基于未確知測度理論的管道內(nèi)涂層失效風險評價研究

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指標、五級風險的評價指標體系，通過構(gòu)造單指標測度、計算復合權(quán)重和構(gòu)造多指標測度等步驟，實現(xiàn)了評價指標間差異性和不確定性的消除，并引入有效度對未確知測度理論的識別準則進行改進，實現(xiàn)了風險等級的評價，并進行了工程應用。結(jié)果表明，通過復合權(quán)重可降低改進層次分析法和變異系數(shù)法兩類權(quán)重結(jié)果帶來的弊端，一級指標中涂層性能的影響權(quán)重最大，二級指標中電化學阻抗值、清管頻次、服役時間、施工水平的影響權(quán)重較大；評價結(jié)果與現(xiàn)場實際情況相符，證明了本文模型的科學性和有效性，為內(nèi)涂層失效的風險性評價提供了一種新方法。

關(guān)鍵詞：未確知測度；管道；內(nèi)涂層；復合權(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，腐蝕導致的管道失效事件逐年攀升。對管道內(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)腐蝕風險，還可降低摩阻損失，增大管輸量[3-4]。隨著風送擠涂工藝的發(fā)展，內(nèi)涂層技術(shù)得到了長足發(fā)展。目前，針對內(nèi)涂層質(zhì)量的評價主要基于實驗法，從涂層外觀、涂層硬度、耐沖擊性、耐磨性等方面進行考量[5-6]，未考慮服役環(huán)境、施工缺陷和涂層老化等帶來的影響，也未建立合理的評價指標體系進行綜合評價。模糊綜合評價[7]、物元可拓[8-9]、肯特打分法等[10]均是管道風險評價中常用的模型，但以上模型忽略了指標間的差異性和不確定性，在指標權(quán)重賦值和結(jié)果打分上存在較大的主觀性。未確知測度理論可通過測度函數(shù)表征指標在不同評價等級上的隸屬度，便于定性和定量指標分離處理，可提高評價結(jié)果的準確性。鑒于此，在構(gòu)建管道內(nèi)涂層失效評價指標體系的基礎(chǔ)上，結(jié)合改進層次分析法（Improved Analytic Hierarchy Process，IAHP）和變異系數(shù)法確定指標權(quán)重，并采用改進未確知測度理論對內(nèi)涂層狀態(tài)進行評價，以期為內(nèi)涂層噴涂周期的制訂提供實際參考。

1" " 建立管道內(nèi)涂層失效風險評價指標體系

內(nèi)涂層與管道、容器的失效過程類似，均遵循浴盆曲線，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、涂敷工藝缺陷和設計不當?shù)纫蛩叵嚓P(guān)；隨著服役時間延長，涂層性能趨于穩(wěn)定，此時認為故障率是一個常數(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，建立三級評價指標體系，見表1。

參照評價指標體系，將影響管道內(nèi)涂層失效的每個指標分為5個等級，分級結(jié)果見表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，但溫度升高同樣會增加氣體分子的運動速率，導致內(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)生嚴重變形。流速越大，流體產(chǎn)生的軸向剪切應力越大，當超過涂層附著力時，涂層會發(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”為定性指標外，其余指標均為定量指標，定性指標由專家通過目視法按照0～100分進行賦值。

2" " 未確知測度理論

2.1" " 構(gòu)建單指標測度

2.2" " 構(gòu)造未確知測度函數(shù)

2.3" " 計算指標權(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值的差異程度，差異程度越大，指標權(quán)重越大。計算步驟包括計算標準差、均值、變異系數(shù)和權(quán)重，具體見文獻[14]，在此不再贅述。

2.3.3" " 復合權(quán)重

2.4" " 構(gòu)造綜合指標測度及內(nèi)涂層失效風險評價

3" " 工程驗證

將表3的數(shù)據(jù)代入未確知測度函數(shù)圖，1號管道的單指標測度矩陣見表4，其余管道依次類推。

為了便于變異系數(shù)法計算權(quán)重，將I11指標中的“H”去掉，將I12指標中A～E級轉(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)場工作人員和專家意見，得到不同評價指標的重要度，并依據(jù)2.3.1節(jié)計算主觀權(quán)重，結(jié)果見表5。對于一級指標I1下屬的二級指標，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為電化學阻抗譜中0.01 Hz對應的阻抗值，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，滿足規(guī)范要求，因此硬度對內(nèi)涂層失效的影響應較小，故需要IAHP法的主觀權(quán)重進行結(jié)果修正。對于一級指標I2下屬的二級指標，變異系數(shù)法確定I24所占的權(quán)重過大，清管器程序不合理或清管器選用不當，雖可造成內(nèi)涂層的失效，但涂層的耐磨性也會在一定程度上降低內(nèi)涂層失效發(fā)生的概率，故也需IAHP法的主觀權(quán)重進行結(jié)果修正。一級指標中涂層性能的權(quán)重最大，其次為服役環(huán)境、施工缺陷和涂層老化；二級指標中電化學阻抗值、清管頻次、服役時間、施工水平的權(quán)重較大，這些因素應作為預防管道內(nèi)涂層失效的主控因素。

最后，按照式（8）確定不同管道內(nèi)涂層的多指標測度，再根據(jù)置信度識別準則得到內(nèi)涂層的風險等級，見表6。常規(guī)未確知測度的評價結(jié)果顯示，由于置信度選取的不同，在1號、2號、3號、5號管道的內(nèi)涂層風險結(jié)果出現(xiàn)了偏差，置信度較小時出現(xiàn)了低估，置信度較大時出現(xiàn)了高估。改進未確知測度顯示，只有3號管道的有效度大于0.5，考慮到傳統(tǒng)置信度識別準則中有兩個II級風險，一個I級風險，根據(jù)保守原則，確定該管道為II級風險；其余管道根據(jù)式（9）、式（10）計算γ和B值，確定管道內(nèi)涂層的失效風險。此外，在4號管道和7號管道出現(xiàn)了與常規(guī)未確知測度均不一樣的評價等級，這與常規(guī)方法低等級風險的隸屬度過于集中化有關(guān)。

其中，2號管道的內(nèi)涂層失效風險較大，內(nèi)涂層附著力較差，耐沖擊性和耐磨性也未達標，同時管輸溫度較高，加速了熱解老化的可能性；管輸介質(zhì)的腐蝕性較強，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號管道內(nèi)涂層的服役時間最長，但與服役時間最短的5號管道內(nèi)涂層相比，其失效風險更小，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號管道采用的內(nèi)涂層為環(huán)氧樹脂氧化石墨烯改性材料，并通過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涂料。從施工缺陷觀察，不同管道的內(nèi)涂層厚度均達到了200 μm以上，屬于普通級，部分管道可達加強級，噴砂除銹質(zhì)量和管道環(huán)焊縫質(zhì)量較好，施工質(zhì)量控制嚴格，施工過程表現(xiàn)良好。

綜上，基于復合權(quán)重-改進未確知測度理論的管道內(nèi)涂層失效風險評價結(jié)果與現(xiàn)場實際情況基本一致，降低了風險等級高估或低估的可能性，評價結(jié)果更加真實、可靠。評價指標體系中的“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，對此不必過多考慮；應著重從“服役環(huán)境”這類可人為控制的因素進行考慮，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)涂層失效的風險，提高流動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、失效過程和失效機理，建立了管道內(nèi)涂層失效風險評價指標體系，通過未確知測度理論實現(xiàn)了多因素非線性指標的風險量化，引入了有效度對常規(guī)置信度識別準則進行了改進，降低了主觀因素對評級結(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，一級指標中涂層性能的影響權(quán)重最大，二級指標中電化學阻抗值、清管頻次、服役時間、施工水平的影響權(quán)重較大。

3）基于復合權(quán)重-改進未確知測度理論的失效風險評價結(jié)果與現(xiàn)場工況基本一致，今后應著重考慮從人為控制的因素進行優(yōu)化調(diào)整，以降低內(nèi)涂層失效的可能性。

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作者簡介：

張" " 宏（1974—），女，河北高陽人，工程師，2007年畢業(yè)于內(nèi)蒙古大學行政管理學專業(yè)，現(xiàn)主要從事工程概算工作。

Email：3375931356@qq.com

收稿日期：2024-05-11