基于證據(jù)推理和置信規(guī)則庫(kù)的承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

中圖分類號(hào)TQ051.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 0254-6094（2025）03-0474-10

承壓設(shè)備是一種對(duì)人身和財(cái)產(chǎn)安全具有較大危險(xiǎn)的承壓類特種設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金機(jī)械、航空航天等各領(lǐng)域，由于其通常承載著高溫、高壓、劇毒介質(zhì)，一旦發(fā)生爆炸泄漏，往往會(huì)引發(fā)火災(zāi)、中毒等災(zāi)難性事故，給日常生活和設(shè)備的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行帶來很大影響[1]。承壓設(shè)備在壓力、溫度和介質(zhì)的共同作用下會(huì)造成材料性能下降、結(jié)構(gòu)不連續(xù)或承載能力下降等損傷，損傷的發(fā)展和積累將會(huì)引發(fā)設(shè)備的失效和安全事故?；趽p傷模式的識(shí)別，有助于在用承壓設(shè)備的檢測(cè)和評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的新生缺陷，確保設(shè)備的安全使用，因此，損傷模式識(shí)別已成為承壓設(shè)備失效分析的關(guān)鍵技術(shù)[2-4]。

目前，對(duì)于損傷模式識(shí)別方法主要參考GB/T30579和GB/T26610.4，由具備專業(yè)資質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估人員進(jìn)行判斷和確定，人力資源消耗大，工作效率低下[5]。為了提高工作效率，研究者們借助新一代信息技術(shù)開展基于多源信息融合的專家系統(tǒng)研究。XUDL等將置信規(guī)則庫(kù)（BeliefRule

Base，BRB）應(yīng)用于承壓設(shè)備泄漏檢測(cè)，證明了BRB系統(tǒng)建模的靈活性，并說明了其對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)建模的適用性[。CHENY等開發(fā)了一種基于證據(jù)推理（EvidentialReasoning，ER）規(guī)則的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)近似因果推理，在承壓設(shè)備泄漏檢測(cè)中證明了所提模型的適用性7]。CHENYW等分析了ER算法的推理機(jī)制，提出了一種訓(xùn)練數(shù)據(jù)選擇方案和自適應(yīng)訓(xùn)練方法來更新BRB參數(shù)，并在管道泄漏檢測(cè)中進(jìn)行了數(shù)值研究[8]。由上述文獻(xiàn)可以看出，BRB作為專家系統(tǒng)的一種，可以在建模時(shí)引入定性知識(shí)，并通過置信分布的方式來表達(dá)信息的不確定性，能夠在小樣本建模下取得良好的建模效果，并且鑒于其在多源信息融合處理、不確定信息表達(dá)和樣本缺少下的建模優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于安全評(píng)估、醫(yī)療診斷及故障診斷等領(lǐng)域[]

筆者基于證據(jù)推理和置信規(guī)則庫(kù)，開發(fā)了一套承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別系統(tǒng)，并在某石化裝置部分承壓設(shè)備上進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，以驗(yàn)證所提方法的可行性。

1理論基礎(chǔ)

基于傳統(tǒng)的IF-THEN規(guī)則和Dempster-Shafer（D-S）理論，曼徹斯特大學(xué)的楊劍波教授在2006年提出了基于證據(jù)推理規(guī)則的置信規(guī)則庫(kù)推理方法（BeliefRule-Base Inference MethodologyUsing theEvidential ReasoningApproach，RIMER）[12]，該方法使用BRB作為專家知識(shí)庫(kù)，使用ER作為推理機(jī)，以此來對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行建模[13]

BRB本質(zhì)上是一種基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，能夠有效利用定量數(shù)據(jù)與定性知識(shí)進(jìn)行建模，建立輸入與輸出之間的非線性關(guān)系。相比傳統(tǒng)的IF-THEN規(guī)則，由于其添加了置信分布的概念，因此可以有效表示多源信息中的不確定性信息，包括概率不確定性和模糊不確定性[14]]

1.1 置信規(guī)則庫(kù)

BRB中包含一系列的置信規(guī)則，其中第k條規(guī)則 R_k 可表示為：

With a rule weight θ_k ，and attribute weights δ_k1，δ_k2，…，δ_kMk

k∈{1，2，…，L}

其中 x₁，x₂，…，x_Mk 表示第k條規(guī)則中使用的前提屬性 和 ∣δ_k1，δ_k2，…，δ_kMk 分別表示第 k 條規(guī)則中 M_k 個(gè)前提屬性相應(yīng)的屬性參考值和屬性權(quán)重 ：D₁，D₂，…，D_N 表示第 ?k 條規(guī)則中的結(jié)果集 ;β_1，k，β_2，k，…，β_N，k 表示第k條規(guī)則中 N 個(gè)結(jié)果相應(yīng)的置信度； M_k 和N分別表示第 k 條規(guī)則中前提屬性的數(shù)量和結(jié)果的數(shù)量； θ_k 表示第k條規(guī)則的規(guī)則權(quán)重： L 表示BRB中所有規(guī)則的數(shù)目； Λ 表示“與\"邏輯關(guān)系。

BRB作為存儲(chǔ)專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的知識(shí)庫(kù)，在專家系統(tǒng)中有著舉足輕重的地位，BRB的完善性、確定性和可用性決定著專家系統(tǒng)的性能的優(yōu)劣[15]，因此，BRB的設(shè)計(jì)與改進(jìn)是系統(tǒng)建模中的一項(xiàng)重要工作。

評(píng)價(jià)結(jié)果 S（A^'）={（D_i，β_i，k），i=1，2，…，N} 。由L 條置信規(guī)則組成的BRB也可以描述為置信矩陣（表1）。在該矩陣中， 表示前提屬性， ω_k 表示前提屬性 A^# 的激活權(quán)重，反映了第k條規(guī)則被激活的程度。 β_i，k 表示相對(duì)于評(píng)價(jià)結(jié)果 D_i 的置信度?；谥眯啪仃?，利用ER算法計(jì)算出的 β_i，k 對(duì)激活的規(guī)則進(jìn)行組合，從而產(chǎn)生相對(duì)于評(píng)價(jià)結(jié)果 D₁，D₂ …，D_?N 的置信度。

表1置信矩陣

將第k條規(guī)則中 M_k 個(gè)前提屬性相應(yīng)的屬性參考值 A₁^k，A₂^k，…，A_Mk^k 規(guī)則化為h、m和l共3種，分別代表發(fā)生概率 100% 、發(fā)生概率 50% 和發(fā)生概率 0% 。

將第k條規(guī)則中N個(gè)結(jié)果相應(yīng)的置信度β，k，β2，k，. β_N，k 也規(guī)則化為h Ω_，m 和l共3種，分別代表發(fā)生概率 100% 、發(fā)生概率 50% 和發(fā)生概率 0% 。置信矩陣規(guī)則化見表2。

如第1條規(guī)則 D₁ is {（h，1）} ，規(guī)則化為 β_1，1=1 、 β_2，1=0，β_3，1=0， 規(guī)則和置信矩陣規(guī)則化示例見表3、4。

1.2 置信規(guī)則激活權(quán)重

首先進(jìn)行輸人信息轉(zhuǎn)化，1.0對(duì)應(yīng) h=1.0AA.0.5 對(duì)應(yīng) m=0.5，0.0 對(duì)應(yīng) l=0.0 ，例如 |x₁=0.8 ，此時(shí)對(duì)應(yīng) h= 0.6，m=0.4，l=0.0 。

置信規(guī)則激活權(quán)重 ω_k 的計(jì)算式如下：

其中， α_i^k 表示在第k條規(guī)則中第i個(gè)輸入 x_i 相對(duì)于參考值 ?A_i^k 的置信度； M 表示輸人 x_i 的總個(gè)數(shù)； 表示 α_i^k 的修正權(quán)重系數(shù)。

1.3ER算法推理

利用ER解析算法進(jìn)行推理，得出最終評(píng)價(jià)結(jié)果的置信度 ，其中 表示相對(duì)于評(píng)價(jià)結(jié)果 D_j 的置信度，且滿足：

其中 是規(guī)則權(quán)重 θ_k（k=1，2，…，L） 、前提屬 性權(quán)重 和置信度 β_βj，k（j=1，2，…，N

k=1，2，…，L） 的函數(shù)。

2 石化設(shè)備損傷模式識(shí)別系統(tǒng)開發(fā)

2.1 應(yīng)用范圍

本系統(tǒng)的適用對(duì)象為石油化工裝置承壓設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造，以及使用單位和檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)輔助其對(duì)設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維和檢修過程中設(shè)備潛在的損傷模式和失效原因進(jìn)行快速判斷，輔助RBI評(píng)估單位對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估設(shè)備的潛在損傷模式進(jìn)行識(shí)別。

通過輸人使用條件、材料、失效宏觀形貌及微觀形貌等已知條件的發(fā)生概率，計(jì)算至多15種潛在損傷機(jī)理，損傷機(jī)理的信息包括發(fā)生概率、失效樹中各影響因素的原始輸人和計(jì)算概率以及各損傷機(jī)理的損傷形態(tài)、影響材料、主要影響因素、易發(fā)生的裝置或設(shè)備、主要預(yù)防措施、監(jiān)/檢測(cè)方法、相關(guān)或伴隨的其他損傷機(jī)理及典型失效圖片等。

當(dāng)前版本系統(tǒng)適用于GB/T30579—2022《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》[16]所涵蓋的72種損傷機(jī)理（表5）的分析計(jì)算。

2.2 規(guī)則庫(kù)建立

開發(fā)石化設(shè)備損傷模式識(shí)別系統(tǒng)時(shí)，首先對(duì)每個(gè)損傷機(jī)理建立失效樹。鹽酸局部腐蝕失效樹如圖1所示。

鹽酸局部腐蝕

介質(zhì)材料組合 腐蝕環(huán)境 腐蝕特征 裝置及設(shè)備

介質(zhì) 材料 毒化劑 節(jié)流工況 形貌 腐體物 發(fā)生位 發(fā)生間 常減壓裝置 加裝氫 ·E碳鋼 照電蔬

然后建立失效樹相鄰層級(jí)的置信規(guī)則，如表6所列，以介質(zhì)材料組合（代號(hào)B1）為例給出其置信規(guī)則庫(kù)，下級(jí)由介質(zhì)、材料和毒化劑3個(gè)影響因素組成，代號(hào)分別為C1、C2和C3。

表6前提條件中“\"后的數(shù)值代表發(fā)生概率，規(guī)則結(jié)果中“\"后的第1個(gè)數(shù)值代表發(fā)生概率為100% 的概率、第2個(gè)數(shù)值代表發(fā)生概率為 50% 的概率、第3個(gè)數(shù)值代表發(fā)生概率為 0% 的概率，例如“0.810.210\"的概率為 100%×0.8+50%×0.2+0%× 0=0.9 。

2.3 系統(tǒng)輸入計(jì)算條件

系統(tǒng)輸入計(jì)算條件界面如圖2所示，錄入的失效樹影響因素共有四大類（包括介質(zhì)材料應(yīng)力、腐蝕環(huán)境、腐蝕特征、裝置及設(shè)備）和十二小類（介質(zhì)、介質(zhì)影響因素、材料、材料影響因素、毒化劑、應(yīng)力、宏觀形貌、腐蝕產(chǎn)物、發(fā)生部位、發(fā)生時(shí)間、微觀形貌和斷口類型），總共有669個(gè)影響因素。

2.4 系統(tǒng)輸出結(jié)果

系統(tǒng)輸出結(jié)果界面如圖3所示。如圖輸出結(jié)果界面左側(cè)部分給出了分析得到的損傷機(jī)理及

其對(duì)應(yīng)的失效概率，右側(cè)部分給出了每個(gè)損傷機(jī)理的失效樹以及各影響因素的給定或計(jì)算得到的發(fā)生概率。

3 應(yīng)用案例

3.1 案例一

某化工廠氯堿車間蒸發(fā)器發(fā)生泄漏 （圖4）， 工作原理為：濃度較低的氯堿水溶液從蒸發(fā)器下 段U形彎管底進(jìn)料，經(jīng)右側(cè)的換熱器管程加熱后， 氯堿水溶液呈沸騰狀態(tài)并產(chǎn)生大量水蒸氣，水蒸 氣經(jīng)蒸發(fā)器上段筒體右上側(cè)的接管排出，經(jīng)蒸發(fā) 除水后的濃度較高的氯堿水溶液從蒸發(fā)器上段 筒體左下側(cè)的接管出料，換熱器殼程由高溫蒸汽 提供熱源與管程換熱。工作壓力為常壓，工作溫 度為 120～150^°C ，材料為1Cr18Ni9Ti，工藝介質(zhì)為 氯堿、水、水蒸氣，加熱介質(zhì)為水蒸氣。

將表7中的數(shù)據(jù)輸人至軟件中，得到圖5所示的初步分析結(jié)果，從圖5所示結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，堿應(yīng)力腐蝕開裂（300系列不銹鋼）等機(jī)理發(fā)生的概率較高。

經(jīng)進(jìn)一步核實(shí)，膨脹節(jié)和U形管的焊縫及焊縫附近產(chǎn)生泄漏，有大量穿透性裂紋，這些裂紋均起始于內(nèi)壁焊縫區(qū)并向母材擴(kuò)展，裂紋呈樹枝狀形貌（圖6）。膨脹節(jié)的裂紋尖端存在氯元素的聚集，測(cè)量處氯含量最大質(zhì)量比為 3.57% 。裂紋斷口形貌為以沿晶為主的混晶結(jié)構(gòu)。

將表8中的數(shù)據(jù)補(bǔ)充輸入至軟件，得到圖7所示的分析結(jié)果，可見該設(shè)備發(fā)生氯化氫應(yīng)力腐蝕開裂的概率最高。

3.2 案例二

某石化廠乙二醇車間的環(huán)氧乙烷精制塔，工藝是將 6%～8% 的環(huán)氧乙烷溶液精制成濃度為99.97% 的環(huán)氧乙烷成品。該環(huán)氧乙烷精制塔的材質(zhì)為SUS304，工作壓力 0.334MPa ，工作溫度146^°C ，介質(zhì)為環(huán)氧乙烷水溶液，其中腐蝕性介質(zhì)為硫化物、氯離子、甲酸、乙酸及溶解氧等，塔釜液取樣分析結(jié)果見表9。經(jīng)分析，塔釜液中的硫化物可能是生產(chǎn)乙烯原料油中帶來的；氯離子可能是二氧化碳脫除系統(tǒng)中加入的無機(jī)鹽帶來的以及二氯乙烷中帶來的；系統(tǒng)在氧化反應(yīng)過程中有甲酸等酸性物質(zhì)生成，在二氧化碳脫除系統(tǒng)中部分二氧化碳溶于水生成碳酸；溶解氧是生產(chǎn)乙二醇的原料之一。下封頭焊縫與裙座焊縫之間靠近焊縫熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)10處泄漏點(diǎn)，大部分為砂眼，個(gè)別為縱向小裂紋。

將表10中的數(shù)據(jù)輸人軟件，得到圖8所示的初步分析結(jié)果，可以看出，連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂等機(jī)理發(fā)生的概率較高。

經(jīng)進(jìn)一步核實(shí)，熱影響區(qū)有大量的垂直于焊縫的小裂紋（圖9）。金相為奧氏體組織，熱影響區(qū)的晶粒有明顯的細(xì)化，并伴有大量的形變孿晶，硬度非常高。同時(shí)有明顯的晶間腐蝕跡象，晶界鉻的碳化物析出，晶粒脫落（圖10）。腐蝕產(chǎn)物能譜分析顯示，裂紋尖端存在大量氯離子。

將表11中的數(shù)據(jù)補(bǔ)充輸入至軟件，可得知該設(shè)備發(fā)生氯化氫應(yīng)力腐蝕開裂的概率最高（圖11）。

4結(jié)束語

筆者所開發(fā)的基于置信規(guī)則庫(kù)和ER推理的專家輔助決策系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的失效數(shù)據(jù)庫(kù)和邏輯推理功能，可定量計(jì)算出設(shè)備發(fā)生失效的相對(duì)概率。對(duì)兩個(gè)典型失效案例進(jìn)行了系統(tǒng)應(yīng)用，得出發(fā)生概率最高的損傷模式比較符合實(shí)際，極大地提升了損傷模式識(shí)別工作的精度和效率。在損傷模式識(shí)別過程中，對(duì)某一損傷模式失效樹中列出的各個(gè)影響因素，通過相應(yīng)的檢查、試驗(yàn)和測(cè)試，進(jìn)行核實(shí)和排除，可進(jìn)一步提升分析的準(zhǔn)確性。本研究工作將對(duì)國(guó)內(nèi)承壓設(shè)備失效分析以及潛在損傷模式識(shí)別工作具有一定的指導(dǎo)意義。

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（收稿日期：2024-05-29，修回日期：2025-05-16）

Development and Implication of Damage Pattern ldentification System of Pressure Equipment Based on Evidence Reasoning and Belief Rule Base

SHAO Dong-dong12，LI Yang1，CHEN Wen-fei12， JIANG Hai-yi3， JIN Xue-feng1， YIN Jian-bin1，LI Kai-hong1

（1.Ningbo Special Equiepment InspectionandResearch Institute;2.Zhejiang Province KeyLaboratoryofInteligent Inspectionand Monitoring ofSpecial Equipment for Market Regulation; 3.China Special Equipment Inspection and Research Institute）

AbstractBased on both evidence reasoning and belief rule base theory，a damage pattern recognition systemfor pressure equipment was developed. This expert system can asist in the failure analysis of pressure equipment and improve both efficiency and accuracy of failure analysis.Applying it to a petrochemical equipment verified the feasibility of this system.

Key Words pressure equipment，damage patern recognition，expert system，evidence reasoning，belief rule base