价、 管道安全 的检测与评估， 风险预测的完整性管理。管道完整性管理系统能够及时、 直观、 形象地对影响管道安全因素进行评 估， 同时对影响管道安全的重大事故隐患及重大危险源进行监控， 以及发生事故后提供救援决策分析。管理系统 具备一个强有力的软件支持环境 ， 既可为管道运行、 风险评价、 风险缓解、 剩余强度评价、 剩余寿命估计、 紧急事件 和自然灾害的应急救援等提供辅助决策支持， 还可以为管道设计、 规划等提供虚拟平台。探讨 了建立管道完整性 管理平台中的关键技术 ， 并基于兰成渝成品油管道， 通过总体设计、 数据库设计和网络设计进行管道完整性管理系 统模型设计与开发。图 l 2表2参 7 关键词新建管道完整性管理信息系统 0 引言 兰成渝是国内新建的第一条高压、 高落差 的长 输成品油管道 ， 是 国内新建 管道 的典型代表。该管 道多次穿过地震和活动断裂带 ， 所经区域黄土湿陷、 洪水、 泥石流、 崩塌及滑坡等地质灾害频繁发生 ， 同 时管道附近人 口密集 ， 人为活动频繁、 打孔盗油行为 猖獗 ， 严重威胁着成 品油管道的安全。完整性评价 和管理基本思路是调 动全部 因素来 改进管道安全 性 ， 并通过适当的预防性检测、 评价以及实施减轻风 险的措施等来改善管道安全状况 ， 达到减少事故并 合理分配资源、 节约维修费用的 目的， 同时可以通过 信息反馈， 结合实际不断完善管理系统。本文通过 对兰成渝成品油管道完整性管 理系统模型的研究 ， 为我国新建油气管道完整 性管理平台的设计与开发积累经验 ， 有助于提高我 国油气管道的完整性管理和安全运营水平 。 1 新建管道 完整性管理体 系 1 _ l 新建管道完整性管理框架 当前国际“ 油气长输管道完整性管理” 技术体 系的一般框架 图 1 ， 从 中可 以了解油气管道完整 性管理的主要框架 内容 ， 主要包括如下 6个方面 1 “ 准备阶段” 是为建立完整性信息管理系 统做准备 ， 其主要 内容收集数据、 资料 ， 包括确定油 气管道失效的主要类型， 划分管段等。 2 “ 风 险评价 ” 包括 了风险识别和后果严重 性两方面的分析 。其作用是 对油气管道失效概率 和其后果严重性进行量化分析 ， 得出风险等级， 筛选 高风险管段 ， 为油气管道完整性检测和评价深人开 展提供基础数据 。 3 “ 无损检测和评价” 是针对风险评价筛选 出的高风险管段开展深入检测和评价。安全评价包 括油气管道的剩余强度评价、 剩余寿命预测， 以及油 气管道受腐蚀损伤的程度等； 无损检测包括在线内 检测 、 外检测 ， 水压试验等方法。 4 “ 维修计划及保护措施” 是对完整性检测 和评价的响应 ， 即对检测评价确定的安全隐患提出 维护的方案 和调整措 施 ， 提高油气管道的安全性。 根据检测结果严重程度， 维修计划一般分为 立即维 修或更换 、 安排维修计划和加强监控措施三个等级。 需要建立维修标准来确定必须维修的缺陷尺寸。维 修计划根据评价等级有所区别 ， 并建立相应的实施 基金项目 国家自 然科学 5 0 9 7 4 1 0 5 ， 国家科技支撑计划项 目 子课题 2 o o 6 B A J 1 6 B 0 3一 O 3 ， 高等学校博士学科点专项科研基金 2 0 0 6 0 6 1 5 0 0 3 作者简介张鹏 ， 男 ， 1 9 6 4出生， 教授 ， 博导 ， 博士 后 。西南石油 大学从 事管道安全工程研 究。地址 6 1 0 0 5 1 成都市新都 区新都Ki l t 8 号西南石油大学。 电话 0 2 8 8 3 0 3 2 7 4 8 。Em a i l z p s w p i s i n a ． c o m 7 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天 然 气 勘 探 与 开 发 2 0 1 0年 1 0月出版 计划的技术要求。该阶段是将评价与维护、 管理相 结合的关键 ， 体现以数据进行决策管理的科学方法。 5 “ 再评价时间” 是引导检测、 评价程序循环 进行的关键。它是根据采取 的措施 运行压力等 、 维修缺陷 数量和程度 及金属腐蚀发展情况确定。 再评价不是上一轮检测、 评价简单的重复 ， 而是在验 证上次评价结果 、 维护措施和评 价方法的有效性 的 前提下， 按照修正的或确认 的维护措施及评价方法 进行新一轮检测、 评价工作 。所 以它不仅是一种新 型的管理思路 ， 更重要的是使油气管道安全走向完 整性的技术保障。 6 “ 运行安全指标 ” 是衡量油气管道完整性 管理计划执行效果 的量化指标， 用以评价完整性管 理的有效性。其指标需简单 、 易测量 、 可 比较。 完整性信息 管理系统 二仁 风险_评价 确定再评价厨期 f H 维 修 ． 调整．预防措施 墨 堕 望型 整 篓至 l 在线检测 I _ 1 水压实验I l 直接评 价l l 其它检测技术l 图 1 管道系统完整性管理技术的一般框架 1 ． 2 新建管道完整性管理信息系统 新建管道的完整性管理就是对所有影响油气管 道完整性的因素进行综合的、 一体化的管理， 同时也 是进行持续不断的改进的动态管理过程。而新建管 道完整性管理信息 系统处 于完整性管理的中心地 位 ， 这是由于完整性管理 主要通过监测、 检测、 检验 等各种方式， 获取与专业管理相结合的油气管道完 整性的信息 ， 从而对可能使油气管道失效的主要危 险因素进行检测、 检验 ， 据此对油气管道的适用性进 行评估 ， 最终达到持续改进 、 减少和预防油气管道事 故发生、 经济合理地保证油气管道安全运行的目的。 因此， 信息 的管理对完整性管理来说是一个十分重 要的环节。 根据完整性管理的主要框架内容及流程 ， 设计新 建管道完整性管理信息系统的模块结构 图 2 。由 图可见， 管道完整性管理信息系统主要由完整性评价 数据库、 缺陷剩余强度和剩余寿命评估以及管道风险 评估这三大部分构成。其中完整性评价数据库包括 管道设计参数、 管道内压力等一些基本数据， 还有缺 陷检测数据以及管线系统所处周边环境的地质状况、 自然环境等相关信息。缺陷剩余强度和剩余寿命评 估属于管道安全评估范畴 ， 其主要 目的是建立相关模 型以期预测含缺陷管道的剩余强度和剩余寿命。管 道风险评估主要对管线可能遭遇的失效风险进行预 测， 并建立相应的管理信息库 J 。 ．，l 薹 萎 蓍 萎 焉 蒡 粪 喜 芸 蕃 主 器 籍 ● 毅 嚣 嚣 翌 苎 皇 l ’J 信患．腐蚀缺陷检铡数据．成品油管道的沿线土壤庸蚀性数据 I 管道沿线的环境数据以及风险评价因素体系等。 囊余 强度 ． 鬟余寿 命评 估 ．壁厚 承 载能力评价 根据 A S ME B 3 1 G 一1 9 9 1 标 准确定管段 的腐蚀 缺陷的 余强度，并绘髑整个管道的庸蚀缺陷的安全系数曲线，此 外还 可以对单个馥 陷在不 同的运行环境 下进行 悍估 根据 P i p e l i n eR i s k Ma n a g e me n t Ma n u a 1 对彤响 管道失 的第三方破坏 、腐蚀 设计 谡操作 模块和影 响后果横 块 分别进行评估 ．绘审 I 整个管 线的失效概 率图和 风险分布 图 ， 确 定高失效区域和 高风险 区域 。 软件安全 模块 ．用户分 为管理员 ．普通用 户 ．不 同级别实 现不 同的功 昭．可增加 、删除用户 描述本软件 系统的结构 ．使用说 明及注 意事项 图2 新建管道完整性管理信息系统的模块 2 新建管道完整性管理系统模型设计 管道完整性管理系统模型应该根据用户需求设计 7 8 功能， 作为一个完整的软件系统， 其基本功能包括 ① 数据信息采集和维护； ②风险评价和风险缓解模型分 析； ③ 图形生成和图形编辑；④ 数据信息输出 等。 成 品 油 管 道 完 整 性 警 理 信 息 系 统 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 3卷第4期 天 然 气 勘 探 与 开 发 2 。 1 总体设计 一 般地 ， 管理系统模 型设计过程 ， 包括可行性分 析、 用户需求分析 、 系统总体设计、 系统详细设计、 制 定系统的实施计划 、 系统试验等多个步骤 图 3 。 根据系统研制 目标 ， 规划系统 的规模 ， 研究系统 的各组成部分 。管道完整性管理系统总体设计的任 务包括 i可行性分析 i管道公司需求分析 i i系统总体设计 。 必要性、 意义 i i 。 用户分类 i’ 子系统的分解 i- 确 定 系统的 总 体目 标 L 。 现 状调 查} ] ，；‘ 子系 统之 间的 接口 设计 i。 数据资源调查分析 i ’ 需要了解的主要内容 ‘ 软硬件体系结构设计 薹 茎 蔓 ⋯ ．． __I． 薹 三 ．。 ⋯ ．．二 二 二 二 二 二 i - 建 成 系 统 效 益 分 析 i i 织 状 况 分 析 i J L 系统详细设计 ，．L J ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯ ． ‘ 数据库设计 i i 系 统 试验 i ． i 。 数 据 采集 与转 换 方案 设计 ； 建 立 试 验 区 数 据 库 K 二 二 。 软 硬 件 系 统 结 构 设 计 ； 嚣 薏 釜 理 功 能 测 试 笑 翟 鍪 葬 设 计 ． 曼 _方 墨 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ． 鬟 i 系统用户权限设计 i 图 3 管 道完整性 管理 系统模型设计步骤 1 子系统的分解 根据功能的聚散程度、 数据 管理 、 管道管理机构和运行机构的设置、 用户类别 、 使用层次等多种因素， 将系统合 理划分 为多个子系 统 ， 界定各系统的基本 目标和任务。 2 子系统之间的接口 设计。包括确定子系统之 间的数据共享、 交换以及子系统之间的功能调用关系， 要重点对数据交换格式、 数据使用权限进行定义。 3 软硬件体系结构设计 包括软件结构与逻 辑关系设计 ， 软件之间集成 方法设计 ， 网络设备 配 置 ， 系统各部分数据通讯设计 ， 网络进程控制和数据 访问权限设计等。 2 ． 2 数 据库 设计 管道完整性管理是建立在大量的管道数据和管 道沿线地理信息数据之上的， 数据的合理组织和数 据库结构的合理设计是确保管道完整性管理系统开 发成功的关键。 管道完整性数据库是由一组数据库组成的， 用 于组织和存储管道完 整性管理 的相关信息 ， 例如安 全检测、 风险评价 、 风险缓解 、 剩余强度分析、 剩余寿 命分析等。它由基础信息、 完整性信息和地理信息 三类数据构成的综合性数据库。一般来说 ， 都应该 结合管道数据库， 以求管道完整性管理数据库有更 充足的数据源和更详细合理的分析和处理。 1 数据库总体结构设计 数据模型的选择 数据 模 型 选 择 关 系 模 型， 数 据 库 管 理 系 统 D B M S 选择 S Q L S e r v e r 2 0 0 0， 操作 系统选择 Wi n d o w s N T 4 ． 0 、 2 0 0 0或 X P 。 信 息分类 管道完整性管理数据库存储 的信息可以分为三 类 ①基础信息 ， 自身既无完整性管理信息也无地理 信息 ， 该类对象 的存在是为了给管道完整性管理提 供支持和参照， 例如管道完整性标准、 国际相关标 准、 管道公司的相关信息等就属于这类数据； ②完整 性管理信息， 它包括一切和管道完整性管理相关的 数据； ③地理信息， 管道和管道沿线周围的地理位置 和地理分布信息。 总体结构设计 管道完整性管理数据库总体结构 图4 。 管道完 整性管理GI S 数据 库 基础信息数据库卜 一 ． 1 地理信息数据 _ _ 完整性管理信息数据 图4 管道完整性管理数据库总体结构圈 2 基础数据库设计 基础信息数据库 内容 基础信息数据库用于组织和存储 自身既无完整 性管理信息也无地理信 息， 该类对象 的存在是为了 给管道完整性管理提供支持和参照 ， 此类对象如果 有地理信息属性， 则存储与地理信息数据库中。根 据国家标准 危险货物品名表 G B 1 2 2 6 8 9 0 ， 将 危险货物分为 9类， 油气产品属于第 3 类 易燃液 体 。基础信息数据库中， 一共有 3 0个子数据库， 如 ①参照标准数据库； ② 文件控制数据库； ③记 录控制数据库 ； ④ 法律及其他要求管理数据库； ⑤ 企业文化建设管理数据库； ⑥管理评审数据库； ⑦ 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天 然 气 勘 探 与 开 发 2 0 1 0年 1 0 月 出版 Q H S E目标指标管理数据库 ； ⑧信息交流与协商控 制数据库； ⑨员工能力、 意识和培训管理数据库措 施管理数据库 ； ⑩管道分段情况表等。 基础信息数据库结构设计 基础信息数据库中一共有 3 0个子数据库， 这里 只随机选取其 中两个做介绍 ， 其余子数据库依次类 推。两个示例数据库分别为管道管理数据库和成品 油不合格品控制数据库0管道管理数据库共有 4 张 表 工程记录表、 管道巡线记录表、 阴极保护电位表、 阴极保护站记录表。以阴极保护电位表 1 示例 表 1 阴极保护电位数据库设计参数 3 完整性信息数据库设计 完整性信息数据库用于组织和存储与管道完整 性评价相关的属性信息。此类对象是管道完整性管 理所管线的主要对象。它由6 个子数据库组成 ① 安全检测数据库 ； ②风险评价数据库 ； ③风险可接 受程度数据库 ； ④风险缓解数据库 ；⑤危险源记录 数据库 ； ⑥事故记录数据库。 完整性信息数据库结构设计是完整性管理中的 核心部分。由于完整性评价的核心为风险评价 ， 故 以风险评价数据库为示例来说明管道完整性管理数 据库。根据经典定量风险评价模型， 按照故障树分 析方法， 可知油气管道的失效基本因素有 9 2个。在 风险评价数据库 中， 含有 6个子表格 专家信息表、 管段信息表、 失效后果表、 评价结果表、 因素割集信 息表。其中风险因素评价见表 2 。 4 地理信息数据库设计 地理信息数据库用于组织和存储管道完整性管 理涉及对象的地理位置、 地理分布和尺寸信息等空 间数据 ， 一共包含有 9个子数据库， 包括 基础地理 信息空间数据库、 泵站分布空间数据库、 安全检测空 间数据库、 风险评价空间数据库、 风险缓解空间数据 库、 失效后果空间数据库、 事故地点空间数据库、 消 8 0 防力量空间数据库和安全通道空间数据库。 表2 风险因素评价数据库设计参数 9个子数据库分别对应 9个 图层 ， 每个 图层均 存储相应信息。按照此类对象的属性和空间数据特 征 ， 可进一步分为 3类 ①与基础信息数据库相关的 对象； ②与安全信息数据库相关 的对象 ； ③只有地理 信息的对象。基础地理信息数据库用于存储描述管 道的地形、 地貌、 穿跨越、 土壤、 水系、 房屋、 高程、 重 要标记等基本面貌的空间数据， 其余的数据库用于 存储相应的空间数据 J 。 3 新建管道完整性管理系统模型开发 本文以兰成渝管道为主要研究对象， 通过管道 完整性管理中的风险评价提供一个全面完整的兰成 渝成品油管道风险数据管理系统。基于该模型， 管 道管理部门可以基于更广泛的信息对管道系统做出 更好的决策来降低管道风险， 减少维修费用， 延长管 道寿命和满足规定的要求 。 3 ． 1 软件安装 点击安装 目录下的 s e t u p ． e x e ， 根据 “ 完整性管 理系统” 的安装向导可将该软件安装在计算机的任 意位置。图 5和图 6均为安装界面。 3 ． 2 软件登陆 用鼠标点击完整性管理系统软件的图标 ， 即可 图5 安装界面 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 3 卷第4 期 天 然 气 勘 探 与 开 发 圈 6安装 界面 启动管线评测系统软件 ， 在 弹出登 陆窗 口中选择用 户名 ， 输入正确的密码 后 ， 按 “ 确定 ” 键 即可进人用 户界面。不同的使用者有不同的权限， 各使用者可 以修改自己的密码。而只有高级用户才能添加或删 除用户， 在开始运行后， 会出现如下图 7 、 图 8的用 户登录界面和管道基本信息输入界面。 圈 7 登陆界面 圈 8管道信息输入 3 ． 3 用户评测 本完整性管理软件采用 w i n d o w s风格设计 ， 具 有方便易行的操作特点。每个对话窗口左边都有树 状菜单方便操作， 窗口顶部有操作菜单条， 右边为主 要对话内容。操作方式一 目了然。与用户对话 的主 要界面包括三大部分， 即管道信息输人、 评测数据输 入、 评测结果输出三部分。图9 1 2为完整性管理 中的评价参数输入、 评价专家信息输入和评价结果 显示 见 图9 、 图 1 O 、 图 1 l 、 图 1 2 。 图 9 评价参数输入 图 1 0 评测专家信息 图 1 1 评价结果输出 图 1 2 评价 结果输 出 4 结束语 本文在综合分析国内外完整性管理技术研究状 8 l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天 然 气 勘 探 与 开 发 2 0 1 0年 l 0月出版 况的基础上， 对油气管道特别是新建管道完整性管 理的框架、 模型设计及模型开发进行了系统深入 的 研究。建立了管道信息数据库 ， 并在此基础上对管 道进行动态模拟 ， 为管道的运行、 管理和决策奠定 了 基础。结合现代信息技术中的地理信息系统和完整 性评价系统 ， 以兰成渝管道为例建立 了新建油气管 道完整性管理模型 ， 开发了相应的完整性管理系统 软件。 对于管道完整性管理信息系统尤其是新建管道 完整性管理体系， 研究工作还需进一步深入 ， 主要集 中在以下方面 1 在油气管道的完整性管理中， 急需建立适 合我国国情的安全指标体系。 2 加强管道高信息区识别。 3 建立更加合理、 更加科学的完整性评价的 数学模型， 特别是在失效后果量化模型研究上更需 加强 。 4 对每一条管道建立一个管道数据库， 只有 在管道信息系统完善后 ， 才能精确对管道进行数字 化建设和管理， 以及静动态模拟。 8 2 参考文献 l 彭星煜。 张鹏 ．油气长输管道外腐蚀维护风险缓解程度 模型[ J ] ．石油工业技术监督， 2 0 0 6 ； 2 2 1 o 3 5 3 9 ． 2 Z h a n g P e n g ，P e n g i n gy u，C h e n g L i q i o n g ，S t u d y O n Ri s k Mi t i g a ti o n E x t e n t Mo d e l o f Ma i n t e n a n c e Me a s u r e t o L o n gd i s ta n c e 0 i l ／G a s E x t e ma l C o r r o s i o n P i p e l i n e ，I n t e r - n a ti o n a l C o n f e r e n c e o n Mai n t e n a n c e E n g i n e e ri n g I C ME ， C h e n g DU，C h i n a ，O c t o b e r 1 5 一l 8，2 0 0 6 ． 3 张鹏， 陈利琼， 侯向秦 ．基于风险的油气管道最优完整性 维护决策 一 [ J ] ．天然气工业， 2 0 0 4 ． 9 1 5 9 1 6 2 ． 4 Z h a n g P e I 1 g ，C h e n L i q i o n g ，H o u X i a n g q i n 2 0 0 5 U t i l i t y F u n c t i o n Me t h od of O p ti ma l D e c i s i o n Ri s k B ase d f o r O i l ／ Gas P i p e l i n e I n t e g ri t y Main t e n a n c e，P a p e r s of 2 0 0 5 C h i n a I n t e rna t i o n a l O i l＆ G as P i pel i n e T e c h n o l o g y I n t e g r i t y Co n f e ren c e ，S e p t ． 1 5 1 7，S h a n g h a i ，P RC ．Ch i n a1 6 3 1 7 4． 5 刘铁民．城市安全地理信息系统设计与开发[ M] ．北 京 科学 出版社 ， 2 0 0 4 ． 6 黄国瑜， 叶乃菁 ． 数据结构 C语言版 [ M] ．北京 清华 大学出版社， 2 0 0 1 ． 7 郭庆胜， 王晓延 ．地理信息系统工程设计与管理[ M] ． 武汉 武汉大学出版社 ， 2 0 0 3 ． 修 改回稿 日期2 0 1 0 0 7 2 0 编辑文敏 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m