長輸管道失效模式診斷技術(shù)綜述

國鋒+張小壘

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院 烏魯木齊 830013）

摘 要：通過對長輸管道失效模式的研究方法闡述，介紹了長輸管道失效模式診斷評價方法。分析各方法的優(yōu)劣勢，并總結(jié)研究成果，為管道長輸管道工作者使用及檢驗研究提供參考。

關(guān)鍵詞：長輸管道；失效模式；診斷技術(shù)；

前言

長輸管道輸送石油天然氣是最安全、最經(jīng)濟(jì)的運輸方式。但由于油氣的易燃、易爆、及毒性等特點，一旦發(fā)生事故，容易引起火災(zāi)及爆炸、中毒、污染環(huán)境等惡性后果，同時帶來惡劣的社會及政治影響。而管道的失效模式研究，國內(nèi)外取得了一定的成績，己經(jīng)實現(xiàn)了由安全管理模式向風(fēng)險管理模式的演變，由定性風(fēng)險分析向定量風(fēng)險分析的轉(zhuǎn)化。

1長輸管道失效模式

我國已建成油氣長輸管道多達(dá)4.3萬公里，預(yù)計2020年將達(dá)到8萬公里。雖然我國長輸管道施工水平和施工工藝有了長足的進(jìn)步和發(fā)展，但仍存在管網(wǎng)老化，材質(zhì)劣化，施工技術(shù)相對落后等諸多問題。長輸管道主要是開裂和穿孔等失效形式。管道失效模式診斷是管道失效事故應(yīng)急處理和管道失效事件預(yù)防的基礎(chǔ)，在管道完整性管理中具有重要作用。

2 常見失效模式診斷方法

（1）故障樹分析方法（FTA）

故障樹由若干節(jié)點和連接這些節(jié)點的有向線段組成，每個節(jié)點表示某一具體事件，連線則表示事件之間的某種特定關(guān)系。FTA是一種邏輯演繹分析工具，用于分析所有事故的現(xiàn)象、原因和結(jié)果事件及它們的組合，從而找到避免事故的措施。這種分析方法是分析系統(tǒng)事故和原因之間關(guān)系的因果邏輯模型，從某一特定的事故開始，運用邏輯推理方法找出各種可能引起事故的原因，也就是識別出各種潛在的影響因素，求出事故發(fā)生的概率，并提出各種控制管道事故的方案。FTA方法具有簡明、靈活、直觀等優(yōu)點，己被應(yīng)用到管道的事故分析中來。用該方法對長輸管道進(jìn)行危害識別，能夠找出可能導(dǎo)致事故發(fā)生的初始因素，通過對各因素間的邏輯關(guān)系的描述，發(fā)現(xiàn)和查明系統(tǒng)內(nèi)各種固有的或潛在的危險因素，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，從而為事故原因的分析和制定預(yù)防措施提供依據(jù)。

（2）管道失效專家系統(tǒng)評價方法

專家系統(tǒng)是一個用基于知識的程序設(shè)計方法建立起來的計算機(jī)系統(tǒng)，它擁有某個特殊領(lǐng)域內(nèi)人類專家的知識和經(jīng)驗，能夠在該領(lǐng)域中作出決策。典型的專家系統(tǒng)包括知識庫、推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫和用戶界面四個部分。知識工程師，即專家系統(tǒng)的開發(fā)者，通過與領(lǐng)域?qū)＜医涣骱烷喿x文獻(xiàn)資料，獲得領(lǐng)域知識和經(jīng)驗，并把它們以一定的形式表示出來，形成知識的外部表示方式，然后將知識的外部表示轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能識別的內(nèi)部表示形式，存放于知識庫中。它按照一定的推理策略，根據(jù)用戶輸入的數(shù)據(jù)，運用知識庫中的知識進(jìn)行推理，得出結(jié)論，并能解釋其推理過程。

（3）管道失效模糊評價方法

綜合評判就是對受各種因素影響的事物或?qū)ο?，做出一個總的評價。由于很多事物的評價往往具有模糊性，比如管道系統(tǒng)的安全與失效問題就是如此，因此應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行綜合評判將會取得更好的實際效果。模糊綜合評判的數(shù)學(xué)模型可分為一級模型和多級模型兩類。一級綜合評判的數(shù)學(xué)模型只適合較簡單的系統(tǒng)，當(dāng)評判因素較多時，因為每一個因素取得的權(quán)重分配值將很小，綜合評判將得不到滿意的結(jié)果，此時應(yīng)該采用多級評判模型。

由于影響管道失效的影響因素眾多，為此在采用多級模糊評判時將管道失效的影響因素進(jìn)行分類，按照模糊評判的要求有，對因素全集U作劃分，即U={U1，U2，…，UN}，其中：Ui={ui1，ui2，…，uiki}，i=1，2，…，N（N為總的一級因素個數(shù)），即Ui中含有ki個因素，并且滿足以下條件如圖：

對長輸管道來說，可能造成管道失效的原因非常多，這里影響管道失效的所有因素中可分成4個大類，即U分為相應(yīng)的四個子集：即N=4，其中：U1為第三方破壞因素，U2為腐蝕因素，U3為設(shè)計因素，U4為誤操作因素。

（4）腐蝕管道剩余強(qiáng)度和剩余壽命的評定方法

自20世紀(jì)60年代起，世界各國相繼開展了針對管道的剩余壽命和剩余強(qiáng)度的研究，出臺了一系列規(guī)范和評價方法。這些方法和規(guī)范都是以彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、材料科學(xué)和可靠性工程為理論基礎(chǔ)，不同程度地考慮了管道的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性，并且是以數(shù)學(xué)表達(dá)式的形式來表示操作參數(shù)，如失效時的爆破壓力、設(shè)計壓力、許用缺陷長度等。其中有代表性的評定標(biāo)準(zhǔn)是AGA NG-18標(biāo)準(zhǔn)，并明確了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的計算方法。但由于計算比較復(fù)雜，在實際應(yīng)用中對操作人員要求較高。因此，將腐蝕缺陷管道的的分析結(jié)果整理成各種曲線，稱為案例性評價線圖。這種線圖描述了不同腐蝕缺陷類型、不同腐蝕程度、不同腐蝕影響范圍在不同內(nèi)壓下的缺陷處的最大工作應(yīng)力，并考慮了管體材料的機(jī)械性能參數(shù)，從而可方便判別腐蝕缺陷管段的安全性。由于管道腐蝕的復(fù)雜性，掌握腐蝕影響因素的規(guī)律很困難。另外，在管道腐蝕的眾多影響因素之間，還存在著相互影響，這就使問題更加復(fù)雜。對于這樣的復(fù)雜系統(tǒng)，采用概率性的方法在一定程度上有一定的準(zhǔn)確性。

（5）指數(shù)法（Index Method）

指數(shù)法較為完整地提出了管道失效指數(shù)評分法。評價時對影響管道失效的各因素作了獨立性假定，并考慮到最壞狀況，其得分值具有主觀性和相對性，認(rèn)為管道事故的原因有第三方破壞、腐蝕、設(shè)計和操作四大類，分別對這些因素進(jìn)行分析評分，每方面的評分均為0-100分。結(jié)合管輸介質(zhì)的危險性和環(huán)境因素，評價泄漏影響系數(shù)，從而得出相對失效指數(shù)，其計算式為：失效總評分=第三方評分+腐蝕評分+設(shè)計評分+誤操作評分；相對失效指數(shù)=失效總評分/泄漏影響系數(shù)；泄漏沖擊指數(shù)=介質(zhì)危險程度/影響系數(shù)；影響系數(shù)=泄漏評分/人口狀況評分。

（6）結(jié)構(gòu)可靠性和風(fēng)險評估（SRRA）

SRRA是一種評估構(gòu)件失效概率的方法，它是基于PSM中的失效數(shù)據(jù)、分析模型、專家意見、構(gòu)件初始狀態(tài)假設(shè)、結(jié)構(gòu)老化、載荷條件、構(gòu)件壽命和控制順序，也可用于決策分析以確定是否需要修理、維修或繼續(xù)觀察。

3 新型方法應(yīng)用

通過以上多種方法分析，影響管道失效的因素眾多，且一些因素具有隨機(jī)性、模糊性、不完整性及高度的非線性等特點。采用傳統(tǒng)診斷方法對管道失效模式分析常常存在不適應(yīng)性及難以建立解決等問題，這對管道失效模式的診斷帶來一定的難度。

人工智能與診斷理論的結(jié)合形成了智能診斷，其特點為串行運行的處理方式，需要專門的構(gòu)造知識庫和數(shù)據(jù)庫，為了能充分模擬人的思維，必須建立龐大的知識庫，以集中專家的經(jīng)驗，這使得建造專家系統(tǒng)的工作非常復(fù)雜。

模式識別方法最大的實用性在于“智能”仿真。診斷過程實際上就是一個模式識別的過程。通常故障模式的分布是非常不規(guī)則的，故要求所用模式分類方法能在模式空間里形成各種非線性分割平面，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特性使其可以作為一類性能良好的非線性分類器。因此，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和技術(shù)應(yīng)用管道失效模式診斷問題的研究具有很好的適應(yīng)性。

4結(jié)論

管道失效模式是管道失效事件的形式化表現(xiàn)形式。文章綜合了現(xiàn)代失效理論，總結(jié)了長輸管道失效模式診斷方法，最后提出基于模式識別的損傷模式方法的實用性研究，將智能信息處理方法和技術(shù)應(yīng)用于管道失效模式診斷問題的研究在機(jī)制上具有很好的適應(yīng)性，具有著廣泛的應(yīng)用前景。

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