基于T-S模糊故障樹(shù)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的注水管道失效概率計(jì)算方法研究

陳麗娜，齊光峰，韓 慶，彭錫文，姬 杰

(1.中國(guó)石化勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心，山東東營(yíng) 257000 2.中國(guó)石化勝利油田分公司設(shè)備管理部，山東東營(yíng) 257000 3.勝利油田檢測(cè)評(píng)價(jià)研究有限公司，山東東營(yíng) 257000)

0 前言

油田管理中普遍存在“重油輕水”的現(xiàn)象，隨著注水系統(tǒng)的運(yùn)行，注水系統(tǒng)失效事故頻發(fā)，逐漸引起人們對(duì)注水系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)的重視。目前對(duì)于注水管道失效的分析和評(píng)價(jià)研究主要集中在注水管道的腐蝕因素上，一般采用定性評(píng)價(jià)對(duì)注水管道腐蝕、人為和環(huán)境等因素進(jìn)行失效分析，很少使用定量評(píng)價(jià)方法。而且注水管道運(yùn)行壓力高、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，這些因素對(duì)注水管道的失效作用是相互耦合的，同時(shí)引發(fā)注水管道失效的因素存在多態(tài)性，因此需要對(duì)注水管道進(jìn)行失效概率分析。

傳統(tǒng)故障樹(shù)定性分析注水管道風(fēng)險(xiǎn)存在較大主觀性，定量分析工作量大，且數(shù)據(jù)難以獲得。采用安全檢查表法也存在主觀性強(qiáng)、無(wú)法進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的弊端。因此，傳統(tǒng)的故障樹(shù)、安全檢查表法[1]等油氣管道安全評(píng)價(jià)方法應(yīng)用在注水系統(tǒng)中有較大局限性。

Song，等[2]提出了T-S模糊故障樹(shù)分析算法，解決了系統(tǒng)多態(tài)性和事件間故障聯(lián)系不確定性的問(wèn)題。鄧強(qiáng)泉[3]用T-S模糊故障樹(shù)方法對(duì)各層故障事件之間的相互關(guān)系進(jìn)行研究，估算故障發(fā)生概率的大小，并在此基礎(chǔ)上提出以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與專家系統(tǒng)相結(jié)合的故障診斷系統(tǒng)。T-S模糊樹(shù)方法引用模糊可能性概念，T-S門(mén)可以解決傳統(tǒng)故障樹(shù)中二態(tài)和難以用與或門(mén)來(lái)描述系統(tǒng)故障的實(shí)際邏輯關(guān)系等問(wèn)題，模糊集合理論可以解決傳統(tǒng)故障樹(shù)所有基本事件的概率都要確定才可進(jìn)行定量計(jì)算的問(wèn)題，將底層事件連接的不確定性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為定量問(wèn)題，克服傳統(tǒng)模型及分析方法的不足[4-6]。同時(shí)針對(duì)系統(tǒng)建立故障樹(shù)，將故障樹(shù)轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，可利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理進(jìn)行故障診斷[7-10]。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)不僅能夠描述系統(tǒng)的多態(tài)性及事件間邏輯關(guān)系的不確定性，還可以進(jìn)行雙向推理[11-12]。從T-S模糊故障樹(shù)到貝葉斯網(wǎng)絡(luò)映射，進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變、信念傳播、概率更新、推理運(yùn)算，降低了計(jì)算的復(fù)雜性[13-14]。

本文將T-S模糊故障樹(shù)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)原理與注水管道危險(xiǎn)有害因素及失效特征相結(jié)合，建立注水管道貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖，采用模糊子集描述根節(jié)點(diǎn)故障概率，計(jì)算中間節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)各個(gè)故障狀態(tài)對(duì)應(yīng)的故障概率模糊子集，形成注水管道失效概率計(jì)算方法。

1 方法建立

1.1 注水管道失效T-S模糊故障樹(shù)的建立

注水管道由于第三方破壞、腐蝕、設(shè)計(jì)等原因造成的管道穿孔、斷裂，導(dǎo)致介質(zhì)泄漏，造成安全隱患。以注水管道中的腐蝕因素為例，其存在不能內(nèi)檢測(cè)、有特定內(nèi)腐蝕環(huán)境等特征，因此建立注水管道失效概率計(jì)算方法時(shí)，需要考慮注水管道特征來(lái)建立事故樹(shù)的基本事件。

通過(guò)對(duì)勝利油田某區(qū)塊多條注水管道進(jìn)行調(diào)研，獲取了管道地理位置信息、注水管道檢測(cè)報(bào)告、水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告，提取了防腐層性能、輸送介質(zhì)各離子濃度、管道輸送壓力等參數(shù)，收集了管道歷年腐蝕速率相關(guān)數(shù)據(jù)、沿線環(huán)境資料及歷年事故統(tǒng)計(jì)資料。

基于調(diào)研結(jié)果，選擇“注水管道失效”作為頂端事件，結(jié)合注水管道壓力高、運(yùn)行年限長(zhǎng)、管路復(fù)雜等特征，從第三方破壞、腐蝕、設(shè)計(jì)、誤操作及自然災(zāi)害5個(gè)方面進(jìn)行全面失效因素分析，以這5個(gè)原因?yàn)榇雾斒录⒆邮鹿蕵?shù)，分析引發(fā)注水管道失效的關(guān)鍵因素，建立適用于注水管道的事故樹(shù)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研參數(shù)，將注水管道失效子事故樹(shù)進(jìn)行剪枝和優(yōu)化處理，將事故樹(shù)基本事件故障狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎喙收蠣顟B(tài)，與或門(mén)轉(zhuǎn)換為T(mén)-S門(mén)，從而建立注水管道T-S模糊故障樹(shù)。同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的注水管道參數(shù)及歷史經(jīng)驗(yàn)，建立T-S門(mén)規(guī)則。

1.2 注水管道失效貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖建立

將注水管道 T-S故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型一一對(duì)應(yīng)，即 T-S故障樹(shù)的基本事件、中間事件和頂事件依次對(duì)應(yīng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點(diǎn)、中間節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)。如果 T-S故障樹(shù)中存在著多個(gè)相同的事件，在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中只需要構(gòu)造一個(gè)節(jié)點(diǎn)即可，然后以 T-S門(mén)的輸入事件為父節(jié)點(diǎn)，輸出事件為子節(jié)點(diǎn)，用有向邊連接貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。根據(jù)此規(guī)則，構(gòu)造注水管道失效貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖。利用T-S門(mén)規(guī)則對(duì)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的條件概率表進(jìn)行賦值，將所有的T-S門(mén)規(guī)則轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的條件概率表。

2 注水管道失效概率計(jì)算

基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研參數(shù)、《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》[15]及D/SY 1180.3—2014《管道完整性管理規(guī)范》，采用模糊子集來(lái)描述根節(jié)點(diǎn)故障概率，制定根節(jié)點(diǎn)的故障概率劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定注水管道失效貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點(diǎn)故障概率模糊子集。其中根節(jié)點(diǎn)故障概率模糊子集確定的具體過(guò)程如下：①通過(guò)專家調(diào)查權(quán)重法，專家按照《Guidelines for tunneling risk management》中風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，確定待評(píng)價(jià)注水管道失效根節(jié)點(diǎn)發(fā)生的可能性等級(jí)，見(jiàn)表1；②專家通過(guò)結(jié)合個(gè)人經(jīng)驗(yàn)或參考相關(guān)資料在選定等級(jí)內(nèi)確定具體可能性數(shù)值；③采用加權(quán)平均的方法對(duì)各專家的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行處理分析，得到各根節(jié)點(diǎn)的pm；④匯總調(diào)查結(jié)果，對(duì)pm進(jìn)行模糊化處理，為了體現(xiàn)通用性，在此采用梯形隸屬度函數(shù)確定pl和pr，其中pl=pr=0.15pm，最終確定根節(jié)點(diǎn)的故障概率模糊子集[14]，其中pm、pl和pr分別代表模糊子集的中心，模糊子集的上界和模糊子集的下界。

表1 風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)相關(guān)的T-S和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算公式[13]計(jì)算中間節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)各個(gè)故障狀態(tài)對(duì)應(yīng)的故障概率模糊子集。根據(jù)計(jì)算得到的葉節(jié)點(diǎn)故障概率模糊子集，判斷注水管道安全狀態(tài)。

3 結(jié)果與討論

3.1 注水管道現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果

以勝利油田某井場(chǎng)注水管道為例。該管道材質(zhì)為20#鋼，管道外徑為76 mm，壁厚為13 mm，輸送介質(zhì)為水，設(shè)計(jì)壓力32 MPa，工作壓力24 MPa，設(shè)計(jì)溫度70 ℃，工作溫度40 ℃。

a) 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于第三方破壞方面，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行定期宣傳，巡線頻率為一天一次且管理區(qū)每周定期復(fù)檢，地面活動(dòng)程度情況為中活動(dòng)人口地區(qū)，有較清晰標(biāo)志標(biāo)明管道路由走向及管道與公路、鐵路、溝渠及江河的所有穿越處，但部分標(biāo)志物缺失。

b) 管道工作溫度>40 ℃，工作壓力>10 MPa，管材為鋼管，未有清管計(jì)劃，但涂覆內(nèi)涂層且加注緩蝕劑，內(nèi)檢測(cè)周期大于5年；外腐蝕方面，土壤電阻率<500 Ω·cm，采用外防腐層但無(wú)陰極保護(hù)，外檢測(cè)周期1～3年，大氣環(huán)境為低濕度氣候。

c) 人員誤操作方面，在維護(hù)和生產(chǎn)運(yùn)行中，維護(hù)和運(yùn)行人員嚴(yán)格執(zhí)行維護(hù)和運(yùn)行制度，員工培訓(xùn)情況為一周一次，定期考核，均有專人檢查；同時(shí)生產(chǎn)運(yùn)行中還設(shè)置了安全檢查組織確保安全制度落實(shí)到位；在操作規(guī)程和管道焊接中，管道回填部位、施工方法均嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行，涂層補(bǔ)口工藝嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行，焊接設(shè)備、材料選擇、焊接工藝嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行，最大允許壓力為低于0.9倍管道設(shè)計(jì)壓力，回填、補(bǔ)口、焊接均進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。

d) 管線設(shè)計(jì)方面，管材選取情況為嚴(yán)格按照規(guī)范，防腐層設(shè)計(jì)情況為嚴(yán)格按照規(guī)范要求，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)防腐層材料、結(jié)構(gòu)及厚度；綜合考慮并準(zhǔn)確設(shè)計(jì)及評(píng)估管線安全系數(shù)、水擊發(fā)生系數(shù)及系統(tǒng)安全系數(shù)。依據(jù)規(guī)范嚴(yán)格評(píng)估管道敷設(shè)地段的腐蝕性，設(shè)計(jì)腐蝕裕量。試壓壓力情況為1.5倍管道設(shè)計(jì)壓力；安全防御系統(tǒng)情況為較完善的監(jiān)控、監(jiān)測(cè)體系，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道運(yùn)行情況并及時(shí)做出響應(yīng)。

e) 自然災(zāi)害方面，洪水情況為10～50年一次，泥石流情況為100年一次，地震情況為100年一次。

3.2 注水管道T-S模糊故障樹(shù)

從腐蝕、第三方破壞、設(shè)計(jì)、誤操作及自然災(zāi)害5個(gè)方面，進(jìn)行注水管道全面失效因素分析，建立注水管道失效子事故樹(shù)。事故樹(shù)包括61個(gè)基本事件，43個(gè)中間事件。將注水管道失效子事故樹(shù)進(jìn)行剪枝和優(yōu)化處理，并進(jìn)行T-S化，建立注水管道T-S模糊故障樹(shù)如圖1所示。圖中注水管道失效為頂事件，包含32個(gè)基本事件，19個(gè)中間事件及20個(gè)T-S門(mén)，對(duì)應(yīng)事件類型如表2所示。

圖1 注水管道失效T-S模糊故障樹(shù)

表2 注水管道失效T-S模糊故障樹(shù)事件類型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)資料以及事故記錄對(duì)基本事件的狀態(tài)進(jìn)行劃分，如果在臺(tái)賬或事故記錄中只有兩個(gè)狀態(tài)則記為0和1兩態(tài)，若臺(tái)賬和事故記錄中有明確的不同狀態(tài)描述則劃分為多態(tài)。如第三方破壞因素中巡線質(zhì)量(x2)，一周巡檢≥4次認(rèn)為是無(wú)故障狀態(tài)，一周巡檢≤1次認(rèn)為是完全故障狀態(tài)，一周巡檢次數(shù)在1到4次之間認(rèn)為是半故障狀態(tài)。因此本文事件x5～x7、x9、x12～x16、x18～x21、x23～x28故障狀態(tài)為0和1兩態(tài)，表現(xiàn)為無(wú)故障狀態(tài)和完全故障狀態(tài)，其余事件故障狀態(tài)為0、0.5及1三態(tài)，表現(xiàn)為無(wú)故障狀態(tài)、半故障狀態(tài)及完全故障狀態(tài)。

3.3 注水管道貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖

基于建立的T-S故障樹(shù)結(jié)合T-S門(mén)的規(guī)則，構(gòu)造了注水管道失效貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖，見(jiàn)圖2。

圖2 注水管道失效貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖

3.4 注水管道失效概率計(jì)算結(jié)果

基于調(diào)研情況進(jìn)行各個(gè)根節(jié)點(diǎn)故障概率模糊子集的確定和中間節(jié)點(diǎn)及葉節(jié)點(diǎn)的故障概率模糊子集的計(jì)算。

根節(jié)點(diǎn)故障概率模糊子集的確定以根節(jié)點(diǎn)x2(巡線質(zhì)量差)為例，說(shuō)明根節(jié)點(diǎn)故障概率模糊子集的確定方法?，F(xiàn)場(chǎng)巡線頻率為每日一次，結(jié)合《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》[15]規(guī)定的巡線頻率劃分等級(jí)，可知巡線質(zhì)量差的發(fā)生可能性為不可能，因此故障概率模糊數(shù)pm取值為0.000 05，pl為0.000 042，pr為0.000 058。另外，本文規(guī)定故障狀態(tài)為0.5和1的故障概率模糊子集相同。

對(duì)于中間節(jié)點(diǎn)，以根節(jié)點(diǎn)x1和x2為基礎(chǔ)，計(jì)算中間節(jié)點(diǎn)y6各個(gè)故障狀態(tài)的故障概率模糊子集。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)場(chǎng)巡線頻率為一天一次且管理區(qū)每周定期復(fù)檢，因此x2對(duì)應(yīng)故障狀態(tài)為0，0.5及1的故障概率模糊子集分別為{0.999 904,0.999 91,0.999 916}{4.2×10-5,4.5×10-5,4.8×10-5}{4.2×10-5,4.5×10-5,4.8×10-5}。另外，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，管理區(qū)不定期進(jìn)行管道安全宣傳工作，因此x1(管道安全宣傳不足)對(duì)應(yīng)故障狀態(tài)為0，0.5及1的故障概率模糊子集分別為{0.999 904,0.999 91, 0.999 916}{4.2×10-5,4.5×10-5,4.8×10-5}{4.2×10-5,4.5×10-5,4.8×10-5}。根據(jù)相關(guān)公式[13]進(jìn)行計(jì)算得到中間節(jié)點(diǎn)y6各個(gè)故障狀態(tài)的故障概率模糊子集計(jì)算見(jiàn)式(1)～式(3)：

(1)

(2)

(3)

上述結(jié)果表明，由于現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)良的巡線制度和安全宣傳制度，有意破壞事件出現(xiàn)中等和嚴(yán)重故障的概率很小，而無(wú)故障的概率很大，與實(shí)際情況相符。

因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及根節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的故障概率模糊子集劃分依據(jù)確定注水管道失效貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點(diǎn)故障概率模糊子集，由于篇幅所限，本文僅展示x1～x10根節(jié)點(diǎn)的故障概率模糊子集，見(jiàn)表3。

表3 根節(jié)點(diǎn)故障概率模糊子集

由此計(jì)算中間節(jié)點(diǎn)各故障度對(duì)應(yīng)的故障概率模糊子集，由于篇幅所限，本文僅展示y1～y5中間節(jié)點(diǎn)的故障概率模糊子集，見(jiàn)表4。

考慮第三方破壞、腐蝕、設(shè)計(jì)、誤操作及自然災(zāi)害5個(gè)方面分別對(duì)應(yīng)中間節(jié)點(diǎn)的y1～y5，根據(jù)中間節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果，分別將這5方面因素的半故障狀態(tài)和故障狀態(tài)的概率加和后進(jìn)行比較，如表5所示，得到腐蝕(y2)半故障狀態(tài)和故障狀態(tài)的故障概率子集加和遠(yuǎn)大于其它因素的故障概率子集，因此腐蝕相較于其他因素對(duì)注水管道失效的影響尤為顯著，建議現(xiàn)場(chǎng)重視注水管道的內(nèi)外腐蝕問(wèn)題。

表5 半故障狀態(tài)和故障概率子集加和結(jié)果

根據(jù)相關(guān)公式[13]及表4計(jì)算葉節(jié)點(diǎn)T各個(gè)故障狀態(tài)的故障概率模糊子集計(jì)算見(jiàn)式(4)～式(6)：

表4 中間節(jié)點(diǎn)故障概率模糊子集

(4)

(5)

(6)

綜上，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的勝利油田某注水管道故障狀態(tài)及概率見(jiàn)表6所示。

表6 注水管道故障狀態(tài)及概率

由表6可知，注水管道的故障狀態(tài)概率(即完全故障狀態(tài)與半故障狀態(tài)的概率之和)高于無(wú)故障狀態(tài)的概率，表明注水管道雖能正常運(yùn)行，但由于長(zhǎng)時(shí)間不清管和內(nèi)檢測(cè)周期過(guò)長(zhǎng)等情況，使得注水管道的腐蝕因素會(huì)引發(fā)較為嚴(yán)重的安全隱患問(wèn)題，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相符。相較于以往只針對(duì)注水管道腐蝕方面的定量評(píng)價(jià)，本文綜合考慮了注水管道的腐蝕、第三方破壞、設(shè)計(jì)、誤操作及自然災(zāi)害5個(gè)方面的因素，形成了更為全面的定量評(píng)價(jià)方法，同時(shí)也可以根據(jù)此方法說(shuō)明具體哪些方面的因素對(duì)注水管道的失效產(chǎn)生更大的影響。本文方法克服了傳統(tǒng)故障樹(shù)等方法應(yīng)用在注水管道上存在概率等參數(shù)不能準(zhǔn)確獲取導(dǎo)致其不能對(duì)注水管道進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的問(wèn)題。

4 結(jié)論

本文針對(duì)注水管道無(wú)法套用現(xiàn)有管道安全評(píng)價(jià)方法的難題，將T-S模糊故障樹(shù)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)原理與注水管道危險(xiǎn)有害因素及失效特征相結(jié)合，從腐蝕、第三方破壞、設(shè)計(jì)、誤操作及自然災(zāi)害5個(gè)方面，構(gòu)建了注水管道失效模糊子集及T-S故障重要度的定量評(píng)價(jià)方法。該方法在油氣管道失效概率及失效后果評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)及取值，形成了注水管道失效概率計(jì)算方法，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用，提高了注水管道定量評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了注水管道風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)智能可控，從而提升注水系統(tǒng)整體的安全運(yùn)行水平。具體結(jié)論如下：

a) 將現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)與管道完整性管理規(guī)范及肯特法相結(jié)合，確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)根節(jié)點(diǎn)故障概率子集劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定根節(jié)點(diǎn)故障概率模糊子集。

b) 運(yùn)用T-S模糊故障樹(shù)及貝葉斯網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式建立注水管道失效事故樹(shù)，基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)，構(gòu)建節(jié)點(diǎn)條件概率表及故障概率模糊算法，形成注水管道失效概率的計(jì)算方法。

c) 由結(jié)果可知，注水管道失效故障子集為0.5以上的概率較高，結(jié)合調(diào)研情況以及中間節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果，建議現(xiàn)場(chǎng)重點(diǎn)關(guān)注注水管道的內(nèi)檢測(cè)周期等腐蝕相關(guān)因素，同時(shí)針對(duì)注水管道存在的內(nèi)外腐蝕問(wèn)題，采用適當(dāng)?shù)姆栏胧?，降低管道失效風(fēng)險(xiǎn)。