劉 旋 徐 輝 任釗震

1西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院2中國石油長慶油田分公司第一輸油處3中國石油長慶油田分公司第二輸油處

長慶油田油氣管道腐蝕檢測與剩余壽命評價

劉 旋1徐 輝2任釗震3

1西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院2中國石油長慶油田分公司第一輸油處3中國石油長慶油田分公司第二輸油處

埋地油氣管道發(fā)生腐蝕將會導(dǎo)致油氣管道穿孔、泄漏甚至破裂，造成巨大的財產(chǎn)損失，因此有必要對存在腐蝕缺陷的油氣管道進(jìn)行檢測并對其剩余壽命進(jìn)行預(yù)測。以長慶油田油氣管道為研究對象，分析其管道的腐蝕特征及防護(hù)措施，結(jié)合各檢測技術(shù)的優(yōu)缺點，采用CIPS與DCVG聯(lián)合檢測方法對管道腐蝕進(jìn)行檢測，效果較好。同時在管道剩余壽命預(yù)測方法的研究基礎(chǔ)上，提出采用灰色理論預(yù)測和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法來預(yù)測油氣管道的剩余壽命。

油氣管道；腐蝕檢測；剩余壽命預(yù)測；灰色理論；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

截至2010年，長慶油田已經(jīng)建成輸油干線近1 700 km，建成油田內(nèi)部集輸管道10 728 km，其油氣管道絕大多數(shù)都是由金屬管道及設(shè)備構(gòu)成且埋地鋪設(shè)。管道與各種不同的周圍介質(zhì)接觸，導(dǎo)致油氣管道發(fā)生腐蝕。具有腐蝕缺陷的管道一旦發(fā)生穿孔、泄漏，將會造成重大的財產(chǎn)損失和人身安全事故。因此，必須對管道的腐蝕進(jìn)行檢測，并對其剩余壽命進(jìn)行預(yù)測，以便做出管道繼續(xù)使用、維修及更換的決策。

1 管道腐蝕的檢測

長慶油田集輸系統(tǒng)管道腐蝕主要為外腐蝕，應(yīng)用檢測技術(shù)對管道的外覆蓋層以及陰極保護(hù)效果進(jìn)行檢測評價。目前國內(nèi)外管道外腐蝕檢測技術(shù)主要分為兩類：①對管道的外覆蓋層保護(hù)效果進(jìn)行檢測，包括多頻管中電流衰減法（PCM）、電流梯度檢測法（ACVG）和直流電位梯度法（DCVG）；②對陰極保護(hù)效果的檢測，主要是密間距電位測量法(CIPS)[1]。

因長慶油田油氣管道主要是以外腐蝕為主，防護(hù)措施為外防腐蝕層和陰極保護(hù)聯(lián)合防護(hù)，采用國外廣泛使用CIPS與DCVG聯(lián)合檢測方法實現(xiàn)對管道外涂層和陰極保護(hù)聯(lián)合防護(hù)的地面檢測。其檢測方案為：

（1）通過DCVG檢測技術(shù)對管道外防腐層進(jìn)行檢測，確定管道外防腐層的破損點和破損面積，同時還可以確定腐蝕活性，判斷外防腐層是否已經(jīng)發(fā)生腐蝕或具有腐蝕傾向，將獲得的數(shù)據(jù)做好記錄。

（2）通過DCVG檢測技術(shù)劃分管道防腐層的破損等級與優(yōu)先修復(fù)級別。

（3）利用CIPS密間隔電位檢測技術(shù)在管道記錄處開啟瞬時切斷電位，可消除土壤IR降的影響，評價陰極保護(hù)系統(tǒng)的有效性。

本項技術(shù)能夠精準(zhǔn)地尋找到缺陷的位置并估算腐蝕程度，判斷其等級，減小開挖量。隨著方案的不斷研究和實際應(yīng)用，該技術(shù)將成為國內(nèi)重要的管道腐蝕檢測手段。

2 腐蝕管道剩余壽命的預(yù)測

長慶油田現(xiàn)服役的油氣管道大多都是20世紀(jì)70年代建設(shè)的，服役壽命大多接近或者超過初始設(shè)計壽命，已經(jīng)到了事故頻發(fā)期。預(yù)測腐蝕管道的剩余壽命是預(yù)測在役管道的未來發(fā)展、確定管道的日常檢測周期及維修周期的重要參考參數(shù)。但是影響油氣管道的腐蝕因素有很多，且各因素間也互相影響，這從客觀上增大了油氣管道的腐蝕剩余壽命的預(yù)測難度。腐蝕速率對油氣管道腐蝕剩余壽命的預(yù)測起著決定性的作用。然而若采用傳統(tǒng)的概率統(tǒng)計學(xué)的計算方法，由于數(shù)據(jù)樣本的數(shù)量不足，將會導(dǎo)致預(yù)測精度誤差較大。為了解決這一問題，油氣管道腐蝕剩余壽命一般采用灰色理論方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法相配合進(jìn)行預(yù)測。

2.1 預(yù)測思路

油氣管道發(fā)生腐蝕后會使管道的壁厚逐漸減薄，進(jìn)而使管道的承壓能力減弱，使得管道對泄漏和破裂的抵抗能力下降。如果管道的內(nèi)壓超過管道的最大承載壓力，管道將會發(fā)生事故。即管道的剩余壁厚d減薄到最小允許壁厚dmin時，管道即達(dá)到其最終使用壽命，使用壽命與當(dāng)前時間之差值Tr即為其剩余壽命。要預(yù)測腐蝕管道的剩余壽命，需要確定腐蝕管道的厚度、最大剩余厚度和平均腐蝕速率。

式中vi為時刻i的腐蝕速率；δi為vi對應(yīng)的腐蝕量。

式中va為平均腐蝕速率；δmax為最大允許腐蝕深度。

2.2 預(yù)測方法

2.2.1 最小允許壁厚的確定

根據(jù)美國ASME鍋爐壓力容器N-480《管道腐蝕減薄驗收準(zhǔn)則》進(jìn)行最小允許壁厚確定。該準(zhǔn)則規(guī)定對腐蝕管道評定的范圍必須滿足以下條件[2]

0.3 t≤tρ≤0.875t（3）

式中t為正常時管道的壁厚，即原設(shè)計時無腐蝕的壁厚；tρ為評定壽命時的最大腐蝕坑深度剩余壁厚，即最小允許壁厚。

2.2.2 腐蝕速率的確定

將灰色理論預(yù)測方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測相結(jié)合，使用灰色方法求解總體需要的計算量較少，在少量樣本情況下也能達(dá)到較高的精度；使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算的精度高，而且誤差相對可以控制。結(jié)合兩種方法的優(yōu)點，綜合分析、優(yōu)劣互補?；疑窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型流程圖如圖1所示。

圖1 灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型流程

（1）收集油氣管道相關(guān)的檢測歷史數(shù)據(jù)，從而確定灰色建模的原始數(shù)據(jù)序列，并對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行累加生成處理，其中需要判定原始序列是否滿足灰色預(yù)測建模的要求，如不滿足則需要對原始數(shù)據(jù)序列進(jìn)行對數(shù)變換、指數(shù)變換等數(shù)學(xué)變換。

（2）根據(jù)灰色建模的步驟建立GM（1，1）模型[3]。

（3）通過建立的GM（1，1）模型得到原始數(shù)據(jù)預(yù)測值。

（4）使用后驗差檢驗法判別模型優(yōu)劣，根據(jù)計算的后驗差檢驗比值C和小誤差概率p判斷精度檢驗等級，GM（1，1）模型精度等級劃分如表1所示。

（5）如果精度檢驗不合格，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型對灰色預(yù)測模型預(yù)測值殘差再進(jìn)行預(yù)測，從而對灰色預(yù)測模型進(jìn)行殘差修正處理。

（6）如精度檢驗滿足要求，得到的預(yù)測結(jié)果值可用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立。

（7）將GM（1，1）模型得到的預(yù)測值作為傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入樣本，其真實值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)樣本，采用一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，調(diào)整其連接權(quán)值直到達(dá)到網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練目標(biāo)要求，就可以得到調(diào)整后的連接權(quán)值，再用GM（1，1）模型預(yù)測得到的值作為網(wǎng)絡(luò)的輸入值進(jìn)行仿真。

（8）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出值即為管道的腐蝕速率。

表1 GM（1，1）模型精度等級劃分

2.2.3 剩余壽命的預(yù)測

在測量了腐蝕管道的厚度、確定了管道的最大剩余厚度以及預(yù)測腐蝕平均速率后，通過公式（2）即可以確定油氣管道腐蝕剩余壽命。

2.3 預(yù)測模型的應(yīng)用

以長慶油田某原油長輸管道近幾年來實測的腐蝕速率值（如表2所示）為例，通過建立的灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，預(yù)測其腐蝕速度的發(fā)展變化。

表2 腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.3.1 通過GM(1，1)模型得到原始數(shù)據(jù)預(yù)測值

以表2中提供的長慶油田某管道的腐蝕速率為初始序列，根據(jù)圖1預(yù)測模型流程中的流程1、2和3，應(yīng)用GM（1，1）模型，通過MatLab編寫的程序進(jìn)行管道腐蝕速率的預(yù)測，得到原始數(shù)據(jù)的預(yù)測值，其結(jié)果見表3。

表3 GM（1，1）模型預(yù)測結(jié)果

2.3.2 精度檢驗

通過GM（1，1）模型預(yù)測，得到的其后驗差檢驗比值即均方差比值C為0.358 3，小誤差概率p為0.96，根據(jù)表1的GM（1，1）模型精度表可知預(yù)測精度良好（二級）。由此可知，采用GM（1，1）模型進(jìn)行油氣管道腐蝕速率的預(yù)測精度可以滿足要求，且精度還可以進(jìn)一步地提高。

2.3.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的建立

在驗證通過GM（1，1）模型得到的原始數(shù)據(jù)預(yù)測值滿足要求后，將GM（1，1）模型預(yù)測值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入樣本（即表3中的腐蝕速率值），實際腐蝕監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)（見表2）作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)值，利用MatLab軟件中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)編寫程序，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練函數(shù)和學(xué)習(xí)函數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。再將GM（1，1）模型預(yù)測得到的值作為網(wǎng)絡(luò)的輸入值進(jìn)行仿真，預(yù)測結(jié)果如表4所示。計算得到的C值為0.073 6，小誤差概率p為1.0，由表1的GM（1，1）模型精度表可知預(yù)測精度好?？梢娀疑窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型較GM（1，1）模型預(yù)測精度提高一個等級，說明預(yù)測值更接近于實測值。同時也表明用灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的腐蝕速率更接近于實際監(jiān)測值，其中以2010年、2011年、2012年的值最明顯。

表4 灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型預(yù)測結(jié)果

3 結(jié)語

隨著石油、天然氣工業(yè)的不斷發(fā)展，管道輸送發(fā)揮著越來越重要的作用。但隨著其使用年限的增加，防腐涂層發(fā)生老化、龜裂甚至剝離，進(jìn)而發(fā)生腐蝕，會造成巨大的財產(chǎn)損失和人員傷亡，有必要對存在腐蝕缺陷的油氣管道進(jìn)行檢測并對其剩余壽命進(jìn)行預(yù)測。目前對管道腐蝕檢測的技術(shù)有很多種，相關(guān)學(xué)者都對其進(jìn)行了研究和改進(jìn)，但都有一定的局限性，應(yīng)針對管道的腐蝕特征和類型，選取合適的檢測方法。長慶油田油氣管道主要是以外腐蝕為主，防護(hù)措施為外防腐蝕層和陰極保護(hù)聯(lián)合防護(hù)，故采用CIPS與DCVG聯(lián)合檢測方法對管道腐蝕進(jìn)行檢測，效果較好。同時在管道剩余壽命的預(yù)測方法研究的基礎(chǔ)上，提出采用灰色理論預(yù)測和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合對管道剩余壽命進(jìn)行預(yù)測。

[1]龍憲春．油氣管道外檢測技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]．管道技術(shù)與設(shè)備，2008（1）：20-22.

[2]吳明亮．基于灰色馬爾科夫理論的油氣管道腐蝕剩余壽命預(yù)測[J]．管道技術(shù)與設(shè)備，2008（5）：43-44.

[3]蔣曉斌．油氣管道腐蝕剩余壽命的預(yù)測方法[J]．石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2005（4）：18-20.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.017

劉旋：西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院在職研究生，研究方向為油氣田開發(fā)。

2015-06-07

基金論文：西安石油大學(xué)全日制碩士研究生創(chuàng)新基金（2014cx130106）資助。

15094093418、kill1944@163.com