基于模糊理論的在役管道內涂層壽命評價方法

馬衛(wèi)鋒 費 凡 劉冬梅 羅金恒 蔡 克 陳志昕 趙新偉

1.中國石油集團石油管工程技術研究院，陜西 西安 710065

2.中國石油北京天然氣管道有限公司，北京 100101

3.陜西交通職業(yè)技術學院，陜西 西安 710018

0 前言

天然氣管道減阻內涂層不但可將腐蝕性介質和管壁金屬機械隔離，保護金屬不受腐蝕，更能夠降低管壁粗糙度，減小流動的摩擦阻力，增加輸量。在設計輸量一定時可以降低輸送壓力，擴大增壓站間距，降低動力消耗，節(jié)約鋼材、施工和維護費用，確保產(chǎn)品純度，使管內壁不會造成沉淀物的聚積（如垢或石蠟）［1～3］。但是，由于涂裝生產(chǎn)過程中受表面處理和涂裝工藝等因素影響，往往會引起質點、針孔等缺陷，造成管道內壁腐蝕。另一方面，在服役過程中，管道內涂層受天然氣粉塵磨損作用、清管過程中的機械破壞和環(huán)境溫度變化引起的蠕變應力影響，導致內涂層剝離、劃傷和表面光滑度下降。在役天然氣管道內涂層的失效，往往是生產(chǎn)過程中涂層缺陷和運行過程中外界因素共同作用的結果。由于管道內涂層無法直接檢驗、檢查，所以，對在役管道內涂層運行期可靠性評估和壽命評價尤為重要。

評價在役管道內涂層壽命考慮的風險包括：涂層材料本身的性能、涂敷過程的重點工藝、涂層服役環(huán)境條件和內涂層本身的老化等，這些風險要素本身又包含許多影響因素。在役管道內涂層壽命影響分析的評價包括多種因素和多個評價指標，各個風險要素和評價指標間區(qū)分界限模糊，各因素所處地位不同，在評價中對評價結果的影響程度有所不同，孤立地考慮其中一個或幾個因素對管道內涂層壽命影響分析做出評價是不全面的，不能準確反映管道內涂層的綜合壽命評價結果。因此對在役管道內涂層壽命影響分析評價時，要兼顧各個影響因素，進行綜合考慮。

模糊多層次綜合評價方法對多因素、多層次的復雜問題評判效果較好，該方法主要是利用與評價對象有關的單因素評價結果，構成相應的評價矩陣，利用確定各因素重要性程度的權重因子作模糊變換，最終得到對評價對象的評價結果。提出了利用模糊多層次綜合評價方法對在役管道內涂層壽命進行評價，評價結果更接近客觀現(xiàn)實。

1 模糊綜合評判模型

模糊綜合評判模型就是應用模糊變換理論和最大隸屬度原則，考慮與被評價實物相關的各個因素對其進行評價。在復雜的系統(tǒng)中，由于相關影響因素較多，各個因素之間往往有一定的層次關系［4］。實際應用中，可把因素集合U按某些屬性分成幾類，先對每一類（因素較少）作初步評判，然后再對評判結果進行“類”之間的高層次綜合評判。

評價算法的系統(tǒng)模型結構見圖1。

圖1 評價算法的系統(tǒng)模型結構

在模型中，通過對各指標項對應的模糊評價關系Ri與權重向量W的模糊變換，得到總體模糊評價關系 Q=［q1，q2，…，qN］，給每個等級 qi一個等級分數(shù)，求出綜合評分 y［5］。

2 算法步驟

2.1 確定評價指標體系

結合文獻資料及實際內涂層涂裝工藝，按照層次化的方法為天然氣管道內涂層建立評測指標體系。結合某天然氣管道減阻內涂層實際情況，確定的指標體系為4個一級指標和24個二級指標，見表1。

2.2 確定權重

采用層次分析法（AHP）確定評價指標權重，具體的標度評定標準見表2。通過管道內涂層專家依照表2對確定的一級和二級指標分別兩兩對比，最終得到比較關系矩陣 A=［aij］N×N，aij表示指標 ui對 uj的影響大小之比，規(guī)定aji=1/aij。然后計算關系矩陣的特征向量及特征根，對關系矩陣進行一致性檢驗，最終計算各指標相對于目標層的權重W。

表1 天然氣管道內涂層評價指標體系

表2 薩迪標度表

2.3 確定評語集

評語集 V=｛v1，v2，v3，v4，v5｝

其中：v1=95 分（優(yōu)秀）；v2=85 分（良好）；v3=75 分（中等），v4=60 分（較差）；v5=40 分（很差）。

2.4 模糊變換處理

由管道內涂層專家對評價對象（某在役管道內涂層性能）進行評價，假設對指標Ui作出級別vj評價的人數(shù)占該組所有評測人數(shù)的比例為 rij，則 R=［rij］M×N構成了論域U×V上的模糊關系。使用權重向量W對R進行模糊變換，得到該層對應指標在論域V上的模糊關系Q=WoR，將Q進行歸一化處理后作為進行上一級指標評價的R，繼續(xù)進行模糊變換可得到總體模糊評價。模糊變換的計算公式如下［6］：

3 應用實例

結合某在役5年天然氣管道減阻內涂層具體情況，介紹該方法的應用。

首先，根據(jù)評價算法的系統(tǒng)模型結構，設計了評價指標（表1）和評語集，根據(jù)AHP法分別求出各層指標（第一、二層指標）的權重（表1）。結合科研項目對某在役5年天然氣管道減阻內涂層實驗結果（根據(jù)SY/T 6530-2002《非腐蝕性氣體輸送用管線管內涂層》開展試驗），設計了涂層評價測評表，見表3。聘請10名涂層涂覆、服役及老化等相關領域專家對該天然氣管道減阻內涂層進行模糊評價。針對二級評價指標項統(tǒng)計每個評價級別的分布，得到四組模糊評價關系：

表3 某在役天然氣管道減阻內涂層評價測評表 （獲得票數(shù)）

根據(jù)上文求得各級指標對應的權重向量，利用相應的權重向量進行模糊變換Qi=WioRi，歸一化得Qi，得到一級指標的模糊評價關系：

對R進行模糊變換，得到總體模糊評價：

該結果表明評價人員中無人認為某在役5年天然氣管道減阻內涂層綜合壽命優(yōu)秀，51.1%的人認為良好，32.11%的人認為中等，10.41%的人認為較差，6.39%的人認為很差。將總體模糊評價向量進行歸一化處理后利用式（1）得到綜合評分，該在役5年天然氣管道減阻內涂層壽命評價最終得分為76分。

4 結束語

在役管道內涂層壽命影響分析的評價包括多種因素和多個評價指標，考慮其中的一些因素而對管道內涂層壽命影響進行評價是不全面的，不能準確反映出管道內涂層的綜合壽命評價結果。為了兼顧各個影響因素，對多個相關因素綜合考慮。提出了利用模糊多層次綜合評價方法對在役管道內涂層壽命進行評價。針對某在役5年天然氣管道減阻內涂層，結合內涂層實驗室結果，經(jīng)過專家測評和模型模糊變換處理，該在役5年天然氣管道減阻內涂層壽命評價最終得分為76分。

［1］錢成文，劉廣文，王 武，等.天然氣管道的內涂層減阻技術［J］.油氣儲運，2001，20（3）：1-6.

［2］牟 健，陳 渝，龔樹鳴.陜京二線是否采用內涂層的探討［J］.天然氣與石油，2003，21（3）：26-34.

［3］郭成華，王 健.內涂層管子的經(jīng)濟效果［J］.天然氣與石油，2002，20（3）：6-7.

［4］龍學淵，袁宗明，李龍強.模糊多層次綜合評判法在長輸管線失效風險程度評判中的應用［J］.新疆石油天然氣，2006，2（2）：89-92.

［5］呂云玲，全雪峰，孟曉紅，等.利用模糊-BP神經(jīng)網(wǎng)絡評價高校教師教學質量［J］.計算機時代，2009，（8）：36-38.

［6］李鴻吉.模糊數(shù)學基礎及實用算法［M］.北京：科學出版社，2005.