基于模糊理論的在役管道內(nèi)涂層壽命評價方法

馬衛(wèi)鋒 費(fèi) 凡 劉冬梅 羅金恒 蔡 克 陳志昕 趙新偉

1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)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(shù)學(xué)院，陜西 西安 710018

0 前言

天然氣管道減阻內(nèi)涂層不但可將腐蝕性介質(zhì)和管壁金屬機(jī)械隔離，保護(hù)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(shè)計輸量一定時可以降低輸送壓力，擴(kuò)大增壓站間距，降低動力消耗，節(jié)約鋼材、施工和維護(hù)費(fèi)用，確保產(chǎn)品純度，使管內(nèi)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(zhì)點、針孔等缺陷，造成管道內(nèi)壁腐蝕。另一方面，在服役過程中，管道內(nèi)涂層受天然氣粉塵磨損作用、清管過程中的機(jī)械破壞和環(huán)境溫度變化引起的蠕變應(yīng)力影響，導(dǎo)致內(nèi)涂層剝離、劃傷和表面光滑度下降。在役天然氣管道內(nèi)涂層的失效，往往是生產(chǎn)過程中涂層缺陷和運(yùn)行過程中外界因素共同作用的結(jié)果。由于管道內(nèi)涂層無法直接檢驗、檢查，所以，對在役管道內(nèi)涂層運(yùn)行期可靠性評估和壽命評價尤為重要。

評價在役管道內(nèi)涂層壽命考慮的風(fēng)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(nèi)涂層本身的老化等，這些風(fēng)險要素本身又包含許多影響因素。在役管道內(nèi)涂層壽命影響分析的評價包括多種因素和多個評價指標(biāo)，各個風(fēng)險要素和評價指標(biāo)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(jié)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(nèi)涂層壽命影響分析做出評價是不全面的，不能準(zhǔn)確反映管道內(nèi)涂層的綜合壽命評價結(jié)果。因此對在役管道內(nèi)涂層壽命影響分析評價時，要兼顧各個影響因素，進(jìn)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(fù)雜問題評判效果較好，該方法主要是利用與評價對象有關(guān)的單因素評價結(jié)果，構(gòu)成相應(yīng)的評價矩陣，利用確定各因素重要性程度的權(quán)重因子作模糊變換，最終得到對評價對象的評價結(jié)果。提出了利用模糊多層次綜合評價方法對在役管道內(nèi)涂層壽命進(jìn)行評價，評價結(jié)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(yīng)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(guān)的各個因素對其進(jìn)行評價。在復(fù)雜的系統(tǒng)中，由于相關(guān)影響因素較多，各個因素之間往往有一定的層次關(guān)系［4］。實際應(yīng)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(jié)果進(jìn)行“類”之間的高層次綜合評判。

評價算法的系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 評價算法的系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

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

2 算法步驟

2.1 確定評價指標(biāo)體系

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

2.2 確定權(quán)重

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

表1 天然氣管道內(nèi)涂層評價指標(biāo)體系

表2 薩迪標(biāo)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(nèi)涂層專家對評價對象（某在役管道內(nèi)涂層性能）進(jìn)行評價，假設(shè)對指標(biāo)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(gòu)成了論域U×V上的模糊關(guān)系。使用權(quán)重向量W對R進(jìn)行模糊變換，得到該層對應(yīng)指標(biāo)在論域V上的模糊關(guān)系Q=WoR，將Q進(jìn)行歸一化處理后作為進(jìn)行上一級指標(biāo)評價的R，繼續(xù)進(jìn)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(yīng)用實例

結(jié)合某在役5年天然氣管道減阻內(nèi)涂層具體情況，介紹該方法的應(yīng)用。

首先，根據(jù)評價算法的系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)，設(shè)計了評價指標(biāo)（表1）和評語集，根據(jù)AHP法分別求出各層指標(biāo)（第一、二層指標(biāo)）的權(quán)重（表1）。結(jié)合科研項目對某在役5年天然氣管道減阻內(nèi)涂層實驗結(jié)果（根據(jù)SY/T 6530-2002《非腐蝕性氣體輸送用管線管內(nèi)涂層》開展試驗），設(shè)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(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍υ撎烊粴夤艿罍p阻內(nèi)涂層進(jìn)行模糊評價。針對二級評價指標(biāo)項統(tǒng)計每個評價級別的分布，得到四組模糊評價關(guān)系：

表3 某在役天然氣管道減阻內(nèi)涂層評價測評表 （獲得票數(shù)）

根據(jù)上文求得各級指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重向量，利用相應(yīng)的權(quán)重向量進(jìn)行模糊變換Qi=WioRi，歸一化得Qi，得到一級指標(biāo)的模糊評價關(guān)系：

對R進(jìn)行模糊變換，得到總體模糊評價：

該結(jié)果表明評價人員中無人認(rèn)為某在役5年天然氣管道減阻內(nèi)涂層綜合壽命優(yōu)秀，51.1%的人認(rèn)為良好，32.11%的人認(rèn)為中等，10.41%的人認(rèn)為較差，6.39%的人認(rèn)為很差。將總體模糊評價向量進(jìn)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(nèi)涂層壽命評價最終得分為76分。

4 結(jié)束語

在役管道內(nèi)涂層壽命影響分析的評價包括多種因素和多個評價指標(biāo)，考慮其中的一些因素而對管道內(nèi)涂層壽命影響進(jìn)行評價是不全面的，不能準(zhǔn)確反映出管道內(nèi)涂層的綜合壽命評價結(jié)果。為了兼顧各個影響因素，對多個相關(guān)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(nèi)涂層壽命進(jìn)行評價。針對某在役5年天然氣管道減阻內(nèi)涂層，結(jié)合內(nèi)涂層實驗室結(jié)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(nèi)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(nèi)涂層減阻技術(shù)［J］.油氣儲運(yùn)，2001，20（3）：1-6.

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

［4］龍學(xué)淵，袁宗明，李龍強(qiáng).模糊多層次綜合評判法在長輸管線失效風(fēng)險程度評判中的應(yīng)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(luò)評價高校教師教學(xué)質(zhì)量［J］.計算機(jī)時代，2009，（8）：36-38.

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