長輸管道失效模式診斷技術綜述

國鋒+張小壘

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設備檢驗研究院 烏魯木齊 830013）

摘 要：通過對長輸管道失效模式的研究方法闡述，介紹了長輸管道失效模式診斷評價方法。分析各方法的優(yōu)劣勢，并總結研究成果，為管道長輸管道工作者使用及檢驗研究提供參考。

關鍵詞：長輸管道；失效模式；診斷技術；

前言

長輸管道輸送石油天然氣是最安全、最經濟的運輸方式。但由于油氣的易燃、易爆、及毒性等特點，一旦發(fā)生事故，容易引起火災及爆炸、中毒、污染環(huán)境等惡性后果，同時帶來惡劣的社會及政治影響。而管道的失效模式研究，國內外取得了一定的成績，己經實現(xiàn)了由安全管理模式向風險管理模式的演變，由定性風險分析向定量風險分析的轉化。

1長輸管道失效模式

我國已建成油氣長輸管道多達4.3萬公里，預計2020年將達到8萬公里。雖然我國長輸管道施工水平和施工工藝有了長足的進步和發(fā)展，但仍存在管網老化，材質劣化，施工技術相對落后等諸多問題。長輸管道主要是開裂和穿孔等失效形式。管道失效模式診斷是管道失效事故應急處理和管道失效事件預防的基礎，在管道完整性管理中具有重要作用。

2 常見失效模式診斷方法

（1）故障樹分析方法（FTA）

故障樹由若干節(jié)點和連接這些節(jié)點的有向線段組成，每個節(jié)點表示某一具體事件，連線則表示事件之間的某種特定關系。FTA是一種邏輯演繹分析工具，用于分析所有事故的現(xiàn)象、原因和結果事件及它們的組合，從而找到避免事故的措施。這種分析方法是分析系統(tǒng)事故和原因之間關系的因果邏輯模型，從某一特定的事故開始，運用邏輯推理方法找出各種可能引起事故的原因，也就是識別出各種潛在的影響因素，求出事故發(fā)生的概率，并提出各種控制管道事故的方案。FTA方法具有簡明、靈活、直觀等優(yōu)點，己被應用到管道的事故分析中來。用該方法對長輸管道進行危害識別，能夠找出可能導致事故發(fā)生的初始因素，通過對各因素間的邏輯關系的描述，發(fā)現(xiàn)和查明系統(tǒng)內各種固有的或潛在的危險因素，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，從而為事故原因的分析和制定預防措施提供依據。

（2）管道失效專家系統(tǒng)評價方法

專家系統(tǒng)是一個用基于知識的程序設計方法建立起來的計算機系統(tǒng)，它擁有某個特殊領域內人類專家的知識和經驗，能夠在該領域中作出決策。典型的專家系統(tǒng)包括知識庫、推理機、數(shù)據庫和用戶界面四個部分。知識工程師，即專家系統(tǒng)的開發(fā)者，通過與領域專家交流和閱讀文獻資料，獲得領域知識和經驗，并把它們以一定的形式表示出來，形成知識的外部表示方式，然后將知識的外部表示轉換成計算機能識別的內部表示形式，存放于知識庫中。它按照一定的推理策略，根據用戶輸入的數(shù)據，運用知識庫中的知識進行推理，得出結論，并能解釋其推理過程。

（3）管道失效模糊評價方法

綜合評判就是對受各種因素影響的事物或對象，做出一個總的評價。由于很多事物的評價往往具有模糊性，比如管道系統(tǒng)的安全與失效問題就是如此，因此應用模糊數(shù)學的方法進行綜合評判將會取得更好的實際效果。模糊綜合評判的數(shù)學模型可分為一級模型和多級模型兩類。一級綜合評判的數(shù)學模型只適合較簡單的系統(tǒng)，當評判因素較多時，因為每一個因素取得的權重分配值將很小，綜合評判將得不到滿意的結果，此時應該采用多級評判模型。

由于影響管道失效的影響因素眾多，為此在采用多級模糊評判時將管道失效的影響因素進行分類，按照模糊評判的要求有，對因素全集U作劃分，即U={U1，U2，…，UN}，其中：Ui={ui1，ui2，…，uiki}，i=1，2，…，N（N為總的一級因素個數(shù)），即Ui中含有ki個因素，并且滿足以下條件如圖：

對長輸管道來說，可能造成管道失效的原因非常多，這里影響管道失效的所有因素中可分成4個大類，即U分為相應的四個子集：即N=4，其中：U1為第三方破壞因素，U2為腐蝕因素，U3為設計因素，U4為誤操作因素。

（4）腐蝕管道剩余強度和剩余壽命的評定方法

自20世紀60年代起，世界各國相繼開展了針對管道的剩余壽命和剩余強度的研究，出臺了一系列規(guī)范和評價方法。這些方法和規(guī)范都是以彈塑性力學、斷裂力學、材料科學和可靠性工程為理論基礎，不同程度地考慮了管道的安全可靠性和經濟性，并且是以數(shù)學表達式的形式來表示操作參數(shù)，如失效時的爆破壓力、設計壓力、許用缺陷長度等。其中有代表性的評定標準是AGA NG-18標準，并明確了相應標準的計算方法。但由于計算比較復雜，在實際應用中對操作人員要求較高。因此，將腐蝕缺陷管道的的分析結果整理成各種曲線，稱為案例性評價線圖。這種線圖描述了不同腐蝕缺陷類型、不同腐蝕程度、不同腐蝕影響范圍在不同內壓下的缺陷處的最大工作應力，并考慮了管體材料的機械性能參數(shù)，從而可方便判別腐蝕缺陷管段的安全性。由于管道腐蝕的復雜性，掌握腐蝕影響因素的規(guī)律很困難。另外，在管道腐蝕的眾多影響因素之間，還存在著相互影響，這就使問題更加復雜。對于這樣的復雜系統(tǒng)，采用概率性的方法在一定程度上有一定的準確性。

（5）指數(shù)法（Index Method）

指數(shù)法較為完整地提出了管道失效指數(shù)評分法。評價時對影響管道失效的各因素作了獨立性假定，并考慮到最壞狀況，其得分值具有主觀性和相對性，認為管道事故的原因有第三方破壞、腐蝕、設計和操作四大類，分別對這些因素進行分析評分，每方面的評分均為0-100分。結合管輸介質的危險性和環(huán)境因素，評價泄漏影響系數(shù)，從而得出相對失效指數(shù)，其計算式為：失效總評分=第三方評分+腐蝕評分+設計評分+誤操作評分；相對失效指數(shù)=失效總評分/泄漏影響系數(shù)；泄漏沖擊指數(shù)=介質危險程度/影響系數(shù)；影響系數(shù)=泄漏評分/人口狀況評分。

（6）結構可靠性和風險評估（SRRA）

SRRA是一種評估構件失效概率的方法，它是基于PSM中的失效數(shù)據、分析模型、專家意見、構件初始狀態(tài)假設、結構老化、載荷條件、構件壽命和控制順序，也可用于決策分析以確定是否需要修理、維修或繼續(xù)觀察。

3 新型方法應用

通過以上多種方法分析，影響管道失效的因素眾多，且一些因素具有隨機性、模糊性、不完整性及高度的非線性等特點。采用傳統(tǒng)診斷方法對管道失效模式分析常常存在不適應性及難以建立解決等問題，這對管道失效模式的診斷帶來一定的難度。

人工智能與診斷理論的結合形成了智能診斷，其特點為串行運行的處理方式，需要專門的構造知識庫和數(shù)據庫，為了能充分模擬人的思維，必須建立龐大的知識庫，以集中專家的經驗，這使得建造專家系統(tǒng)的工作非常復雜。

模式識別方法最大的實用性在于“智能”仿真。診斷過程實際上就是一個模式識別的過程。通常故障模式的分布是非常不規(guī)則的，故要求所用模式分類方法能在模式空間里形成各種非線性分割平面，神經網絡的特性使其可以作為一類性能良好的非線性分類器。因此，將人工神經網絡方法和技術應用管道失效模式診斷問題的研究具有很好的適應性。

4結論

管道失效模式是管道失效事件的形式化表現(xiàn)形式。文章綜合了現(xiàn)代失效理論，總結了長輸管道失效模式診斷方法，最后提出基于模式識別的損傷模式方法的實用性研究，將智能信息處理方法和技術應用于管道失效模式診斷問題的研究在機制上具有很好的適應性，具有著廣泛的應用前景。

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