基於完整性資料庫的管道應急信息化技術
摘要：將信息化技術應用於長輸管道的應急搶險工作，是一個全新的課題，既可以提高應急反應效率，又可以有效節省人力、物力，指出搶險的重點方向。闡述了管道地質災害氣象預警、管道泄漏模擬分析、管道應急三維分析、管道應急專題圖、PIS管道應急數據支持系統等信息化技術方法和原理，給出了實際應用案例，包括蘭成渝管道地質災害氣象預警、秦皇島裝船線原油泄漏入海模擬、溫泉水庫潰壩對澀寧蘭管道危險性影響三維分析、唐家山堰塞湖潰壩對蘭成渝管道影響三維分析，表明了信息化技術在管道應急搶險中的重要作用。最後，對管道應急信息化技術的未來發展趨勢進行了探討。（圖9，參13）
關鍵詞：長輸管道；應急搶險；信息化技術；應用案例
目前，我國油氣長輸管道已超過10×104km。隨著油氣長輸管道里程的快速增長，管道安全越來越受到政府和公眾的關注。一方面，當管道發生泄漏、爆炸等事故時，會對周邊居民、環境造成危害；另一方面，外部環境（如洪水、泥石流等）也會對管道的安全運行造成威脅。為此，國內外學者和專業人員在應急搶險的信息化方面開展了大量工作。在國外，美國國土安全部基於國家事故管理系統建立了管道維搶修應急響應程序系統，包括應急準備和管理、通信和信息管理、資源管理、命令和管理、正在進行的管理和維護等內容，用於預防和減輕事故的影響，減少人身和財產損失，降低對環境的危害。美國依據國家海洋和大氣環境敏感指標繪製了海岸線敏感環境圖，包括海岸線特性、生物資源、海鳥群和海洋哺乳動物活動範圍、人類耗費資源、水入口、碼頭以及游泳海灘等內容，在應急條件下，這些地理信息可快速為泄漏應急響應和管理者提供行動參考。美國管道與危險品管理局（PHMSA）建立了面對全美長輸管道的國家管道地圖表示系統（NPMS），該系統基於GIS技術，管道運營商和公眾可以查詢可能發生地震、洪水和其他自然災害的重點區段，確定處於危險環境中的管道的風險，標出通過敏感地區的管道位置；一旦發生意外事故，還可以迅速在系統中提取相關信息，向聯邦或州管理機構提供詳細資料，並在圖中標出圍油柵等搶修設備位置，指導應急搶修。2010年7月，Enbridge6B原油管道泄漏，美國環境保護局（EPA）利用GIS技術將管道路由、泄漏點位置、河流以及圍油柵部署位置等信息在圖中標註並發布，提醒周邊公眾加強自身安全保護。鄭永濤等開發了針對中國石化管道儲運分公司濰坊輸油處的輸油管道搶修信息系統，用於管道搶修信息和異常壓力波動巡線信息的處理記錄。在國內，付立武通過中國石油氣象與地質災害預警平台中管道自然災害預警分級響應案例，對油氣長輸管道維搶修預警響應體系進行了研究。王衛強等開發了基於WebGIS技術的輸油管道風險管理和應急響應系統。朱本廷開發了基於WebGIS的油氣管道事故應急救援系統。
綜上所述，國內外對管道維搶修的信息技術研究僅限於對管道泄漏以後應急處置的支持，極少涉及外部環境對管道威脅的評估。此外，國內外針對管道維搶修的信息支持技術研究比較單一，多採用單一技術來支持管道應急搶險的部分工作，應用程度較淺，沒有緊密結合管道應急搶險業務的實際情況，綜合多種技術全面、深度地支持管道應急搶險工作。為此，從管道應急搶險的實際業務出發，綜合多種技術，闡述了長輸管道應急搶險信息化技術的應用研究。
1 技術原理及方法
1.1 管道地質災害氣象預警技術
依據管道地質災害危險性評價結果，結合歷史災害降雨數據，建立面向特定管道區段的大比例尺的管道地質災害氣象預警模型，並結合管道沿線的實況降雨數據，實現24小時地質災害預警（圖1）。
1.2 管道泄漏模擬分析技術
基於GIS技術和流體力學理論，研發建立了Oil-Flow模型及相關模擬軟體（圖2）。
Oil-Flow模型根據陸上管道油品泄漏的特點，採用油品泄漏-漫流-匯流-停止擴散-水源地臨近判別的過程進行評價，能夠確定泄漏路徑，判別可能受到影響的水源地。
該方法可有效識別管道的潛在失效點，這類失效點通常距離居民區、大型河流等環境敏感區較遠，不易發現，常被管道管理者所忽視，但一旦發生事故往往造成嚴重後果。
初始泄漏速率採用流體力學中伯努利方程計算：
式中：QL為液體泄漏速度，kg/s；Cd為液體泄漏係數，通常取0.6～0.64；A為裂口面積，m2；p為容器內介質壓力，Pa；p為環境壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；h為裂口之上液位高度，m。
1.3 管道應急三維分析技術
該技術基於數字高程模型（DEM），通過三維方式展示管道與周邊河流、居民區的空間關係，使管道運營者更加有效地識別出泄漏油品對周邊人口、環境造成危害的潛在影響區域。同時，基於河流連通性等空間分析，有效判斷泄漏油品的流動方向以及是否可能流入大型河流或海洋，並通過道路河網交叉分析提出有效的應急布控點位置，最大可能地減小油品擴散範圍。
1.4 管道應急專題圖技術
管道應急專題圖技術是綜合管道地圖數據和完整性數據，生成各種不同樣式的專題圖。中國石油管道科技研究中心基於該技術研發了管道完整性工程圖軟體PipeSG，能夠實現不同類型的管道完整性數據（如管道樁、管道埋深、管道高後果區、管道缺陷、管道修復等）在同一圖紙上按里程方式的排列展示，實現了多維度管道設備信息的集中表示。同時，該技術創新性地採用線性參考技術，使得所有數據能夠按照里程方式排列展示，為管道數據之間的關聯對比提供了依據，回答了諸如管道高後果區上存在哪些缺陷，缺陷所處管體埋深是多少的技術問題，解決了管道應急數據之間關聯比較的技術難題。
1.5PIS系統管道應急數據支持技術
中國石油管道科技研究中心開發的PIS系統覆蓋5個地區公司、58個分公司/管理處，503個基層站隊，4.6×104km管道，2300名用戶；涵蓋管道管理9個業務領域，41個業務流程；涉及5家地區公司2×104多項維搶修機具、2000餘名搶修人員，3600餘項應急預案等信息的管理。PIS系統可實現對所轄管道的管道專業數據的信息查詢、搶修信息資料管理、搶修數據統計與分析等功能。此外，PIS系統實現了與各管道地區公司巡檢系統、氣象與地質災害預警平台的集成。當管道所轄區域預報有高等級的氣象災害或三級以上的地質災害發生時，則通過PIS系統對所轄管道的管理者發出通知，加強災害受影響管段的災害防禦；當發生泄漏事件時，管道巡線工可以通過手持終端第一時間將泄漏位置、泄漏量等現場情況上報到PIS系統，保證事件的及時上報，從而為應急搶險爭取時間。
2 應用實例
2.1 蘭成渝管道地質災害氣象預警
基於地質災害氣象預警分析技術]，2009年7月16－17日，連續兩天通過公司主頁、AM方式等渠道發布了「16－17日」「17－18日」的管道地質災害4級預警（圖3）。預警信息發布後，7月16－18日，川北、甘南地區連降暴雨，地處該區域的管道，多段出現險情。公司根據預警信息，提前進行了周密部署，啟動搶險預案，所在區域站隊積極採取應急措施，及時處置地質災害，保證了管道安全。
2.2 秦皇島裝船線原油泄漏入海模擬
秦皇島裝船線輸油管道位於秦皇島市，臨近渤海，全長17.354km，海拔1.2～58.84m。通過地形分析，選取了1#~4#共4個泄漏點，位置分別為K002、K002-JM-11、K003-JM-11、K004-BZ-05。採用泄漏模擬技術，對選取的泄漏點進行了泄漏模擬分析。依模擬結果，3#泄漏點的泄漏油品可能進入臨近河渠內，繼而通過小河渠流入新開河，並經由新開河直接流入渤海，因此，3#泄漏點對渤海的威脅最大（圖4，紅線代表管道，黃線代表潛在泄漏入海路徑）。
2.3 溫泉水庫潰壩對澀寧蘭管道危險性影響的三維分析
2010年6月，格爾木市出現大範圍大到暴雨，位於格爾木市東南127km的溫泉水庫水位超過防洪限制水位，形勢嚴峻。基於全國1∶250000數字高程模型（DEM）數據，製作了溫泉水庫與澀寧蘭管道的三維地形圖（圖5）。同時，基於GIS技術製作了溫泉水庫與澀寧蘭管道的空間位置關係圖（圖6）。依三維地形圖可知，一旦溫泉水庫出現問題，水流會順著雪水河、格爾木河流向地勢較低的柴達木盆地，而盆地中的澀北壓氣站與羊腸子溝壓氣站之間的管段（圖6中橢圓型區域）可能會受到溫泉水庫潰壩的影響。
基於GIS技術，對澀北站與羊腸子溝壓氣站之間管段附近水系進行分析（圖7），該管段沿線沒有水系與格爾木河直接相連，在常規條件下格爾木河在柴達木盆地中部無確定水流方向，河流在此終止。澀寧蘭管道距離格爾木河終止處40～50km。因此，水庫潰壩後的水沿格爾木河水系沖毀管道的可能性很小。
利用該技術，分析得出其他區域管道不受該水庫流域影響，因而為管道應急準備提供了重點防控管段信息。同時，為確保處於柴達木盆地中的澀北壓氣站與羊腸子溝壓氣站之間可能受到影響的管段的安全，提出了「管道運營者現場確認格爾木河終止區域海拔是否低於管道位置海拔後，再決策是否解除警戒」等建議措施。
2.4 唐家山堰塞湖潰壩對蘭成渝管道影響三維分析
2008年「5·12」汶川地震期間，由於地震影響，位於管道西部的唐家山堰塞湖水位最高達到740m，庫容達到2.96×108m3，對下游的蘭成渝管道造成極大威脅]。基於DEM，對唐家山堰塞湖到蘭成渝管道之間的地形地貌進行了分析。結果表明：唐家山堰塞湖到蘭成渝管道直線距離約36km，沿通口河、涪江走向距離約50km。總體上，唐家山堰塞湖所處地勢較高，蘭成渝管道江油市涪江閥室地勢較低（圖8）。
利用三維分析技術，生成了唐家山堰塞湖與蘭成渝管道附近的三維地形圖（圖9）。分析得出：唐家山堰塞湖決口後，將對整個涪江流域造成巨大威脅，尤其是蘭成渝管道涪江穿越處的管段，存在斷管的風險。基於該分析結論，建議對涪江穿越處管段進行嚴密監測，防止露管及管道懸空；對江油市上下游閥室進行嚴密監測，人員應有安全避難場所；注意觀察管道埋深或跨越支撐的受影響程度，注意堰塞湖中及下游是否有大量浮游物及滾石等，避免對管道造成衝擊。
3 結論與展望
基於完整性資料庫的管道應急信息化技術在多次管道應急搶險中發揮了重要作用，能夠快速、準確地指明搶險重點地段以及應急物資的重點部署方向。但是，該技術僅能指出管道發生泄漏等事故後應急處置的重點管段和重點防控方向，對於現場搶險人力、物力的部署無法有效指導。另外，尚不能精確預測和有效預防管道事故的發生。未來管道應急搶險的信息化支持技術要向智能維搶修方向發展，實現應急搶險的數字化、智能化。要充分利用管道失效的大數據分析、物聯網等技術，將應急搶險信息化支持技術與管道事故數據、搶險現場緊密結合，一方面做到泄漏事故的提前預測、判斷，另一方面，一旦發生泄漏事故，不僅僅是憑經驗，更多地是通過智能化、信息化的診斷技術給出不同介質、不同泄漏方式、不同泄漏環境下的搶險方式、技術要求、部署位置，真正實現搶修過程中各種操作的量化，進而指導搶險人員、應急搶險車輛、抽油機、圍油柵的精細化部署和科學決策。
賈韶輝、周利劍、郭磊、李振宇、劉亮，中國石油管道科技研究中心完整性所
來源：《油氣儲運》2014年6月
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