BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)測中的應(yīng)用

肖雯雯，李 俊，梁婷婷，高思哲，胡艷萍，王 震

(1.中國石化西北油田分公司 新疆 烏魯木齊 830011；2.中國石化江漢石油工程設(shè)計(jì)有限公司 湖北 武漢 430073)

0 引 言

塔河油田整體腐蝕介質(zhì)復(fù)雜，具有高H2O、高CO2、高H2S、高Cl-、高礦化度、低pH的“五高一低”特點(diǎn)，極易造成管道腐蝕和穿孔。油氣集輸管道是油田生產(chǎn)的生命線，一旦管道發(fā)生腐蝕穿孔，將會導(dǎo)致原油、天然氣漏失，不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)，而且還會帶來安全和環(huán)境污染等一系列安全環(huán)保問題。由于管道的風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)具有不確定性和復(fù)雜性，在保障現(xiàn)有信息完整性的前提下[1-2]，必須對管道進(jìn)行較為可靠、詳細(xì)、全面的風(fēng)險(xiǎn)因素預(yù)測與識別。通過優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)分析智能預(yù)測方法識別出目前塔河油田管道腐蝕穿孔泄漏安全風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，建立一套適用于塔河油田的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)分析智能預(yù)測方法，在理論研究的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用，是對管道風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測研究領(lǐng)域的一次創(chuàng)新。

1 管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法

1.1 腐蝕風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法概述

管道腐蝕問題已成為油田的安全環(huán)保生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)隱患，如何在油田管道腐蝕問題中引入風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測技術(shù)是研究的主要目標(biāo)[3-4]。目前風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測或評價(jià)的方法很多[5]，如以腐蝕速率預(yù)測腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的方法[6]、以剩余強(qiáng)度為基礎(chǔ)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法[7]、基于各影響因素和失效后果取權(quán)重半定量化的Kent評分法[8]、內(nèi)腐蝕直接評估法以及考慮管道外腐蝕損傷程度的風(fēng)險(xiǎn)分級法等[9]，不同的方法有不同的理論模型和適用范圍，可靠度與經(jīng)濟(jì)性也有差別。本節(jié)將對以上各種方法進(jìn)行詳盡的分析，以指導(dǎo)塔河油田管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法的確定。

1.1.1 腐蝕速率預(yù)測方法

通過腐蝕掛片檢測技術(shù)方法獲取管道腐蝕速率，根據(jù)NACE RP0775—2005對腐蝕速率程度的規(guī)定對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級，見表1[10]，確定不同管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，并采用不同的應(yīng)對措施，對管道安全可靠地運(yùn)行有重要的指導(dǎo)意義[11]。

表1 NACE標(biāo)準(zhǔn)RP0775—2005對腐蝕程度的規(guī)定

1.1.2 剩余強(qiáng)度評定方法

管道剩余強(qiáng)度評價(jià)通常采用美國石油協(xié)會《腐蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度評價(jià)指南》，即API 579標(biāo)準(zhǔn)。API 579標(biāo)準(zhǔn)考慮了相鄰缺陷的相互影響和附加載荷的影響，建立了含有缺陷管道的剩余承壓能力、缺陷的尺寸及有關(guān)材料強(qiáng)度參數(shù)三者之間的關(guān)系，通過檢測數(shù)據(jù)確定軸向腐蝕長度和環(huán)向腐蝕長度，應(yīng)用公式計(jì)算確定管道所需最小壁厚，用剩余壁厚比計(jì)算出剩余強(qiáng)度系數(shù)，擬定出未來正常輸送內(nèi)壓下管道是否可以安全運(yùn)行的腐蝕裕量，將保證管道在正常輸送內(nèi)壓下正常運(yùn)行的臨界值作為腐蝕后管道的極限承載能力，據(jù)此評定管道的安全風(fēng)險(xiǎn)的可接受性，從而制定管道的檢測周期、修復(fù)、更換及運(yùn)行等措施，降低管道運(yùn)行期內(nèi)的安全風(fēng)險(xiǎn)。SY/T 6477—2017《含缺陷油氣管道剩余強(qiáng)度評價(jià)方法》建立了含體積型缺陷、裂紋型缺陷等缺陷的油氣管道剩余強(qiáng)度評價(jià)方法。

1.1.3 Kent評分法

1992年美國W.Kent.Muhlbauer 撰寫的《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊》，提出了管道風(fēng)險(xiǎn)評估模型和評價(jià)方法。計(jì)算分析過程如下：

相對風(fēng)險(xiǎn)分值=失效可能性指標(biāo)總和÷泄漏影響系數(shù)；

失效可能性指標(biāo)總和=第三方破壞指標(biāo)+腐蝕指標(biāo)+設(shè)計(jì)指標(biāo)+誤操作指標(biāo)；

泄漏影響系數(shù)=產(chǎn)品危害性÷擴(kuò)散系數(shù)；

產(chǎn)品危害 =急劇危害+長期危害；

擴(kuò)散系數(shù) = 泄漏分÷人口分。

1.1.4 內(nèi)腐蝕直接評估法

針對無法或者不易開展內(nèi)檢測管道，可采用內(nèi)腐蝕直接評估方法(ICDA)，針對干性天然氣管道的內(nèi)腐蝕直接評估(NACE SP0206 2006 DG-ICDA)，通過將流態(tài)模擬和管道傾角的分布相結(jié)合，確定管道中最有可能積液的位置為腐蝕最易發(fā)生的位置，進(jìn)而判斷管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。針對濕氣管道的內(nèi)腐蝕直接評估(NACE SP0110 2010 WG-ICDA)，通過計(jì)算腐蝕速率、流動腐蝕(流型、流態(tài)、流速)和其他影響因素來確定管道發(fā)生腐蝕先后的次序，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)通過腐蝕速率來表征腐蝕分布，識別出最大腐蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)位置，將腐蝕速率模型用于預(yù)測未來腐蝕增長率，應(yīng)用于整個風(fēng)險(xiǎn)評估過程。針對液體石油內(nèi)腐蝕直接評估(NACE SP0208 2008 LP-ICDA)，認(rèn)為液體石油管道中含有H2S、CO2、鹽、沙子和蠟等，管道內(nèi)腐蝕是多相流流動的腐蝕和沖蝕聯(lián)合交互作用的過程，液態(tài)管道同其余管道相比，發(fā)生腐蝕的可能性最大，也是腐蝕最嚴(yán)重的管道。

1.1.5 外腐蝕程度評價(jià)法

外防腐層劣化后，土壤大氣的腐蝕會引起管道腐蝕穿孔，管道的外腐蝕風(fēng)險(xiǎn)可用防腐層的劣化程度指標(biāo)評價(jià)。外防腐層質(zhì)量分級評價(jià)主要以絕緣電阻為性能參數(shù)對外防腐層的質(zhì)量狀況進(jìn)行分級評價(jià)，《埋地鋼質(zhì)管道外防腐層修復(fù)技術(shù)規(guī)范》(SY/T 5918—2011)基于“電位-電流法”和“選頻-變頻法”2種檢測方法，將防腐層質(zhì)量等級分為5級，見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5918—2011中防腐層質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)

1.2 腐蝕風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法比選

對比分析應(yīng)用于管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測的5種方法，見表3。

表3 管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法對比

腐蝕速率預(yù)測方法綜合考慮了各種腐蝕性介質(zhì)含量、含水量、pH值、溫度、壓力、流速等對管道腐蝕影響因素[12-15]，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對大量的數(shù)據(jù)(樣本)編程反復(fù)運(yùn)算，尋找復(fù)雜的影響因素與腐蝕速率之間的關(guān)系模型，屬于定量評價(jià)法，該方法對腐蝕速率的預(yù)測較為準(zhǔn)確，可靠性較高。

剩余強(qiáng)度評定方法是通過檢測獲取腐蝕缺陷形貌、運(yùn)行壓力、幾何尺寸和材料特性等數(shù)據(jù)，依據(jù)API 579標(biāo)準(zhǔn)分別對均勻腐蝕、局部腐蝕以及點(diǎn)蝕情況進(jìn)行評價(jià)，屬于定量評價(jià)法。該方法應(yīng)用成熟且廣泛，可靠度高，但首先需對管道進(jìn)行內(nèi)檢測，費(fèi)用高。

Kent評分法針對管道的整體風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，根據(jù)打分結(jié)果對管道的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級，屬于半定量評價(jià)法，該方法評分時對影響風(fēng)險(xiǎn)的各因素假定為獨(dú)立并考慮到最壞狀況，其得分值具有主觀性和相對性，會導(dǎo)致結(jié)果有一定的誤差。

內(nèi)腐蝕直接評估法通過對管輸天然氣流動特性和管道幾何形態(tài)的分析，確定管道最可能腐蝕的位置。該方法首先預(yù)測最可能嚴(yán)重腐蝕的區(qū)域后，然后開挖驗(yàn)證，屬于定量評價(jià)法。該方法標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定應(yīng)用于含水率小于5%的滿載石油管道，可借鑒應(yīng)用在含水原油管道內(nèi)腐蝕直接評估，費(fèi)用較高。

外腐蝕程度評價(jià)法采用防腐層的劣化程度指標(biāo)來對管道外腐蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級，屬于定量評價(jià)法。外防腐層的劣化程度以防腐層的絕緣電阻率來評價(jià)，因此需要大量的現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)支撐，費(fèi)用較高。

綜上所述，從適用范圍看，腐蝕速率預(yù)測法和內(nèi)腐蝕直接評估法適用于內(nèi)腐蝕，外腐蝕程度評價(jià)法適用于外腐蝕，Kent評分法和剩余強(qiáng)度評定法對內(nèi)外腐蝕均可適用；從可靠性看，腐蝕速率預(yù)測法、剩余強(qiáng)度評定法、內(nèi)腐蝕直接評估法和外腐蝕程度評價(jià)法這4種方法的可靠性較高；從經(jīng)濟(jì)性看，腐蝕速率預(yù)測法、Kent評分法和內(nèi)腐蝕直接評估法所需費(fèi)用相對較低。

通過對5種腐蝕風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法的分類對比，腐蝕速率預(yù)測方法較為適合塔河油田的實(shí)際情況，適應(yīng)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性都較佳。腐蝕速率預(yù)測方法不僅考慮了腐蝕速率的大小(失效的可能性)，而且考慮了環(huán)境安全因素(失效后果的嚴(yán)重性)，對管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了完整的分析評價(jià)。目前多采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立腐蝕速率預(yù)測模型，本文將對此方法應(yīng)用于塔河油田的適應(yīng)性和可靠性進(jìn)行詳盡的分析。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)測方法建立

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常是指基于誤差反向傳播算法的多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是目前應(yīng)用最廣泛、基本思想最直觀、最容易被理解的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它采用最小均方差學(xué)習(xí)方式進(jìn)行訓(xùn)練，可用于識別、分類、預(yù)測語言綜合和自適應(yīng)控制等用途。包括輸入層、隱含層和輸出層，其隱含層可為單層或者多層。樣本數(shù)據(jù)通過輸入層神經(jīng)元進(jìn)入到前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，通過隱含層內(nèi)部函數(shù)的訓(xùn)練，將其結(jié)果前饋到輸出層，通過將輸出層得到的結(jié)果與期望值進(jìn)行對比，系統(tǒng)會自動將計(jì)算出的模擬值與期望值之間的誤差進(jìn)行比對，并將誤差值從輸出層開始反向傳遞，調(diào)節(jié)每層之間的連接權(quán)值和閾值，直至達(dá)輸入層，此為BP算法的一個循環(huán)周期。整個系統(tǒng)在訓(xùn)練的過程中，系統(tǒng)會不斷修正各層間的權(quán)值和閾值，以此來減小輸出層的計(jì)算誤差，直到輸出的結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)，則停止訓(xùn)練。

針對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)收斂速度慢、精度低，若加快收斂速度易產(chǎn)生振蕩，存在局部極小和平臺問題，泛化能力差，隱節(jié)點(diǎn)數(shù)和初始值的選取缺乏理論指導(dǎo)和未考慮樣本選擇對系統(tǒng)學(xué)習(xí)的影響等諸多問題，以自定義神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為手段，借助遺傳算法對經(jīng)典BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行優(yōu)化來有效提高BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性和可靠性，從而實(shí)現(xiàn)對塔河油田不同區(qū)塊管道腐蝕速率的科學(xué)、合理預(yù)測，算法流程如圖1所示。

圖1 改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法流程示意圖

采用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值的學(xué)習(xí)過程如下：

1)初始化種群，包括交叉規(guī)模、交叉概率、突變概率以及對任一wih(輸入層與隱含層之間的權(quán)值)和who(隱含層與輸出層之間的權(quán)值)初始化，在編碼中，采用實(shí)數(shù)進(jìn)行編碼，初始種群取n。

2)計(jì)算每一個個體評價(jià)函數(shù)，并將其排序，可按式(1)概率值選擇網(wǎng)絡(luò)個體：

(1)

式中：pi為選擇概率，fi是個體i的適配值，可用誤差平方和來衡量，即：

(2)

(3)

式中：i是染色體數(shù)，i=1, 2, 3, …,n；o是輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)，o=1, 2, 3, …,q；k是學(xué)習(xí)樣本數(shù)，k=1, 2, 3, …,m；yo是網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出；do是期望輸出；E(i)是網(wǎng)絡(luò)預(yù)測誤差。

3)以交叉概率對個體Gi和進(jìn)行交叉操作，產(chǎn)生新個體和Gi+1′，沒有進(jìn)行交叉操作的個體直接進(jìn)行復(fù)制。

4)利用變異概率突變產(chǎn)生Gj的新個體Gj′。

5)將新個體插入到種群中，并計(jì)算新個體的評價(jià)函數(shù)。

6)判斷算法是否結(jié)束，如果找到滿意的個體，則結(jié)束，否則繼續(xù)進(jìn)行下一輪運(yùn)算。待算法結(jié)束，如達(dá)到預(yù)先設(shè)定的性能指標(biāo)后，將最終群體中的最優(yōu)個體解碼即可得到優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值和閾值系數(shù)。

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法優(yōu)化程序的研究與開發(fā)，具體結(jié)果見表4和圖2。訓(xùn)練次數(shù)反映了管道腐蝕速率預(yù)測模型的收斂難度；預(yù)設(shè)目標(biāo)代表收斂條件，這里均設(shè)置為1×10-5，即要求絕對誤差不大于0.01‰；訓(xùn)練目標(biāo)為最終計(jì)算結(jié)果，全部小于預(yù)設(shè)目標(biāo)，成功收斂。由于各區(qū)塊數(shù)據(jù)樣本的質(zhì)量有所不同，故導(dǎo)致其訓(xùn)練次數(shù)各不相同，訓(xùn)練次數(shù)越少，建模收斂難度越低，反之亦然。

表4 優(yōu)化改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立管道腐蝕速率預(yù)測模型結(jié)果

圖2 優(yōu)化改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立管道腐蝕速率預(yù)測模型圖

3 BP優(yōu)化模型風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法應(yīng)用

3.1 管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)分級

管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)分級依據(jù)中石化安全環(huán)保局(2006)10號文件《中國石油化工集團(tuán)公司水體環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控要點(diǎn)》附錄1環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)準(zhǔn)則中環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)表(環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)度R=嚴(yán)重性S×可能性L)，見表5、表6和圖3。

表5 腐蝕速率法預(yù)測管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)分級(風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性)

表6 風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的嚴(yán)重性

圖3 風(fēng)險(xiǎn)度評價(jià)圖

3.2 預(yù)測實(shí)踐

按照上述的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法，分別選取7個區(qū)塊中的部分典型管線開展腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，評價(jià)結(jié)果見表7?？梢?，21條管道中有8條管道風(fēng)險(xiǎn)等級處于高風(fēng)險(xiǎn)，13條管道風(fēng)險(xiǎn)等級為中風(fēng)險(xiǎn)，均需重點(diǎn)關(guān)注。

表7 腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果

采用非開挖磁力層析組合檢測技術(shù)對高風(fēng)險(xiǎn)12-4站原油外輸管線進(jìn)行了現(xiàn)場檢測，檢測結(jié)果管線存在6處高腐蝕穿孔風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，如圖4所示。對6處高腐蝕穿孔風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)開挖采用C掃描+超聲波定點(diǎn)測厚技術(shù)，檢測管線最小壁厚3.29 mm。按照《油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，在運(yùn)行壓力1.64 MPa下最小壁厚為1.16 mm，計(jì)算被檢測管段最大點(diǎn)蝕速率1.014 mm/a，計(jì)算被檢測管段安全服役年限為2.1 a。通過現(xiàn)場檢測進(jìn)一步佐證了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)測方法的準(zhǔn)確性。

圖4 12-4站原油外輸管線高腐蝕穿孔風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分部示意圖

BP優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)測方法綜合考慮了管道腐蝕穿孔的主控影響因素，采用遺傳算法對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，使腐蝕速率的預(yù)測結(jié)果更加可靠，并對腐蝕穿孔失效后產(chǎn)生的危害進(jìn)行量化處理，最終根據(jù)腐蝕發(fā)生的可能性和嚴(yán)重性的乘積獲得管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的大小。根據(jù)管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的大小識別油田高風(fēng)險(xiǎn)管道，并分析管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較高的主要原因，合理科學(xué)地實(shí)施降低風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對手段，實(shí)時掌控高風(fēng)險(xiǎn)管道的運(yùn)行狀態(tài)，使管道發(fā)生腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的概率降到最低。因此，基于腐蝕速率法預(yù)測管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的方法合理解決了塔河油田管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)無法掌控的現(xiàn)狀，對高風(fēng)險(xiǎn)管道的識別和重點(diǎn)關(guān)注更加有效和準(zhǔn)確。

4 結(jié) 論

1)對常用的5種管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法進(jìn)行了比選，根據(jù)塔河油田的實(shí)際情況，確定出適應(yīng)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性都較佳的腐蝕速率預(yù)測方法應(yīng)用于管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測。

2)借助遺傳算法對經(jīng)典BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行了優(yōu)化，有效提高了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性和可靠性，并建立了一套適用于塔河油田的基于BP優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)測方法，殘差修正目標(biāo)滿足要求。

3)通過BP優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)分析智能預(yù)測方法識別出目前管道腐蝕穿孔泄漏安全風(fēng)險(xiǎn)在12區(qū)、環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)在塔河油田TP區(qū)塊，分別選取7個區(qū)塊中的典型管線開展腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，21條管道中有8條管道風(fēng)險(xiǎn)等級處于高風(fēng)險(xiǎn)，13條管道風(fēng)險(xiǎn)等級為中風(fēng)險(xiǎn)，通過現(xiàn)場檢測，進(jìn)一步驗(yàn)證了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)測方法的準(zhǔn)確性，為后續(xù)腐蝕防治工作提供技術(shù)支撐。