基于未確知測(cè)度理論的管道內(nèi)涂層失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

摘" " 要：為提高管道內(nèi)涂層質(zhì)量的管控水平，從涂層性能、服役環(huán)境、涂層老化和施工缺陷等方面建立了三級(jí)指標(biāo)、五級(jí)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)構(gòu)造單指標(biāo)測(cè)度、計(jì)算復(fù)合權(quán)重和構(gòu)造多指標(biāo)測(cè)度等步驟，實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)指標(biāo)間差異性和不確定性的消除，并引入有效度對(duì)未確知測(cè)度理論的識(shí)別準(zhǔn)則進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)價(jià)，并進(jìn)行了工程應(yīng)用。結(jié)果表明，通過(guò)復(fù)合權(quán)重可降低改進(jìn)層次分析法和變異系數(shù)法兩類(lèi)權(quán)重結(jié)果帶來(lái)的弊端，一級(jí)指標(biāo)中涂層性能的影響權(quán)重最大，二級(jí)指標(biāo)中電化學(xué)阻抗值、清管頻次、服役時(shí)間、施工水平的影響權(quán)重較大；評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符，證明了本文模型的科學(xué)性和有效性，為內(nèi)涂層失效的風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供了一種新方法。

關(guān)鍵詞：未確知測(cè)度；管道；內(nèi)涂層；復(fù)合權(quán)重；置信度；有效度

Failure risk evaluation of coating in pipelines based on unascertained measure theory

ZHANG Hong CHEN Yangzi JIA Zhenzhen ZHU Biyun SUN Chunliang LIANG Changjing

1. No. 1 Oil Production Plant of Huabei Oilfield Company， CNPC， Renqiu 062552， China

2. Safety Supervision and Testing Center， Huabei Oilfield Company， CNPC， Renqiu 062552，China

3. No. 4 Oil Production Plant of Huabei Oilfield Company， CNPC， Langfang 065000， China

Abstract：In order to improve the management control level of coating quality in pipelines， an evaluation index system of three-level index and five-level risk was established by considering coating performance， service environment， coating aging， and construction defects. The differences and uncertainties among evaluation indexes were eliminated by constructing a single index measure， calculating composite weight， and setting a multi-index measure. The validity was introduced to improve the identification criteria of unascertained measure theory， and the risk grade was evaluated and applied in engineering. The results show that the composite weight can reduce the disadvantages brought by the weight results from improved interval analytic hierarchy process （IAHP） and coefficient of variation methods. In the primary index， the influence of coating performance has the largest weight. In the secondary index， the influence of electrochemical impedance value， pigging frequency， service time， and construction level has a larger weight. The evaluation results are consistent with the actual situation， which proves the scientificity and validity of the model proposed in this paper and provides a new method for the risk evaluation of inner coating failure.

Keywords：unascertained measure; pipeline; inner coating; composite weight; confidence; validity

管道作為油氣資源輸送的主要方式，其安全平穩(wěn)運(yùn)行一直備受關(guān)注，其失效原因一般可分為腐蝕、第三方破壞、材料缺陷、誤操作和自然力破壞等[1-2]。其中，腐蝕導(dǎo)致的管道失效事件逐年攀升。對(duì)管道內(nèi)壁施加內(nèi)涂層不僅可阻隔腐蝕介質(zhì)與金屬基材的接觸，降低內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，還可降低摩阻損失，增大管輸量[3-4]。隨著風(fēng)送擠涂工藝的發(fā)展，內(nèi)涂層技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。目前，針對(duì)內(nèi)涂層質(zhì)量的評(píng)價(jià)主要基于實(shí)驗(yàn)法，從涂層外觀(guān)、涂層硬度、耐沖擊性、耐磨性等方面進(jìn)行考量[5-6]，未考慮服役環(huán)境、施工缺陷和涂層老化等帶來(lái)的影響，也未建立合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。模糊綜合評(píng)價(jià)[7]、物元可拓[8-9]、肯特打分法等[10]均是管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中常用的模型，但以上模型忽略了指標(biāo)間的差異性和不確定性，在指標(biāo)權(quán)重賦值和結(jié)果打分上存在較大的主觀(guān)性。未確知測(cè)度理論可通過(guò)測(cè)度函數(shù)表征指標(biāo)在不同評(píng)價(jià)等級(jí)上的隸屬度，便于定性和定量指標(biāo)分離處理，可提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。鑒于此，在構(gòu)建管道內(nèi)涂層失效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，結(jié)合改進(jìn)層次分析法（Improved Analytic Hierarchy Process，IAHP）和變異系數(shù)法確定指標(biāo)權(quán)重，并采用改進(jìn)未確知測(cè)度理論對(duì)內(nèi)涂層狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為內(nèi)涂層噴涂周期的制訂提供實(shí)際參考。

1" " 建立管道內(nèi)涂層失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

內(nèi)涂層與管道、容器的失效過(guò)程類(lèi)似，均遵循浴盆曲線(xiàn)，分別為早期故障期、偶發(fā)故障期和損耗故障期。早期故障期與涂層本身的性能缺陷、涂敷工藝缺陷和設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)纫蛩叵嚓P(guān)；隨著服役時(shí)間延長(zhǎng)，涂層性能趨于穩(wěn)定，此時(shí)認(rèn)為故障率是一個(gè)常數(shù)；在最后損耗期，內(nèi)涂層受涂層老化及服役環(huán)境的影響，會(huì)產(chǎn)生一定的損耗直至完全從管壁上剝離或脫落。根據(jù)上述描述，參照SY/T 0457—2018《鋼質(zhì)管道液體環(huán)氧涂料內(nèi)防腐技術(shù)規(guī)范》要求，從涂層性能、服役環(huán)境、涂層老化、施工缺陷等方面考慮，建立三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

參照評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將影響管道內(nèi)涂層失效的每個(gè)指標(biāo)分為5個(gè)等級(jí)，分級(jí)結(jié)果見(jiàn)表2。其中，輸送溫度的變化可以影響腐蝕性氣體在水中的溶解度，溫度越高，氣體的溶解度越小，但溫度升高同樣會(huì)增加氣體分子的運(yùn)動(dòng)速率，導(dǎo)致內(nèi)涂層的彈性模量、泊松比和密度等物理性質(zhì)發(fā)生改變，內(nèi)涂層出現(xiàn)褶皺，質(zhì)量下降。輸送壓力越高，涂層越容易受到內(nèi)壓的影響發(fā)生嚴(yán)重變形。流速越大，流體產(chǎn)生的軸向剪切應(yīng)力越大，當(dāng)超過(guò)涂層附著力時(shí)，涂層會(huì)發(fā)生鼓泡、剝離或脫落現(xiàn)象，造成涂層質(zhì)量下降。除“涂層外觀(guān)”為定性指標(biāo)外，其余指標(biāo)均為定量指標(biāo)，定性指標(biāo)由專(zhuān)家通過(guò)目視法按照0～100分進(jìn)行賦值。

2" " 未確知測(cè)度理論

2.1" " 構(gòu)建單指標(biāo)測(cè)度

2.2" " 構(gòu)造未確知測(cè)度函數(shù)

2.3" " 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

2.3.1" " IAHP法

2.3.2" " 變異系數(shù)法

變異系數(shù)法綜合考慮了各指標(biāo)值的差異程度，差異程度越大，指標(biāo)權(quán)重越大。計(jì)算步驟包括計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差、均值、變異系數(shù)和權(quán)重，具體見(jiàn)文獻(xiàn)[14]，在此不再贅述。

2.3.3" " 復(fù)合權(quán)重

2.4" " 構(gòu)造綜合指標(biāo)測(cè)度及內(nèi)涂層失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3" " 工程驗(yàn)證

將表3的數(shù)據(jù)代入未確知測(cè)度函數(shù)圖，1號(hào)管道的單指標(biāo)測(cè)度矩陣見(jiàn)表4，其余管道依次類(lèi)推。

為了便于變異系數(shù)法計(jì)算權(quán)重，將I11指標(biāo)中的“H”去掉，將I12指標(biāo)中A～E級(jí)轉(zhuǎn)化為數(shù)值1～5，將字符型數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)化為數(shù)值型。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作人員和專(zhuān)家意見(jiàn)，得到不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要度，并依據(jù)2.3.1節(jié)計(jì)算主觀(guān)權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表5。對(duì)于一級(jí)指標(biāo)I1下屬的二級(jí)指標(biāo)，根據(jù)變異系數(shù)法的權(quán)重排序結(jié)果為I15、I11、I14、I13、I16、I12。其中，I15為電化學(xué)阻抗譜中0.01 Hz對(duì)應(yīng)的阻抗值，可反映涂層體系在腐蝕性介質(zhì)入侵條件下的完整性情況，可綜合體現(xiàn)涂層外觀(guān)及性能變化；而I11雖然可體現(xiàn)涂膜的致密性，但考慮到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的硬度值均在2H以上，滿(mǎn)足規(guī)范要求，因此硬度對(duì)內(nèi)涂層失效的影響應(yīng)較小，故需要IAHP法的主觀(guān)權(quán)重進(jìn)行結(jié)果修正。對(duì)于一級(jí)指標(biāo)I2下屬的二級(jí)指標(biāo)，變異系數(shù)法確定I24所占的權(quán)重過(guò)大，清管器程序不合理或清管器選用不當(dāng)，雖可造成內(nèi)涂層的失效，但涂層的耐磨性也會(huì)在一定程度上降低內(nèi)涂層失效發(fā)生的概率，故也需IAHP法的主觀(guān)權(quán)重進(jìn)行結(jié)果修正。一級(jí)指標(biāo)中涂層性能的權(quán)重最大，其次為服役環(huán)境、施工缺陷和涂層老化；二級(jí)指標(biāo)中電化學(xué)阻抗值、清管頻次、服役時(shí)間、施工水平的權(quán)重較大，這些因素應(yīng)作為預(yù)防管道內(nèi)涂層失效的主控因素。

最后，按照式（8）確定不同管道內(nèi)涂層的多指標(biāo)測(cè)度，再根據(jù)置信度識(shí)別準(zhǔn)則得到內(nèi)涂層的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，見(jiàn)表6。常規(guī)未確知測(cè)度的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，由于置信度選取的不同，在1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)管道的內(nèi)涂層風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果出現(xiàn)了偏差，置信度較小時(shí)出現(xiàn)了低估，置信度較大時(shí)出現(xiàn)了高估。改進(jìn)未確知測(cè)度顯示，只有3號(hào)管道的有效度大于0.5，考慮到傳統(tǒng)置信度識(shí)別準(zhǔn)則中有兩個(gè)II級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，一個(gè)I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)保守原則，確定該管道為II級(jí)風(fēng)險(xiǎn)；其余管道根據(jù)式（9）、式（10）計(jì)算γ和B值，確定管道內(nèi)涂層的失效風(fēng)險(xiǎn)。此外，在4號(hào)管道和7號(hào)管道出現(xiàn)了與常規(guī)未確知測(cè)度均不一樣的評(píng)價(jià)等級(jí)，這與常規(guī)方法低等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)的隸屬度過(guò)于集中化有關(guān)。

其中，2號(hào)管道的內(nèi)涂層失效風(fēng)險(xiǎn)較大，內(nèi)涂層附著力較差，耐沖擊性和耐磨性也未達(dá)標(biāo)，同時(shí)管輸溫度較高，加速了熱解老化的可能性；管輸介質(zhì)的腐蝕性較強(qiáng)，在高流速影響下，涂層電阻不斷降低，涂層的耐腐蝕性能有所減弱。雖然5號(hào)管道內(nèi)涂層的服役時(shí)間最長(zhǎng)，但與服役時(shí)間最短的5號(hào)管道內(nèi)涂層相比，其失效風(fēng)險(xiǎn)更小，這與內(nèi)涂層質(zhì)量較高、管輸壓力和流速較低等因素有關(guān)。6號(hào)管道采用的內(nèi)涂層為環(huán)氧樹(shù)脂氧化石墨烯改性材料，并通過(guò)超聲分散的方式添加了Al2O3、TiO2作為納米剛性粒子，從硬度、附著力、耐沖擊性、耐腐蝕性等方面的性能均高于其余有機(jī)涂料。從施工缺陷觀(guān)察，不同管道的內(nèi)涂層厚度均達(dá)到了200 μm以上，屬于普通級(jí)，部分管道可達(dá)加強(qiáng)級(jí)，噴砂除銹質(zhì)量和管道環(huán)焊縫質(zhì)量較好，施工質(zhì)量控制嚴(yán)格，施工過(guò)程表現(xiàn)良好。

綜上，基于復(fù)合權(quán)重-改進(jìn)未確知測(cè)度理論的管道內(nèi)涂層失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本一致，降低了風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高估或低估的可能性，評(píng)價(jià)結(jié)果更加真實(shí)、可靠。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的“涂層性能”“涂層老化”“施工缺陷”等因素一旦形成，基本不可改變，對(duì)此不必過(guò)多考慮；應(yīng)著重從“服役環(huán)境”這類(lèi)可人為控制的因素進(jìn)行考慮，如調(diào)整井口油嘴或氣嘴壓力、添加緩蝕劑、在管道走向低洼處添加疏水閥作為附件、優(yōu)化清管策略、降低清管次數(shù)等方面，以此降低管道內(nèi)涂層失效的風(fēng)險(xiǎn)，提高流動(dòng)保障安全性和管道完整性。

4" " 結(jié)論

1）結(jié)合管道內(nèi)涂層的失效原因、失效過(guò)程和失效機(jī)理，建立了管道內(nèi)涂層失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)未確知測(cè)度理論實(shí)現(xiàn)了多因素非線(xiàn)性指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)量化，引入了有效度對(duì)常規(guī)置信度識(shí)別準(zhǔn)則進(jìn)行了改進(jìn)，降低了主觀(guān)因素對(duì)評(píng)級(jí)結(jié)果的影響。

2）基于IAHP法和變異系數(shù)法確定了影響管道內(nèi)涂層失效的主控因素，一級(jí)指標(biāo)中涂層性能的影響權(quán)重最大，二級(jí)指標(biāo)中電化學(xué)阻抗值、清管頻次、服役時(shí)間、施工水平的影響權(quán)重較大。

3）基于復(fù)合權(quán)重-改進(jìn)未確知測(cè)度理論的失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)工況基本一致，今后應(yīng)著重考慮從人為控制的因素進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以降低內(nèi)涂層失效的可能性。

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作者簡(jiǎn)介：

張" " 宏（1974—），女，河北高陽(yáng)人，工程師，2007年畢業(yè)于內(nèi)蒙古大學(xué)行政管理學(xué)專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事工程概算工作。

Email：3375931356@qq.com

收稿日期：2024-05-11